Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено с Nanocrystalline )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Нанокристаллической ( НК ) материал представляет собой поликристаллический материал с кристаллитов размером всего в несколько нанометров . Эти материалы заполняют промежуток между аморфными материалами без дальнего порядка и обычными крупнозернистыми материалами. Определения различаются, но нанокристаллический материал обычно определяется как размер кристаллитов (зерен) менее 100 нм. Размер зерен от 100 до 500 нм обычно считается «сверхмелкозернистым».

Размер зерна образца NC можно оценить с помощью дифракции рентгеновских лучей . В материалах с очень маленьким размером зерна дифракционные пики будут расширяться. Это расширение может быть связано с размером кристаллитов , используя уравнение Шеррера (применимо до ~ 50 нм), а участок Виллиэмсон-Hall , [1] или более сложные методы , такие как метод или компьютерного моделирования Уоррен-Авербах дифракционной картины. Размер кристаллитов можно измерить непосредственно с помощью просвечивающей электронной микроскопии . [2]

Синтез [ править ]

Нанокристаллические материалы можно получить несколькими способами. Методы обычно подразделяются на категории в зависимости от фазы вещества, через которое материал проходит перед формированием конечного нанокристаллического продукта.

Твердотельная обработка [ править ]

Твердотельные процессы не включают плавление или испарение материала и обычно проводятся при относительно низких температурах. Примеры твердотельных процессов включают механическое легирование с использованием высокоэнергетической шаровой мельницы и определенные типы процессов интенсивной пластической деформации .

Обработка жидкости [ править ]

Нанокристаллические металлы могут быть получены путем быстрого затвердевания из жидкости с использованием такого процесса, как прядение из расплава . При этом часто образуется аморфный металл, который можно превратить в нанокристаллический металл путем отжига выше температуры кристаллизации .

Парофазная обработка [ править ]

Тонкие пленки нанокристаллических материалов могут быть получены с использованием процессов осаждения из паровой фазы, таких как MOCVD . [3]

Обработка решения [ править ]

Некоторые металлы, особенно никель и никелевые сплавы , могут быть превращены в нанокристаллическую фольгу с помощью электроосаждения . [4]

Механические свойства [ править ]

Нанокристаллические материалы демонстрируют исключительные механические свойства по сравнению с их крупнозернистыми разновидностями. Поскольку объемная доля границ зерен в нанокристаллических материалах может достигать 30%, [5] на механические свойства нанокристаллических материалов существенное влияние оказывает эта аморфная фаза границ зерен. Например, было показано, что модуль упругости уменьшается на 30% для нанокристаллических металлов и более чем на 50% для нанокристаллических ионных материалов. [6] Это потому , что аморфная зерна граничные участки имеют меньшую плотность , чем кристаллические зерна, и , следовательно , имеют больший объем на атом, . Если предположить, что межатомный потенциал в границах зерен такой же, как и в объемных зернах, модуль упругости, будет меньше в межзеренных областях, чем в объемных зернах. Таким образом, согласно правилу смесей , нанокристаллический материал будет иметь более низкий модуль упругости, чем его объемная кристаллическая форма.

Нанокристаллические металлы [ править ]

Исключительный предел текучести нанокристаллических металлов обусловлен упрочнением границ зерен, поскольку границы зерен чрезвычайно эффективны при блокировании движения дислокаций. Податливость возникает, когда напряжение из-за скопления дислокаций на границе зерна становится достаточным для активации скольжения дислокаций в соседнем зерне. Это критическое напряжение увеличивается по мере уменьшения размера зерна, и эта физика эмпирически фиксируется соотношением Холла-Петча,

где - предел текучести,  - это константа для конкретного материала, которая учитывает влияние всех других механизмов упрочнения, - это константа для конкретного материала, которая описывает величину реакции металла на упрочнение по размеру зерна, и - это средний размер зерна. [7] Кроме того, поскольку нанокристаллические зерна слишком малы , чтобы содержать значительное число дислокаций, нанокристаллические металлы подвергаются незначительному количеству деформационного упрочнения , [6] , и , таким образом , нанокристаллические материалы можно предположить , вести себя с идеальной пластичностью.

По мере того как размер зерна продолжает уменьшаться, достигается критический размер зерна, при котором межзеренная деформация, то есть скольжение по границам зерен, становится более энергетически выгодным, чем движение внутризеренных дислокаций. Ниже этого критического размера зерна, часто называемого «обратным» или «обратным» режимом Холла-Петча, любое дальнейшее уменьшение размера зерна ослабляет материал, поскольку увеличение площади границ зерен приводит к усилению зернограничного скольжения. Чандросс и Аргибей смоделировали скольжение по границам зерен как вязкое течение и связали предел текучести материала в этом режиме со свойствами материала как

где - энтальпия плавления , - атомный объем в аморфной фазе, - температура плавления, - объемная доля материала в зернах по отношению к границам зерен, определяемая выражением , где  - толщина границы зерен и обычно порядка 1 нм. Максимальная прочность металла определяется пересечением этой линии с соотношением Холла-Петча, которое обычно имеет размер зерна = 10 нм для металлов BCC и FCC. [5]

Из-за большого количества межфазной энергии, связанной с большой объемной долей границ зерен, нанокристаллические металлы термически нестабильны. В нанокристаллических образцах металлов с низкой температурой плавления (например, алюминия , олова и свинца ) размер зерна образцов увеличивался вдвое с 10 до 20 нм после 24 часов выдержки при температуре окружающей среды. [6]Хотя материалы с более высокими температурами плавления более стабильны при комнатной температуре, объединение нанокристаллического сырья в макроскопический компонент часто требует воздействия на материал повышенных температур в течение продолжительных периодов времени, что приведет к укрупнению нанокристаллической микроструктуры. Таким образом, термостойкие нанокристаллические сплавы представляют значительный инженерный интерес. Эксперименты показали, что традиционные методы стабилизации микроструктуры, такие как закрепление границ зерен через сегрегацию растворенных веществ или увеличение концентраций растворенных веществ, оказались успешными в некоторых системах сплавов, таких как Pd-Zr и Ni-W. [8]

Нанокристаллическая керамика [ править ]

В то время как механическое поведение керамики часто определяется дефектами, то есть пористостью, а не размером зерна, размерное упрочнение также наблюдается в керамических образцах высокой плотности. [9] Кроме того, было показано, что нанокристаллическая керамика спекается быстрее, чем массивная керамика, что приводит к более высокой плотности и улучшенным механическим свойствам, [6] хотя длительное воздействие высоких давлений и повышенных температур, необходимых для спекания детали до полной плотности, может привести к в укрупнении наноструктуры.

Большая объемная доля границ зерен, связанных с нанокристаллическими материалами, вызывает интересное поведение в керамических системах, такое как сверхпластичность в иначе хрупкой керамике. Большая объемная доля границ зерен обеспечивает значительный диффузионный поток атомов через ползучесть Кобла , аналогичный механизму деформации зернограничного скольжения в нанокристаллических металлах. Поскольку скорость диффузионной ползучести масштабируется каки линейно с коэффициентом диффузии границ зерен уменьшение размера зерна от 10 мкм до 10 нм может увеличить скорость диффузионной ползучести примерно на 11 порядков. Эта сверхпластичность может оказаться неоценимой для обработки керамических компонентов, поскольку материал может быть преобразован обратно в обычный крупнозернистый материал путем дополнительной термической обработки после формования. [6]

Обработка [ править ]

В то время как синтез нанокристаллического сырья в виде фольги, порошков и проволок относительно прост, тенденция нанокристаллического сырья к укрупнению при длительном воздействии повышенных температур означает, что для объединения этого сырья в объем необходимы низкотемпературные методы и методы быстрого уплотнения. составные части. Различные методы показывают потенциал в этом отношении, например, искра плазмы спекания [10] или ультразвуковой аддитивного производства , [11] , хотя синтез компонентов объемной нанокристаллических в промышленном масштабе остается неприемлемым.

См. Также [ править ]

  • Нанокристалл
  • Наночастицы
  • Квантовая точка

Ссылки [ править ]

  • А. Иноуэ; К. Хашимото, ред. (2001). Аморфные и нанокристаллические материалы: получение, свойства и применение . Берлин: Springer. ISBN 3540672710.
  1. ^ Anandkumar, Mariappan; Бхаттачарья, Шасвата; Дешпанде, Атул Суреш (23.08.2019). «Низкотемпературный синтез и характеристика однофазных многокомпонентных золей наночастиц оксида флюорита» . RSC Advances . 9 (46): 26825–26830. DOI : 10.1039 / C9RA04636D . ISSN 2046-2069 . 
  2. ^ Anandkumar, Mariappan; Бхаттачарья, Шасвата; Дешпанде, Атул Суреш (23.08.2019). «Низкотемпературный синтез и характеристика однофазных многокомпонентных золей наночастиц оксида флюорита» . RSC Advances . 9 (46): 26825–26830. DOI : 10.1039 / C9RA04636D . ISSN 2046-2069 . 
  3. ^ Цзян, Цзе; Чжу, Липин; Ву, Яжэнь; Цзэн, Юйцзя; Он, Хайпин; Линь, Цзюньминь; Е, Чжичжэнь (февраль 2012 г.). «Эффекты легирования фосфором в нанокристаллах ZnO методом химического осаждения из газовой фазы». Материалы Письма . 68 : 258–260. DOI : 10.1016 / j.matlet.2011.10.072 .
  4. ^ Giallonardo, JD; Erb, U .; Aust, KT; Паламбо, Г. (21 декабря 2011 г.). «Влияние размера зерна и текстуры на модуль Юнга нанокристаллического никеля и сплавов никель-железо». Философский журнал . 91 (36): 4594–4605. DOI : 10.1080 / 14786435.2011.615350 . S2CID 136571167 . 
  5. ^ a b Чандросс, Майкл; Аргибай, Николай (март 2020 г.). «Предел прочности металлов» . Письма с физическим обзором . 124 (12): 125501–125505. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.124.125501 . PMID 32281861 . 
  6. ^ a b c d e Глейтер, Герберт (1989). «Нанокристаллические материалы» . Прогресс в материаловедении . 33 (4): 223–315. DOI : 10.1016 / 0079-6425 (89) 90001-7 .
  7. ^ Кордеро, Захари; Рыцарь, Брейден; Шу, Кристофер (ноябрь 2016 г.). «Шесть десятилетий эффекта Холла – Петча - обзор исследований по упрочнению зерна чистых металлов». Международные обзоры материалов . 61 (8): 495–512. DOI : 10.1080 / 09506608.2016.1191808 . ЛВП : 1721,1 / 112642 . S2CID 138754677 . 
  8. ^ Детор, Эндрю; Шух, Кристофер (ноябрь 2007 г.). «Эволюция микроструктуры при термической обработке нанокристаллических сплавов». Журнал материаловедения . 22 (11): 3233–3248. DOI : 10.1557 / JMR.2007.0403 .
  9. ^ Wollmershauser, Джеймс; Фейгельсон, Борис; Горжковски, Эдвард; Эллис, Чейз; Госами, Рамасис; Кадри, Сайед; Тишлер, Джозеф; Куб, Фриц; Эверетт, Ричард (май 2014 г.). «Расширенный предел твердости в объемной нанокерамике». Acta Materialia . 69 : 9–16. DOI : 10.1016 / j.actamat.2014.01.030 .
  10. ^ Ча, Сын; Хонг, Скоро; Ким, Бён (июнь 2003 г.). «Поведение при искровом плазменном спекании нанокристаллических порошков цементированного карбида WC – 10Co». Материалы Наука и техника: A . 351 (1–2): 31–38. DOI : 10.1016 / S0921-5093 (02) 00605-6 .
  11. ^ Уорд, Остин; Френч, Мэтью; Леонард, Донован; Кордеро, Захари (апрель 2018 г.). «Рост зерна при ультразвуковой сварке нанокристаллических сплавов». Журнал технологий обработки материалов . 254 : 373–382. DOI : 10.1016 / j.jmatprotec.2017.11.049 .