Нанокристаллический материал - Nanocrystalline material

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 с помощью уравнения Шеррера (применимого до ~ 50 нм), графика Вильямсона-Холла или более сложных методов, таких как метод Уоррена-Авербаха или компьютерное моделирование дифракционной картины. Размер кристаллитов можно измерить непосредственно с помощью просвечивающей электронной микроскопии .

Синтез

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

Твердотельная обработка

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

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

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

Обработка решения

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

Механические свойства

Нанокристаллические материалы демонстрируют исключительные механические свойства по сравнению с их крупнозернистыми разновидностями. Поскольку объемная доля границ зерен в нанокристаллических материалах может достигать 30%, эта аморфная фаза границ зерен оказывает значительное влияние на механические свойства нанокристаллических материалов. Например, было показано, что модуль упругости уменьшается на 30% для нанокристаллических металлов и более чем на 50% для нанокристаллических ионных материалов. 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 внутри границ зерен такой же, как и в объемных зернах, модуль упругости будет меньше в областях границ зерен, чем в объемных зернах. Таким образом, согласно правилу смесей , нанокристаллический материал будет иметь более низкий модуль упругости, чем его объемная кристаллическая форма. ${\ displaystyle \ Omega}$ ${\ Displaystyle U (\ Omega)}$ ${\ Displaystyle E \ propto \ partial ^ {2} U / \ partial \ Omega ^ {2}}$

Нанокристаллические металлы

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,

{\ displaystyle \ sigma _ {y} = \ sigma _ {0} + Kd ^ {- 1/2},}

где - предел текучести, - это константа для конкретного материала, которая учитывает эффекты всех других механизмов упрочнения, - это константа для конкретного материала, которая описывает величину реакции металла на упрочнение по размеру зерна, и - это средний размер зерна. Кроме того, поскольку нанокристаллические зерна слишком малы, чтобы содержать значительное количество дислокаций, нанокристаллические металлы подвергаются незначительному деформационному упрочнению , и, таким образом, можно предположить, что нанокристаллические материалы ведут себя с идеальной пластичностью. ${\ displaystyle \ sigma _ {y}}$ ${\ displaystyle \ sigma _ {0}}$ ${\ displaystyle K}$ ${\ displaystyle d}$

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. Chandross & Argibay смоделировали скольжение по границам зерен как вязкое течение и связали предел текучести материала в этом режиме со свойствами материала следующим образом:

{\ displaystyle \ tau = {\ bigg (} L {\ frac {\ rho _ {L}} {M}} {\ bigg)} {\ bigg (} 1 - {\ frac {T} {T_ {m} }} {\ bigg)} е_ {г},}

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. ${\ displaystyle L}$ ${\ displaystyle \ rho _ {L} / M}$ ${\ displaystyle T_ {m}}$ ${\ displaystyle f_ {g}}$ ${\ displaystyle f_ {g} = (1- \ delta / d) ^ {3}}$ ${\ displaystyle \ delta}$ ${\ displaystyle d}$

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. 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.

Нанокристаллическая керамика

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. Кроме того, было показано, что нанокристаллическая керамика спекается быстрее, чем массивная керамика, что приводит к более высокой плотности и улучшенным механическим свойствам, хотя продолжительное воздействие высоких давлений и повышенных температур, необходимых для спекания детали до полной плотности, может привести к укрупнению наноструктуры.

Большая объемная доля границ зерен, связанная 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 линейно зависит от коэффициента 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. ${\ displaystyle d ^ {- 3}}$

Обработка

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. В этом отношении потенциал демонстрируют различные методы, такие как искровое плазменное спекание или ультразвуковое аддитивное производство , хотя синтез объемных нанокристаллических компонентов в промышленных масштабах остается несостоятельным.

Languages

In other projects