2.4. Наноматериалы оптотехники
Основные направления развития конструкционного материаловедения были предсказаны советским академиком И.А. Одингом в середине прошлого века [1] после опубликования U-образной диаграммы зависимости прочности металлов от плотности дислокаций. Тонкие высокопрочные монокристаллические нити левой части кривой И.А. Одинга явились первыми наноматериалами, полученными в условиях самоорганизующихся технологий, т.к. самопроизвольный рост нитевидных кристаллов управлялся путем внешнего воздействия [2]. Школа академика И.А. Одинга развила новые научные направления – нелинейную динамику сложных систем (синергетику) и теорию фракталов [2], проложивших путь к развитию в материаловедении новых методов упрочнения металлов и сплавов, основанных на управлении их фрактальной структурой [3].
Линейные дефекты структуры на наноуровне–дислокации, являются определяющими на макроуровне устойчивость системы к сдвигу в условиях повышенного уровня запасенной упругой энергии. При достижении в объеме критического уровня запасенной энергии происходит неравновесный фазовый переход с самоорганизацией в разрешенной объемной среде фрактальных поверхностных объемов в виде субграниц [4]. Переход дислокаций через границу зерна инициирует ее фрактальность, а самоорганизация субграниц защищает границу от ее повреждаемости [2].
На первой международной конференции «Деформация и разрушение материалов» (DFM) академик РАН Ю.К. Ковнеристый определил основные пути фундаментальных исследований в направлении необходимости разработки новых теоретических подходов к количественному и обобщающему описанию связи параметров деформации и разрушения с характером структуры самых разнообразных по природе материалов, прежде всего на наноуровне, когда выявляется роль квантовых эффектов в повышении уровня свойств материалов [5].
В соответствии с современными представлениями о структуре [6] наноматериалы классифицируются по размерности частиц (зерен) D и геометрической форме структурных элементов на: кластерные (0D), волоконные (1D) материалы, плёнки и многослойные (2D) материалы и поликристаллические (3D), зерна которых имеют сравнимые размеры во всех трех направлениях (рис.28).
Рис. 28. Типы нанокристаллических материалов: 0D — (нульмерные) кластеры; 1D — (одномерные) нанотрубки, волокна и прутки; 2D — (двумерные) плёнки и слои; 3D—(трёхмерные) поликристаллы.
Кластеры представляют собой группу из небольшого переменного числа взаимодействующих атомов (ионов, молекул) с отличительной чертой – немонотонная зависимость свойств от количества атомов в кластере. В нанокристаллических объемных материалах такая зависимость свойств отсутствует, но проявляется зависимость свойств от размера частиц (зерен, кристаллов). Минимальное число атомов в кластере равно двум, а максимальное – около 2 тысяч. Верхнюю границу размеров кластера рассматривают как границу кластера с изолированной наночастицей [6].
В настоящей работе в качестве конструкционных материалов, в основном рассматриваются объемные 3D-поликристаллы и 2D-пленочные слои, а 1D-нанотрубки и нановолокна находят применение при создании современных объемных композиционных материалов на металлической и неметаллической основах.
Механические свойства объемных нанокристаллических материалов зависят от размера зерен. Уменьшение размеров зерен приводит к увеличению прочности и твердости конструкционных материалов с наноразмерными зернами за счет трудности образования новых дислокаций. Кривая зависимости прочности и твердости от среднего размера зерен в наноразмерной области для некоторых конструкционных материалов имеет максимум, что связывают с увеличением доли тройных стыков границ зерен [7, 8].