6.Твердые наноструктурировнные и нанокомпозитные пленки (1074568)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Твердые наноструктурировнные и нанокомпозитные пленки

• Наноструктурированные и нанокомпозитные пленки - новое поколение материалов.
  Состав: две отдельные фазы с нанокристаллической и/или аморфной структурой. Наноструктурированные и нанокомпозитные материалы вследствие (i) очень малых (≤10нм), зерен, из которых они состоят, и (ii) значительной роли приграничных зон, окружающих отдельные зерна, ведут себя отлично от сходных материалов, чьи зерна больше, чем 100 нм, и соответственно проявляют новые свойства. Новые уникальные физические и функциональные свойства наноструктурных и нанокомпозитных пленок являются главной движущей силой, стимулирующей разработку этих материалов.

• В настоящее время известно, что существуют две группы твердых и сверхтвердых нанокомпозитов: nc-MeN/твердой фазы и nc-MeN/мягкой фазы, нанокристаллические и/или рентгеновски-аморфные пленки, создаваемые в переходных областях между кристаллической и аморфной фазами, двух кристаллических фаз и/или двух различных кристаллографических ориентаций зерен того же материала, и существуют огромные различия в микроструктуре одно- и двухфазных пленок.

• Существует целостная концепция нанокомпозитных пленок с повышенной твердостью. Она основана на геометрии наноструктурных особенностей, т.е. размера зерен и формы кристаллитов, из которых состоит пленка.

1.ПОВЫШЕННАЯ ТВЕРДОСТЬ
1.1. Происхождение повышенной твердости.

• Главными механизмами твердых пленок, ответственными за расширение Н являются: (1) дислокационно-доминирущая пластическая деформация, (2) сила сцепления между атомами, (3) наноструктура и (4) сжатие макронапряжений σ генерирующихся в пленке во время его формирования. Величина повышения H зависит от процессов, происходящих в заданном диапазоне размеров зерен d, см.рис.1

1. Происхождение повышенной твердости

1. Существует критическое значение dc≈10нм, при котором максимальная твердость Hmax может быть достигнута. Область, окружающая Hmax, соответствует непрерывному переходу от деятельности (активности) протекания процессов внутри зерен в области d>dС, главным образом обусловленной преобладанием активности (развитием) дислокации и описывающихся законом Холла-Петча (Н~d-1/2), к активности процессов в области d<dС, главным образом обусловленной преобладанием малыми, в смысле мелкомасштабными, скольжениями по границам зерен. Макронапряжение σ нежелательно и может быть устранено путем надлежащего контроля за

параметрами осаждения.

1.2. Формирование наноструктурированных пленок

• Нанокристаллические пленки характеризуются широкими низкоинтенсивными отражениями рентгеновского излучения. Такие пленки образуются в так называемых переходных областях, где структура пленки непрерывно или сильно меняется. Существует три группы переходов:

• 1) переход из кристаллической в аморфную фазу

• 2) переход между двумя фазами различных материалов

• 3) переход между двумя преимущественными ориентациями зерен того же материала.

• Рис.2. Схематическое изображение перехода регионов для А_1-XB_XN соединений. а) переходная область из кристаллической в аморфную фазу и б) переходная область между двумя кристаллическими фазами или двумя предпочтительными кристаллографическими ориентациями зерен

1.3. Наноструктурана нокомпозитов

• Наноструктурированные и нанокомпозитные пленки с улучшенной величиной H могут проявлять различную наноструктуру, см.рис.3.

• Рис.3. Схематическое изображение различных наноструктур нанокомпозитов с повышенным значением H.

Классификация пленок

• По наноструктуре пленки, наноструктурированные и нанокомпозитные пленки с улучшенным показателем H могут быть разделены на три группы:

• 1. Нанокомпозиты со столбчатой наноструктурой, состоящие из зерен, объединенных в наностолбцы; существует недостаточное количество второй (тканевой) фазы, чтобы покрыть поверхность всех зерен, рис.3а.

• 2. Нанокомпозиты с плотной шаровой наноструктурой, составленной из нанозерен, полностью окруженных тканевой фазой, рис.3б.

• 3. Нанокомпозиты с плотной шаровой наноструктурой, составленные из смеси нанозерен различных материалов или нанозерен различных кристаллографических ориентаций и/или решетки структур из того же материала, рис.3c.

• Эта классификация, которая была подтверждена экспериментально, ясно показывает, что происхождение улучшенной величины Н тесно связана с размером и поверхностью строящихся блоков, из которых состоит нанокомпозит.

. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

• Рис.4. Зависимости (а) Н=(E*) и (б) H3/E*2=F(H) для отдельных оксидов, карбидов и нитридов жестких пленок, полученных методом магнетронного распыления при различных условиях осаждения.

• Зависимости H=F(E*), Н3/E*2=F(H) и We=f(H) являются основными отношениями между механическими свойствами тонких пленок.

• Как можно видеть из рис.4а зависимость H=f(E*) может быть аппроксимирована прямой линией

H[ГПа] =0,15E* [ГПа]-12 (1).

• Кроме того, зависимость H3/E*2=f(H), приведенная на рис.4b может быть аппроксимирована параболой

H3/E*2=4.3x10-3H2 (2).

• Экспериментальные точки достаточно хорошо распределены вдоль линий определенных формулами (1) и (2). Этот вывод имеет фундаментальное значение для прогнозирования механических режимов работы покрытия.

1. ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПОВЕДЕНИЯ ТВЕРДЫХ НАНОКОМПОЗИТОВ

Уникальные свойства нанокомпозитных пленок обусловлены их наноструктурой. Однако, наноструктура - это метастабильная фаза. Это означает, что если температура, при которой пленка работает путепроводами выше некоторого порогового значения Tcr, то материал пленки начинает кристаллизоваться. Это приводит к разрушению наноструктуры и/или образованию новых кристаллических фаз. Это причина,по которой нанокомпозитные пленки теряют свои уникальные свойства при температуре Т>Tcr.

Температура Tcr, в которой наноструктура превращается в крупные зерна и/или новую кристаллическую фазу, определяет термическую стабильность нанокомпозитов. Многие приложения требуют Tcr быть выше чем 1000°С. Таким образом, жизненно важно разработать новые материалы, которые будут термически устойчивы к кристаллизации и окислению при температурах, значительно превышающих 1000°C.

• 3.1. Высокотемпературная стойкость к окислению
  Стойкость к окислению сильно зависит от фазового состава и термической стабильности отдельных фаз, из которых состоит покрытие, см. рис.5. Свойства: относительно низкая (меньшая, чем 1000°C), стойкость к окислению твердых защитных покрытий, см.рис.5.

• Рис.5. Окисление сопротивление выбранного жесткого двойных, тройных, четверных нитридов и жесткий аморфный Si3N4/MeNX композитных пленок представлены в виде ∆m=f(Ta).

• Есть только один эффективный способ увеличения стойкости к окислению твердых покрытий. Он основан на подавлении покрытия кристаллизации, то есть на ликвидации зерен и удаления непрерывной связи между поверхностью покрытия и подложки вдоль зерен через границы, окружающие их.

• Рис.6. Схематическое изображение контакта между внешней средой и подложкой через пленку

4.1. Сечение аморфных нанокомпозитов после термического отжига

• Нанокомпозиты с высоким (≥50% от объёма) содержанием фазы нитрида кремния аморфны, см.рис.7. Из этого рисунка видно, что большая часть Ta-Si-N пленки аморфна и только поверхность пленки окисляется. Формируется оксидная пленка Ta2O5 размером ~400нм. Пленка Ta-Si-N достаточно твердая для использования во многих приложениях, например, в качестве защитного покрытия для режущих инструментов.

• Рис.7. Поперечное сечение (а) Ta-Si-N пленки и (б) Mo-Si-N пленки на Si(100)-подложке после высокотемпературного отжига в потоке воздуха при температуре Ta=1300°C.

4.2.ПРОЧНОСТЬ ТОНКИХ НАНОКОМПОЗИТНЫХ ПОКРЫТИЙ

• Твердость должна сочетаться с прочностью, потому что прочность пленки может быть для многих применений более важным аспектом, чем твердость. Поэтому жизненно необходимо освоить формирование твердых пленок с высокой прочностью, см.рис.8.

Рис.8. Классификация нанокомпозитов в зависимости от их твердости и прочности.

Способы повышения прочности

упрочнение пластичной фазы

упрочнение нанозерна, основанное на отклонении трещины или разветвления границ зерна, или зернограничного проскальзывания

упрочнение фазового превращения

упрочнение многослойной структуры

волокно или нанотрубки основанные на перекрытии или отклонении трещин

упрочнение сжимающего усилия

Основная проблема заключается в определении прочности тонких пленок. Прочность тонких пленок может быть оценена неразрушающими методами, используя микроинденторную технику.

4.ПЕРСПЕКТИВЫ

• Деятельность в области наноструктурных пленок будет сосредоточена в основном на следующих проблемах:

• 1) развитие пленок с контролируемым размером зерен в диапазоне от 1 до 10 нм с целью (а) исследовать размерную зависимость явления в наноструктурированных пленках и (б) разработать новые передовые покрытия с уникальными физическими и функциональными свойствами

• 2) нанокристаллизация из аморфной фазы

• 3) перенос электронного заряда между нанозернами с различным химическим составом и разной энергией Ферми снова с целью получения пленок с новыми функциональныеми свойствами

• 4) разработка новых наноструктурированных и нанокомпозитных покрытий на основе оксидов и смеси оксидов и нитридов или карбидов и других соединений

• 5) разработка защитных покрытий с высокой стойкостью к окислению, превышающей 2000°C

• 6) низкая температура осаждения из кристаллических функциональных наноструктурированных пленок на нагретую чувствительную подложку

• 7) разработка новых PVD-систем для производства наноструктурированных покрытий под новые физические условия и с высокой скоростью осаждения.

• Кроме того, можно ожидать, что очень скоро тонкие наноструктурные пленки будут служить в качестве экспериментальных моделей для проектирования наноструктурированных массивных материалов с заданными свойствами.

Медицинские импланты

• Начиная с 70-80 годов прошлого столетия в кобальт-хромовый сплав, используемый для изготовления имплантатов, начали добавлять незначительную часть никеля для улучшения прочности сплава. Никель является безусловно одним из основных При формировании царапин на поверхности металла, образуются канавки с очень острыми краями, которые приводят в свою очередь, к повышенному абразивному износу при артикуляции компонентов. Глубина царапин на компонентах с TiN-покрытием значительно меньше, чем у CoCrMo.

• Cимуляционный тест с экаплантированными компонентами показал, что компоненты с TiN-покрытием имеют значительно меньший абразивный износ .Износ артикуляционной поверхности, значительно зависит от коэффициента трения контактной поверхности. Коэффициент трения, в свою очередь, зависит от материала, качества поверхности и её смачиваемости (образование жидкостной плёнки на поверхности металла).

• Путём нанесения капли воды, можно проследить смачиваемость поверхности имплантата. Чем меньше угол растяжения капли на поверхности, тем лучше смачиваемость этой поверхности. Имплантаты с TiN- покрытием (керамические свойства) имеют намного лучшую смачиваемость, чем CoCrMo-компоненты без этого покрытия. Из этого следует то, что на компонентах с TiN-покрытием - смачиваемость увеличивается, коэффициент трения уменьшается и абразивный износ материала редуцируется.

• При использовании эндопротезов с TiN – покрытием заметно уменьшение отдачи ионов металла в сравнении с CoCrMo эндопротезами.

• Со временем, все металлические компоненты имплантанта, отдают в окружающую их среду, ионы металла. На графике изображены результаты лабораторного исследования проведённого в университете города Würzburg в Германии. Пассивная (без движения) отдача ионов металла с имплантатов с TiN-покрытием, в сравнении с непокрытыми CoCrMo-имплантатами, сократилась до 10% (1).

• факторов возникновения аллергических реакций в организме хотя, в тоже время, повышенную чувствительность к кобальту и хрому нельзя полностью выпускать из внимания.

• Начиная с конца 90х годов начали успешно применять титаннитритное покрытие (TiN) на поверхности имплантатов для защиты организма от вызывающих аллергию ионов металла. Уменьшение отдачи частиц истирания путём закрытия карбидного слоя. В процессе литейного производства ортопедических имплантатов углеродная часть сплава способствует образованию карбидов (соединения металла с углеродом). Эти очень жёсткие карбиды выступают, как правило,
  на поверхности имплантата, что приводит к преждевременному
  разрушению артикуляционной поверхности полиэтилена.
  С помощью закрытия этого слоякарбидов путём нанесения ещё
  более жесткого слоя TiN-покрытия уменьшается в значительной степени износ материала вкладыша.

• Как правило, проведение тестов на истирание поверхности на имплантатах, производится непосредственно после изготовления этих компонентов. В самом деле, важную роль играют так называемые “третьи тела”(third body wear), такие как костные фрагменты или остатки цемента, которые приводят постоперативно к нанесению царапин и тем самым повышенному абразивному износу поверхности .

• Имплантаты с керамическим покрытием имеют высокую степень твёрдости и повышенную резистентность к абразивному износу. При формировании царапин на поверхности металла образуются канавки с очень острыми краями, которые приводят в свою очередь к повышенному абразивному износу при артикуляции компонентов. Глубина царапин на компонентах с TiN-покрытием значительно меньше. Симуляционный тест с экаплантированными компонентами показал, что компоненты с TiN-покрытием имеют значительно меньший абразивный износ.

Современные материалы для имплантации зубов

• До недавнего времени в имплантологии применяли нержавеющую сталь, а также сплав хрома и кобальта. Но сегодня от использования этих материалов практически отказались ввиду того, что они не имеют должной устойчивости при непосредственном контакте с биологическими средами. Наиболее приемлемыми являются биоинертные материалы — титан, золото, цирконий, керамика, стеклоуглерод. Они обеспечивают лучшее и более быстрое приживление искусственной конструкции, имеют ряд преимуществ в технологии изготовления. В настоящие время самые популярные и востребованные зубные имплантаты изготавливаются из чистого титана и его сплавов.

• Первые сведения о титане, содержащемся в недрах земли в форме различных соединений, были получены еще в XVIII веке. В чистом виде он был выделен Н. Берцелиусом в 1825 году, но до середины прошлого века так и не нашел широко применения. Чистый титан является очень пластичным и в то же время прочным металлом, он обладает высокой вязкостью, хорошо противостоит ударным воздействиям. Однако он имеет низкий модуль упругости и
  подвержен абразивному износу, поэтому сплавы титана с другими
  химическими элементам и обладают существенными преимуществами в использовании.

• Титан и его сплавы не являются химически инертными материалами, их поверхность быстро покрывается оксидной пленкой, которая и обеспечивает им высокую антикоррозийную устойчивость. Благодаря большой прочности и непревзойденной устойчивости к коррозии титан и его сплавы практически не имеют конкурентов в имплантологии. Данный метал обладает
  двумя важнейших для медицины качествами — не изменяет своих свойств
  под влиянием агрессивных биологических сред организма и сам не
  оказывает токсического воздействия на живые ткани. Кроме того, титан
  не вызывает аллергической реакции, не имеет постороннего привкуса, что
  важно при приеме пищи, а также удивительно легок и обладает хорошей теплоизоляцией.

• В настоящее время в связи с возрастающими требованиям к имплантатам все большее развитие получает направление по созданию специальных медицинских сплавов титана. Соединения первого поколения имели промышленное происхождение и в настоящее время от них постепенно отказываются, так как они содержат ванадий и алюминий, негативно влияющие на интеграцию искусственной конструкции в живые ткани. Титановые сплавы второго поколения разработаны специально для медицинского использования и не содержат ванадия.

• Наиболее перспективным представляется внедрение в практику соединений титана с ниобием, который устойчив к воздействия хлора и придает дополнительную прочность и пластичность, улучшает структуру материала. Титановые сплавы третьего поколения с добавлением молибдена, циркония, тантала имеют лучшую совместимость с биологическими тканями и способствуют оптимальной реакции костной ткани на механическое воздействие имплантата. В настоящее время использование токсичных химических элементов при изготовлении искусственных зубных конструкций не практикуется, несмотря на то, что их негативное воздействие на живые ткани достоверно не установлено.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций