МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ
/МИИГАиК/
Н.Н.Попов, И.Ю.Бурлак
НАНОТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Учебное пособие
МОСКВА,
МИИГАиК, 2010
УДК 528.5
Попов Н.Н.. Бурлак И.Ю.
Нанотехнология конструкционных материалов. Учебное пособие Н.Н. Попов, И.Ю. Бурлак - М.:, МИИГАиК, 2010, - 193 с.
Настоящее учебное пособие подготовлено в соответствии с утверждённой Федеральным агентством по образованию РФ примерной программой дисциплины Ф 03 "Материаловедение и технология конструкционных материалов" для направления подготовки дипломированных специалистов 200200 – Оптотехника и ФГОС ВПО по направлению 200400 "Бакалавр".
Рекомендованы кафедрой конструирования и технологии оптических приборов и утверждены к изданию редакционно-издательской комиссией факультета оптико-информационных систем и технологий Московского государственного университета геодезии и картографии.
Настоящее учебное пособие ставит целью помочь студентам 2 курса факультета оптико-информационных систем и технологий и вечернего отделения в освоении вышеуказанной дисциплины, а также помочь в выполнении самостоятельных, практических, контрольных и лабораторных работ.
Учебное пособие может быть полезно для студентов направления 120000 "Геодезия и землеустройство", специальности 120303 - Городской кадастр, а также для специальности 630100 – Архитектура МИИГАиК.
СОДЕРЖАНИЕ
Стр.
Часть 1. Общие положения 5
ВВЕДЕНИЕ 5
1.1. Влияние термообработки на создание и регулирование естественно-гетерофазных наноструктур 12
1.2. Нанотехнологии в литейном производстве 15
1.3. Термопластическая нанотехнология 17
1.4. Создание искусственно-гетерофазных наноструктур 29
1.4.1. Для материалов оптотехники 29
1.4.2. Для строительных материалов 32
1.5. Практическое применение нанотехнологий 35
1.5.1. Для конструкционных материалов оптотехники 35
1.5.2. Для строительных материалов 40
Контрольные вопросы к части 1. 43
Литература, рекомендуемая к части 1. 47
Часть 2. Наноматериалы конструкционного назначения 50
2.1. Особенности микро- и нанокристаллического строения поверхности конструкционных материалов 52
2.1.1. Поверхностная упрочняющая обработка 54
2.1.2. Поведение дислокаций в зоне резания 61
Литература, рекомендуемая к разделу 2.1. 64
2.2. Основные свойства конструкционных материалов 67
2.2.1. Нанокристаллические структуры 67
2.2.2. Наноиндентирование и микротвердость 75
Литература, рекомендуемая к разделу 2.2 85
2.3. Получение наноматериалов для оптотехники 89
2.3.1. Порошковая металлургия наноматериалов 90
2.3.2. Кристаллизация аморфных сплавов 99
2.3.3. Интенсивная пластическая деформация 104
2.3.4. Поверхностные наноструктурные покрытия. 108
Литература, рекомендуемая к разделу 2.3. 110
2.4. Наноматериалы оптотехники 116
2.4.1. Металлические 118
2.4.2. Керамические 123
2.4.3. Композиционные материалы 125
2.4.4. Полимерные 129
Литература, рекомендуемая к разделу 2.4. 131
2.5. Лазерная техника и нанотехнологии 135
Литература, рекомендуемая к разделу 2.5. 159
2.6. Основные направления нанотехнологий стройматериалов 164
2.6.1. Конструкционные стройматериалы с наночастичами 171
2.6.2. Нанотехнологии отделочных стройматериалов 183
Литература, рекомендуемая к разделу 2.6. 189
Контрольные вопросы к части 2. 191
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 197
Часть 1. Общие положения введение
Конструкционным называют материал, способный длительно и надёжно работать в условиях напряжённого состояния. Объяснение понятий надёжность и напряжённое состояние применительно к деталям оптотехники приведено в работе [ 1 ].
Современная технология конструкционных материалов предусматривает классическую технологию и нанотехнологию. Классическая технология подразделяется на рациональные методы формообразования деталей без снятия стружки - литьём, обработкой давлением, сваркой, пайкой, склеиванием, порошковой металлургией и другими [ 1 ], и со снятием стружки с исходной, обрабатываемой механическим путём заготовки, называемой обработкой резанием. К последней относятся следующие методы формообразования деталей на металлорежущих станках: токарной группы, строгальных станках, сверлильных, расточных, фрезерных, протяжных, шлифовальных, полировальных, электрофизических, электрохимических и т. д. Обработка резанием позволяет получать наиболее высокую точность геометрических размеров макродеталей: малую шероховатость поверхности, являясь предметом изучения не только в Учебно-производственной лаборатории, но и при курсовом к дипломном проектировании.
В России с 2006 года особое внимание стали уделять нанотехнологиям, когда состоялось "Первое Всероссийское совещание учёных, инженеров и производителей в области нанотехнологий", а в 2008 г. по результатам совещания опубликована "Белая книга по нанотехнологиям: Исследования в области наночастиц, наноструктур и нанокомпозитов в РФ" [ 2 ]. Применительно к специальностям нашего университета, в программы которых входит конструкционное материаловедение на факультете оптико-информационных систем и технологий, ВФ, ГУФ и ФЭУТ, по-видимому, следует называть не нанотехнологии, а нанотехнология, т.к. термин "нанотехнологии" в широком смысле понятия предусматривает химические, биологические и физические аспекты наносостояния.
Нанометр (нм) составляет 10-9 м, а 10-10 м - является внесистемной единицей измерения, равной одному ангстрему ( Å ). Металловеды уже более полувека работают с наноструктурой, называвшейся тонкой структурой, обнаруживаемой с помощью электронных микроскопов на тончайших и трудно получаемых фольгах на просвет и определяют параметры атомно-кристаллической структуры различных кристаллических материалов с помощью рентгеновского анализа, используя единицы измерения - ангстремы: 1 Å = 0,1 нм. Подавляющее большинство параметров атомно-кристаллических ячеек металлических сплавов находится в пределах 0,3 - 0,7 нм.
Научные разработки в области нанотехнологий за рубежом получили бурное развитие с конца 80-х годов прошлого века, когда были созданы сканирующий туннельный зондовый микроскоп, позволяющий электропроводящим остриём с радиусом 10 нм (зондом) при напряжениях около 0,01 - 10 вольт регистрировать туннельный ток в зазоре с образцом в зависимости от свойств и расположения атомов на исследуемой поверхности (Рис.1), а также лазерный сканирующий атомно-силовой и лазерный ближнепольный оптический. Атомно-силовой лазерный микроскоп регистрирует изменение силы притяжения иглы к поверхности от точки к точке, а ближнепольный оптический микроскоп имеет зонд в виде стекловолокна и позволяет строить трёхмерное изображение поверхности (Рис.1).
Туннельная и атомно-силовая микроскопия обеспечивают атомное разрешение; стоимость зондовых микроскопов ниже традиционных электронных; они могут работать при комнатной, повышенной и криогенной температурах; на воздухе, в вакууме и жидкости; в условиях действия сильных магнитных и электрических полей, СВЧ и оптического облучения. Зондовые микроскопы исследуют проводящие, диэлектрические, биологические и др. материалы без трудоёмкой подготовки образцов.
Используются для локального определения атомных конфигураций, магнитных, электрических, тепловых, химических и др. свойств поверхности, могут обеспечивать захват отдельных атомов и перенос их в новую позицию, атомарную сборку проводников шириной в один атом, контролировать протекание локальных химических реакций, выполнять многие другие функции.
Сканирующая зондовая микроскопия позволила быстро установить характер изменения различных свойств материалов на субмикронном уровне - 1─100 нм (Рис.2), т.к. поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от атомов, находящихся внутри объёма, вследствие нескомпенсированности атомных связей и действия адгезионно-когезионных сил. Последнее приводит к рассмотрению поверхностного слоя как нового состояния вещества. Для различных механических, электрических, химических свойств критический размер и характер их изменений является различным.
Поверхностный слой служит стоком для дефектов атомно-кристаллического строения вещества, приближая к совершенству образец материала в структурном и химическом отношениях. Если образец материала имеет атомарный масштаб в одном измерении, его свойства могут резко отличаться от объёмных для того же материала (Рис.2).
К современным синтезированным нанообъектам относятся: нанопорошки металлов, окислов, нитридов, спечённых твёрдых сплавов, наноалмазы, фуллереновые однослойные и многослойные нанотрубки, фуллериты, металлофулериты, углеродные нановолокна, наноконусы, наношайбы [ 2, 3 ] (Рис.3, 4). Они имеют высокие твёрдость, микропрочность, параметры упругости; низкую плотность, высокие удельную прочность (отношение предела прочности к плотности), жёсткость (отношение модуля нормальной упругости к плотности); способность останавливать дислокации в пластичной кристаллической матрице; повышать удельную прочность и жёсткость макро-деталей при условии равномерного и мелкодисперсного распределения в матрицах. Чрезвычайно перспективны для создания принципиально новых композиционных конструкционных материалов.
1 – осциллирующий характер изменения свойств;
2 – рост характеристики с насыщением;
3 – рост характеристики с максимумом для одного и того же материала.
– атом,
– молекула фуллерена С60,
– молекула фуллерена С70,
– нанотрубка однослойная,
– нанотрубка многослойная,
– шунгит тонкодисперсный.
Существующая к настоящему времени технология изготовления деталей и несущих элементов имеет два принципиально различных понятия: технология "сверху - вниз" и технология "снизу-вверх". Технология "сверху-вниз" предусматривает классическое изготовление деталей из бóльшей по геометрическим размерам исходной заготовки. Например, токарная, фрезерная, строгальная и др. методы обработки заготовок со снятием стружки. Технология "снизу-вверх" предусматривает создание деталей и электронных элементов путём сборки на атомном уровне, подсаживая к атому атом последовательно, достигая новых свойств микро- и макродеталей.
Высокотвёрдые и высокопрочные наночастицы - фазы размером до 100─150 нм в металлических конструкционных материалах могут образовываться естественным путём из метастабильной гомогенной матрицы при термической, термопластической и др. методах обработки монолитных исходных материалов, которые называются естественно-гетерогенными или естественно-гетерофазными материалами. Искусственно-гетерофазными называются конструкционные материалы, изготовленные из заранее полученных твёрдых и высокопрочных наночастиц путём равномерного распределения их в основе-матрице, подобно микропорошковым искусственно-армированным композиционным материалам.
В белой книге по нанотехнологиям [ 2 ] присутствуют работы по созданию естественно-гетерофазных и искусственно-гетерофазных наноструктур, приводящие к существенному улучшению свойств конструкционных материалов, однако основное внимание уделяется созданию искусственно-гетерофазных наноструктур вследствие отсутствия количественной теории, которая связывала бы свойства вещества с его составом и физической структурой. Естественно-гетерофазные система металлических сплавов начали разрабатываться давно и к настоящему времени получили широкое распространение в качестве конструкционных материалов [ 1, 4 ]. Первые известные авторам исследования в области создания естественно-гетерофазных металлических сплавов относятся к началу XX века, когда великий русский металлург И.И. Сидории совместно с генеральным конструктором А.Н.Туполевым создали первый советский металлический корпус самолёта из Кольчуг-металла, в последствии названного сплавом дюралюмин марки Д16Т.
В настоящее время около трёхсот академических, научных, производственных и высших учебных заведений РФ занимаются разработкой и внедрением новых искусственно-гетерофазных наноматериалов для различных отраслей промышленности [ 2 ].