2.3.4. Поверхностные наноструктурные покрытия.
Перечисленные выше методы получения компактных нанокристаллических материалов не являются универсальными, поскольку применимы к ограниченному кругу объектов [2]. Поверхностные наноструктурные пленки и покрытия обеспечивают большие возможности в инструментальной промышленности и электронной технике. Нанесение пленок и покрытий позволяет получать беспористые материалы, часто толщиной не более нескольких микрометров. Поверхностные пленки и покрытия как наноструктурные материалы универсальны по составу, а размер кристаллов в них может изменяться в широком интервале. Несмотря на малую толщину, покрытия существенно повышают физико-механические свойства компактных материалов и изделий. Пленки различного состава широко применяются в электронных микросхемах, пленки и покрытия получают химическим и физическим методами осаждения из газовой фазы, электроосаждением и с помощью золь-гель технологии.
Наноструктурированные материалы возможно получить гальваническим способом. Например [1], лист наноструктурированной меди получается при помещении электродов в электролит медного купороса и приложении напряжения между электродами. Медь, выделяющаяся на отрицательном электроде из титана ,образует наноструктурированный слой. Возможно, получать лист меди толщиной до 2 мм со средним размером зерна 27 нм и пределом текучести 119 МПа [1].
Для поверхностных наноструктурных покрытий важен факт уменьшения значений модуля Юнга с уменьшением размера зерна. Для железа с наноразмерными зернами при размере зерен менее 20нм модуль Юнга падает, примерно на 25% при величине зерна около 1нм. Причем, значения нанотвердости, как и предел текучести σт традиционных материалов, связан с размером зерна в соответствии с уравнением Холла-Петча:
=
Где: σ0-напряжение сил вязкого трения, тормозящее дислокацию; к - константа; d-размер зерна.
Отклонение от поведения по закону Холла-Петча наблюдается при d<20нм. Оно заключается в отсутствии зависимости от размера зерна с уменьшением d. Считается [1], что традиционная деформация по дислокационному механизму в материалах с размером зерна меньше 30 нм невозможна вследствие малой вероятности появления подвижных дислокаций.
Большинство объемных наноструктурных материалов хрупки и имеют невысокую пластичность под нагрузкой. Результаты измерений пластичности объемных наноструктурных материалов разнородны вследствие их чувствительности к дефектам и пористости, зависящих в свою очередь от технологии изготовления.
Возможно получение наноструктурированных многослойных материалов. Такие слоистые материалы изготавливаются разнообразными газофазными методами -осаждение напылением и химическое осаждение паров, либо гальваническим способом. Многочисленные материалы, чередующиеся слои которых имеют разную кристаллическую структуру, оказываются более твердыми ,т.к. дислокациям сложнее перемещаться между слоями и они локализуются в своих слоях.
Наноструктурные износостойкие покрытия для режущего инструмента, полученные осаждением с помощью магнетронного распыления многофазных мишеней, имеют низкую скорость износа и стабильный коэффициент трения, [40].
С точки зрения конструкционного материаловедения в связи с современными работами по исследованию деформации твердых тел как многоуровневых систем [41], особое внимание уделяется наноструктурированию поверхностных слоев и нанесению наноструктурных покрытий с размером зерна 10-20 нм, повышающих все механические характеристики материалов.