Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Однако метастабильность остается, и при нагреве до (0,4 – 0,65) Тпл материалпереходит в кристаллическое состояние. В связи с этим наряду с аморфным состоянием большой интерес стал проявляться и к нанокристаллическому состоянию аморфизирующихся сплавов.Для ряда объемно-аморфизирующихся сплавов, например для сплавов на основе железа, возможно получение нанокристаллической илиаморфно-нанокристаллической структуры непосредственно при закалкерасплава со скоростью охлаждения немного ниже критической скоростиобразования аморфного состояния. Однако для большинства сплавов притаком подходе получается неоднородная, нестабильная структура.В качестве перспективы можно рассматривать получение нанокристаллической структуры путем инициации процессов кристаллизации придеформировании аморфного материала.6.3.
Методы с использованием интенсивнойпластической деформацииЭта группа методов получения наноструктурных материалов основана на проведении пластической деформации с большими степенями деформации в условиях высоких приложенных давлений при относительнонизких температурах. В таких условиях деформирования происходитсильное измельчение микроструктуры в металлах и сплавах до нанораз88мерного диапазона.
При разработке этих методов существует ряд требований: преимущественное формирование ультрамелкозернистых структур сбольшеугловыми границами зерен (именно в этом случае наблюдаютсякачественные изменения свойств материалов), необходимость обеспечения стабильности свойств материала за счет однородного формированиянаноструктур по всему объему материала, отсутствие механических повреждений и трещин, несмотря на интенсивное пластическое деформирование материала. Эта группа методов позволяет получать объемные безпористые металлические наноматериалы.
Однако следует, отметить, чтодиапазон размеров зерен материалов, получаемых рассматриваемыми методами, как правило, составляет все же более 100 нм. Структура, получаемая при интенсивной пластической деформации, отличается сильной неравновесностью из-за малой плотности свободных дислокаций и преимущественно большеугловом характере границ зерен. Поэтому для обработанных изделий применяют дополнительную термообработку или дополнительное пластическое деформирование при повышенных температурахи большой степени деформации. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие методы.Метод кручения при высоком давлении основан на принципе наковален Бриджмена, в которых образец помещается между бойками и сжимается под приложенным давлением в несколько ГПа (рис.
6.5а). Нижнийбоек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Образец имеет геометрическую форму в видедиска диаметром 10 – 20 мм и толщиной 0,2 – 0,5 мм, что обеспечиваетусловия гидростатического сжатия для основного объема материала и выполнение условия неразрушения образца.Структура материала начинает измельчаться уже после деформациина пол-оборота образца. Образование ультрамелкозернистой структурыдостигается после деформации в несколько оборотов образца. Среднийразмер зерен может достигать 100 – 200 нм и определяется условиями деформации – давлением, температурой, скоростью деформации и видомобрабатываемого материала.Метод равноканального углового прессования (рис.
6.5б) обеспечивает получение более крупных размеров деталей с диаметром до 60 мм идлиной до 200 мм. Этот метод также основан на использовании деформации сдвигом. Для этого заготовка многократно продавливается в специальной оснастке через два пересекающихся канала с одинаковыми поперечными сечениями. Температура процесса в зависимости от обрабатываемого материала выбирается комнатной или слегка повышенной.Важной проблемой является сохранение целостности получаемыхобразцов для малопластичных и труднодеформируемых материалов. Метод позволяет формировать ультрамелкозернистую структуру со среднимразмером зерен в диапазоне от 200 до 500 нм [4].89Рис. 6.5. Схема методов интенсивной пластической деформации:а – метод кручения при высоком давлении;б – метод равноканального углового прессования [4, 24]Разрабатываются также другие методы интенсивной пластическойдеформации, например, всесторонняя ковка и специальная прокатка.6.4.
Тонкопленочные технологии модификации поверхностиОбработка поверхности материалов к настоящему времени представляет собой одну из наиболее развивающихся областей науки о материалах. Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике [5, 30 – 36]. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологии, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано- и микроизделий.Данные методы можно условно подразделить на две большие группы: технологии, основанные на физических процессах, и технологии, основанные на химических процессах. Среди всех наноориентированныхтехнологий обработки поверхности на сегодняшний день наиболее перспективными являются ионно-вакуумные технологии нанесения покрытий90(т.н.
PVD и CVD технологии) [25 – 31]. Полученные такими способамислои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на материал, как правило, минимальное. Анализ литературных данных, проведенный в работе [31], показал, что размер кристаллитов в пленках, полученных по технологиям вакуумного нанесения, может достигать 1 – 3 нм.Рассмотрим подробно некоторые основные варианты реализации наноориентированных технологий обработки поверхности.6.4.1.
Методы физического осаждения из паровой фазы (PVD)Данная группа методов часто обозначается английской аббревиатурой PVD (Physical Vapour Deposition). Эта группа методов объединенаобщей схемой нанесения покрытия и использованием вакуума. Сначаламатериал для покрытия переводится из конденсированного состояния всостояние пара, затем проводится его транспортировка к подложке (материалу на который наносится покрытие), где происходит осаждение материала покрытия из паровой фазы и формирование покрытия. Использование вакуума облегчает перевод материала в паровую фазу.Применение PVD методов для получения пленок, покрытий, позволяет: получать очень равномерные поверхностные слои толщиной от < 1нм до 200 мкм с очень хорошей воспроизводимостью свойств; покрыватьповерхности (магнетронный метод) практически неограниченной длины;осуществлять селективное нанесение на выбранные участки; получатьмногослойные покрытия со слоями разной толщины и из разных материалов; формировать состав, структуру и свойства слоев путем варьированиятехнологических параметров нанесения; минимально загрязнять окружающую среду.
К недостаткам этой группы методов можно отнести:сложность и большую стоимость технологического и контрольного оборудования; необходимость очень высокой квалификации обслуживающего персонала; сравнительно низкую производительность, сложность разработки технологического режима для конкретного случая получения покрытия, особенно для получения покрытий из соединений при выдерживании большой точности химического состава; необходимость специальной подготовки покрываемых поверхностей.Термическое испарение. Метод термического испарения основан внагреве исходных материалов с помощью какого-либо источника энергии(резистивный нагрев, электронный луч, электрический разряд и т.п.) дотемпературы испарения, а также испарении и конденсации паров на поверхности твердого тела в виде тонких пленок и покрытий [27].В результате испарения или сублимации вещество переходит в паровую фазу.
Пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью или твердым телом, называется насыщенным. Испарение обусловлено тем, что кинетическая энергия молекул или атомов в поверхностном91слое твердого тела или жидкости настолько превышает среднюю их энергию в объеме при данной температуре, что они отрываются и распространяются в свободное пространство. Энергия атомов определяется температурой испарителя и составляет 0,1 – 0,3 эВ.Движущей силой переноса частиц является различие давлений насыщенных паров над поверхностью испарения и вблизи поверхности конденсации.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
