Оксидные наноматериалы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Оксидные наноматериалы



Введение

наноматериал сверхкритический оксид металл

Разработку новых материалов и технологий их получения и обработки в настоящее время общепризнанно относят к т.н. «ключевым» или «критическим» аспектам основы экономической мощи и обороноспособности государства. Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.

К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.

К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:

1) фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;

2) развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;

3) развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

Начало XXI века ознаменовалось революционным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине). Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том, что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического и оборонного развития государств. Некоторые эксперты даже предсказывают, что XXI век будет веком нанотехнологий (по аналогии с тем как XIX век называли веком пара, а XX век - веком атома и компьютера).

Такие перспективы требуют оперативного внедрения в образовательные программы дисциплин, необходимых для подготовки специалистов, способных эффективно и на современном уровне решать фундаментальные и прикладные задачи в области наноматериалов и нанотехнологий. [1]



1. Понятие о наноматериалах. основы классификации и типы структур наноматериалов

1.1 Терминология

Терминология по наноматериалам и нанотехнологиям в настоящее время только устанавливается. Существует несколько подходов к тому, как определять, что такое наноматериалы (рис. 1).

Рис. 1. Терминологические подходы к понятию наноматериалов

Самый простой подход связан с геометрическими размерами структуры таких материалов. Согласно такому подходу материалы с характерным размером микроструктуры от 1 до 100 нм называют наноструктурными (или иначе нанофазными, нанокристаллическими, супрамолекулярными) [2-5].

Выбор такого диапазона размеров не случаен, а определяется существованием ряда размерных эффектов и совпадением размеров кристаллитов с характерными размерами для различных физических явлений. Нижний предел считается связанным с нижним пределом симметрии нанокристаллического материала [6,7]. Дело в том, что по мере снижения размера кристалла, характеризующегося строгим набором элементов симметрии, наступает такой момент, когда будет наступать потеря некоторых элементов симметрии.

По данным [6,7] для наиболее широко распространенных кристаллов с ОЦК и ГЦК решеткой такой критический размер равен трем координационным сферам, что для случая железа составляет около 0,5 нм, а для никеля - около 0,6 нм. Величина верхнего предела обусловлена тем, что заметные и интересные с технической точки зрения изменения физико-механических свойств материалов (прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.) начинаются при снижении размеров зерен именно ниже 100 нм [8,9,10].

Второй подход [2,10,11] связан с огромной ролью многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах в формирование их свойств. В соответствии с ним размер зерен (D) в наноматериалах определялся в интервале нескольких нанометров, т.е. в интервале, когда объемная доля поверхностей раздела в общем объеме материала составляет примерно ДV?50% и более. Эта доля приблизительно оценивается из соотношения ДV ?3s/D, где s - ширина приграничной области. При разумном значении s около 1 нм 50%-я доля поверхностей раздела достигается при D = 6 нм.

Существует так же подход [4], в соответствии с которым для наноматериалов наибольший размер одного из структурных элементов должен быть равен или быть меньше, размера, характерного для определенного физического явления. Так для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла, для магнитных свойств - размер однодоменного кристалла, для электропроводности - длина свободного пробега электронов. Существенными недостатками такого подхода являются [4,12], во-первых, несоответствие размеров структурных элементов для разных свойств и материалов и, во-вторых, различность характерных размеров для разных состояний одного и того же материала (например, отдельные частицы нанопорошка и зерна в поликристалле - см. табл. 1).



Таблица 1. Расчетные значения размеров частиц и зерен, не содержащих дислокационных петель, нм [4].

Материал	Cu	Al	Ni	б-Fe
Отдельные частицы порошка	250	60	140	23
Зерна в поликристалле	38	18	16	3

Некоторые ученые [13] считают, что если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними - к нанотехнологиям. На наш взгляд наиболее полноценная на сегодняшний момент терминология предложена в работах [14,15], где используются следующие термины:

нанотехнология - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;

наноматериалы - материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

наносистемная техника - полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.

Следует отметить, что наряду с термином наноматериалы, который к настоящему времени получает все более широкое применение, получили распространение также равноправные термины «ультрадисперсные материалы», «ультрадисперсные системы» (в отечественной литературе) и «наноструктурные материалы» (в западных источниках).

1.2 Основы классификации наноматериалов

Наноматериалы можно разделить на четыре основные категории (рис. 2).

Рис. 2. Классификация наноматериалов

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна, очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий.

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мк - 1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалы с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются поликристаллическими материалами с размером зерна 1 - 100 нм. В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса. В первый класс входят однофазные материалы (в соответствие с терминологией [4] микроструктурно однородные материалы), структура и / или химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Их структура, как правило, находится в состоянии далеком от равновесия. К таким материалам относятся, например, стекла, гели, пересыщенные твердые растворы. Ко второму классу можно отнести микроструктурно неоднородные материалы, которые состоят из наноразмерных элементов (кристаллитов, блоков) с различной структурой

и / или составом. Это многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.

Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов [2-5].

К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и / или нановолокнами, изделия с измененной ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты упрочненные волокнами и / или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов [1].

1.3 Основные типы структур наноматериалов

Свойства наноматериалов в значительной степени определяются характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов), из которых они состоят. В связи с этим целесообразно классифицировать структуры наноматериалов по этим признакам (рис. 3). По форме кристаллитов наноматериалы можно разделить на слоистые (пластинчатые), волокнистые (столбчатые) и равноосные [2-4,16]. Разумеется толщина слоя, диаметр волокна и размер зерна при этом принимают значения порядка 100 нм и менее. Исходя из особенностей химического состава кристаллитов и их границ обычно выделяют четыре группы наноматериалов [2-4]. К первой относят такие материалы, у которых химический состав кристаллитов и границ раздела одинаковы. Их называют также однофазными.

Рис. 3. Основные типы структуры наноматериалов [4,16]



Примерами таких материалов являются чистые металлы с нанокристаллической равноосной структурой и слоистые поликристаллические полимеры. Ко второй группе относят материалы, у которых состав кристаллитов различается, но границы являются идентичными по своему химическому составу. Третья группа включает наноматериалы, у которых как кристаллиты, так и границы имеют различный химический состав. Четвертую группу представляют наноматериалы, в которых наноразмерные выделения (частицы, волокна, слои) распределены в матрице, имеющей другой химический состав. К этой группе относятся в частности дисперсно-упрочненные материалы [1].



2. Особенности свойств наноматериалов и основные направления их использования

2.1 Физические причины специфики наноматериалов

Наиболее сильные изменения свойств наноматериалов и наночастиц наступают в диапазоне размеров кристаллитов порядка 10 - 100 нм. Основные физические причины этого можно проиллюстрировать на рис 4. Для наночастиц доля атомов, находящихся в тонком поверхностном слое (его толщину принимают порядка 1 нм), по сравнению с мезо- и микрочастицами заметно возрастает. Действительно, доля приповерхностных атомов будет пропорциональна отношению площади поверхности частицы S к ее объему V. Если обозначить характерный размер частицы (кристаллита) как D, то: S/V ? D²/D³ ? 1/D. У поверхностных атомов, в отличии от находящихся в объеме твердого тела, задействованы не все связи с соседними атомами. Для атомов находящихся на выступах и уступах поверхности ненасыщенность связей еще выше. В результате в приповерхностном слое возникают сильные искажения кристаллической решетки и даже может происходить смена типа решетки. Другим аспектом является тот факт, что свободная поверхность является стоком бесконечной емкости для точечных и линейных кристаллических дефектов (в первую очередь вакансий и дислокаций). При малых размерах частиц этот эффект заметно возрастает, что может приводить к выходу большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей. В настоящее время установлено, что процессы деформации и разрушения протекают в тонком приповерхностном слое с опережением по сравнению с внутренними объемами металлического материала, что во многом определяет возникновение ряда физических эффектов, в том числе физического предела текучести и физического предела усталости [17-24].



Рис. 4. Основные физические причины специфики наноматериалов

Рис. 5. Зависимость объемных долей границ раздела, границ зерен и тройных стыков [4]

Для наночастиц весь материал будет работать как приповерхностный слой, толщина которого оценивается в диапазоне порядка 0,5 - 20 мкм. Можно также указать на тонкие физические эффекты, проявляющиеся в специфическом характере взаимодействия электронов со свободной поверхностью.

Следующей причиной специфики свойств наноматериалов является увеличение объемной доли границ раздела с уменьшением размера зерен или кристаллитов в наноматериалах. При этом можно выделить объемную долю следующих составляющих: границ раздела, границ зерен и тройных стыков [3,4]. Объемную долю границ раздела можно оценить по формуле:

ДV_ГР=1 - [(D-s)/D]³, где s - толщина границ раздела (порядка 1 нм), а D - характерный размер зерна или кристаллита. Объемную долю границ зерен - по формуле: ДV_ГЗ =[3s (D-s)²]/D³, а объемную долю тройных стыков как разность: ДV_ТС= ДV_ГР - ДV_ГЗ. На рис. 5 представлены рассчитанные по этим формулам зависимости указанных объемных долей [3,4]. Видно, что с уменьшением размера зерна от 1 мкм до 2 нм объемная доля межзеренной компоненты (границ раздела) увеличивается с 0,3 до 87,5%. Объемные доли межзеренной и внутризеренной компонент достигают одинакового значения (по 50%) при размере зерна порядка 5 нм.

Рис. 6. а) Атомная модель наноструктурного материала (черным обозначены атомы зернограничной области у которых смещение превышает 10% от межатомных расстояний) [2]; б) Границы зерна в наноструктурной меди (просвечивающая электронная микроскопия, значками отмечены внесенные зернограничные дислокации)

После уменьшения размера зерна ниже 10 нм. начинает сильно возрастать доля тройных стыков. С этим связывают аномальное падение твердости в этом интервале размеров зерна [23,24]. Комплексные экспериментальные исследования показали, что границы зерен носят неравновесный характер, обусловленный присутствием зернограничных дефектов с высокой плотностью (рис. 6) [2,5]. Эта неравновесность характеризуется избыточной энергией границ зерен и наличием дальнодействующих упругих напряжений; границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, а источниками упругих полей выступают зернограничные дислокации и их комплексы [5,22]. Неравновесность границ зерен вызывает возникновение высоких напряжений и искажения кристаллической решетки, изменение межатомных расстояний и появление значительных смещений атомов, вплоть до потери дальнего порядка [22]. Результатом является значительное повышение микротвердости.

Важным фактором, действующим в наноматериалах является также склонность к появлению кластеров. Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, и наличие сил притяжения между ними, которые для наноматериалов больше по сравнению с традиционными материалами, часто приводят к процессам самоорганизации островковых, столбчатых и других кластерных структур на подложке. Этот эффект уже используют для создания упорядоченных наноструктур для оптики и электроники [10, 25-27].

Еще одну причину специфики свойств наноматериалов связывают с тем, что при процессах переноса (диффузия, пластическая деформация и т.п.) имеет место некоторая эффективная длина свободного пробега носителей этого переноса L_e. [16]. При характерных размерах области протекания процессов переноса много больших L_e. рассеяние носителей выражено незначительно, но при размерах меньших L_e перенос начинает зависеть от размеров и формы весьма значительно. В случае наноматериалов в качестве L_e. могут выступать, например, диффузионная длина и длина свободного пробега дислокаций.

Для материалов с размерами кристаллитов в нижнем нанодиапазоне D<10 нм ряд ученых указывает на возможность проявления квантовых размерных эффектов [10,16]. Такой размер кристаллитов становится соизмеримым с длиной дебройлевской волны для электрона л_B?(m_eE)^-1/2 (m_e - эффективная масса электрона, E - энергия Ферми). Для металлов л_B?0,1 - 1 нм, а для ряда полупроводников, полуметаллов и тугоплавких соединений переходных металлов л_B?10 - 100 нм [10]. Для любой частицы с малой энергией (скорость v << скорости света c) длина волны Де Бройля определяется как л_B=h/mv, где m и v - масса и скорость частицы, а h - постоянная Планка [28]. Квантовые эффекты будут выражаться в частности в виде осциллирующего изменения электрических свойств, например проводимости.

2.2. Основные области применения наноматериалов и возможные ограничения

В качестве наглядного примера можно указать некоторые области применения (или иначе «коммерциализации») наноматериалов по печатным материалам последних лет. Естественно, что данный обзор областей применения наноматериалов ни в коей мере не является цельным, однако он может дать нужное представление о перспективах использования наноматериалов.

Конструкционные материалы:

Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна [3-5,29-31]. Поэтому основное направление их использование в настоящее время - это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Так предел текучести увеличивается по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза а пластичность-либо уменьшается очень незначительно, либо для Ni₃Al возрастает в 4 раза [5,22]. Композиты армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов [5].

Инструментальные материалы:

Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием [5]. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработке полупроводников и диэлектриков [5].

Производственные технологии:

Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств [5]. Проявление эффекта сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы и для использования в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии [5]. Очень большая удельная поверхность нанопорошков (порядка 5х10⁷ м^-1) способствует их применению в ряде химических производств в качестве катализаторов [5].

Триботехника:

Здесь перспективы применения связаны с тем, что металлические материалы с наноструктурой обладая повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью [5]. Другим направлением в этой области является использование полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например сфероподобными молекулами С₆₀) и фуллеритов (легированных фуллеренов, например Fe_xC₆₀) [5]. Наноструктурные многослойные пленки сложного состава на основе кубического BN, C₃N₄, TiC, TiN, Ti (Al, N), обладающие очень высокой или ультравысокой (до 70 ГПа) твердостью хорошо зарекомендовали себя при трении скольжения, в том числе ряд пленок - в условиях ударного износа [5,32]. О разработке сверхтвердых нитридных пленок с наноструктурой сообщается также в [8,9,10]; отмечаются хорошие триботехнические свойства пленок с аморфной и наноструктурой из углерода и нитрида углерода [33], а также из TiC, TiN и TiCN [34]. В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB₂-MoS₂ c твердостью 20ГПа и коэффициентом трения скольжения по стали 0,05 [5]. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей [5].

Ядерная энергетика:

В США и возможно в других странах к настоящему времени наноматериалы используются в системах поглощения ВЧ- и рентеговского излучений. Таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсных порошков UO₂, а в термоядерной технике используются мишени для лазернотермоядерного синтеза из ультрадисперсного бериллия [5]. Перчатки, фартуки и другая защитная одежда из резины или искусственных материалов с добавками ультрадисперсного свинцового наполнителя при одинаковой степени защиты в четыре раза легче обычной защитной одежды [5].

Электро-магнитная и электронная техника:

Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов (железо в сочетании со слоями халькогенидов делает перспективным их использование для записывающих устройств) [5]. Пленочные наноматериалы с плоской поверхностью и поверхностью сложной формы из магнито-мягких сплавов используют для видеоголовок магнитофонов, где они существенно превосходят по служебным свойствам традиционные материалы [5]. Разработаны наноструктурная никелевая фольга и магнитомягкий наносплав «Файнмет» [8-10]. Высокие значения коэрцитивной силы ряда наноматериалов делают перспективным их использование в качестве постоянных магнитов [5]. Углеродные нанотрубки, напыленные железом, а также интерметаллидами самария с кобальтом типа Sm_xCo_y применяются в магнитных чернилах и тонерах. Углеродные нанотрубки, заполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) могут использоваться в качестве сверхпроводников [5]. Добавление нанопорошков в состав ряда сверхпроводников может улучшать такие показатели, как температуру перехода в сверхпроводящее состояние и критическую плотность тока за счет образования дополнительных центрами пиннинга [35,36]. Пленки Ti-C-B с размером зерна около 2 нм обладали оптимальными электрофизическими свойствами в качестве резисторов при высокой термической стабильности по сравнению с объемными обычными образцами [5]. Упорядоченные структуры в виде «ковров» из нанопроволок могут использоваться как сенсоры или элементы экранов высокого разрешения. [16]. Соединение углеродных нанотрубок с различной хиральностью (т.е. скрученностью кристаллической решетки относительно оси трубки) образует нанодиод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины - канал полевого транзистора (рис. 7) [16].

Рис. 7. Схема полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки диам. 1,6 нм

Для устройств записи данных сверхвысокой плотности, в том числе для так называемых квантовых магнитных дисков, разработаны получаемые электролитическим осаждением на пористую подложку из оксида алюминия нанопроволоки из сплава Fe_0,3Co_0,7 диаметром 50 нм (рис 8) [37].



Рис. 8. Нанопроволоки из сплава Fe_0,3Co_0,7 диаметром 50 нм: а) вид сверху на подложку с нанопроволоками (РЭМ), б) вид проволок (ПЭМ)

Фуллерены и наноматериалы на их основе являются перспективными материалами для создания изделий области полупроводниковой, оптической и фотоэлектрической техники [38]. Композитные фуллереноосновные пленки С₆₀-CdTe при содержание 15 - 20 мас.% CdTe являются основой для получения регулярных наноструктур с заданными оптическими свойствами (рис. 9) [27,39].

Рис. 9. Наноразмерная композитная сетчатая структура с периодом порядка 780 нм и содержанием CdTe: 15 мас.%

Нанотехнологии на основе метода метод ионно-атомного осаждения позволяют получать для электронных и оптических изделий нанокомпозиции «покрытие - переходный слой - подложка» из термодинамически несмешиваемых элементов, отличающихся высокой адгезией и стойкостью к внешним термическим и механическим воздействиям, например пленки золота на кремниевых подложках со структурой поверхности в виде набора атомно-гладких сфероидальных сегментов (рис. 10) [26,40].

Рис. 10. Трехмерное изображение участка поверхности покрытия из золота на кремниевой подложке размером 3600х3600Е, полученного методом ионноатомного осаждения

В качестве перспективных полупроводниковых материалов рассматриваются эпитаксиальные слои GaN, в т.ч. на сапфировой подложке, самоорганизация топографической наноструктуры поверхности которых связана с величиной подвижность электронов, особенностями мозаичной структуры и химическим составом (рис. 11) [25,41,42].

Рис. 11. Изображение топографической наноструктуры поверхности эпитаксиального слоя GaN

Защита материалов:

В ряде случаев для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего [43]. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами (рис. 12).

Рис. 12. Покрытие на основе наночастиц оксида титана: а) структура поверхности, б) смачиваемость цементной плиты с покрытием растительным маслом, дистиллированной водой и спиртовым раствором

Медицина и биотехнологии:

Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности титана, является использование их в медицинских целях - как имплантантов, протезов и в травматологических аппаратах [5]. Причиной является сочетание высоких механических свойств (на уровне сложнолегированных сплавов) с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурные пленки углерода [44] и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiO_x, SiN_x [45] обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов и имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях) [5].

Военное дело:

Ультрадисперсные порошки используются в составе ряда радиопоглощающих покрытий для самолетов, созданных с применение технологии «Стелс», а также в перспективных видах взрывчатых веществ и зажигательных смесей [5]. Углеродные нановолокна используются в специальных боеприпасах, предназначенных для вывода из строя энергосистем противника (т.н. «графитовая бомба») [5].

Ограничения в использовании наноматериалов:

Оказалось, что материалы с наноразмерным зерном отличаются хрупкостью. В ряде случаев, в т.ч. при использовании методов интенсивной пластической деформации, удается снизить проявление этого неприятного эффекта, например для нанокристаллических меди, титана и титановых сплавов, интерметаллида Ni₃Al [5,22]. Тем не менее проблема остается достаточно актуальной. Важным ограничением для использования наноструктурных конструкционных материалов является их склонность к межкристаллитной коррозии из-за очень большой объемной доли границ зерен. В связи с этим они не могут быть рекомендованы для работы в условиях способствующих такой коррозии (диффузия с поверхности элементов внедрения и элементов, диффундирующих по границам зерна, высокие температуры в сочетании с коррозионными воздействиями, радиация, состав сплава, склонный к изменениям химического состава по границам зерен и т.д.). Другим важным ограничением является нестабильность структуры наноматериалов, а следовательно, нестабильность их физико-химических и физико-механических свойств. Так при термических, радиационных, деформационных и т.п. воздействиях неизбежны рекристаллизационные, релаксационные, сегрегационные и гомогенизационные процессы, а также явления распада, фазовых превращений, спекания и заплывания нанопор и нанокапилляров, аморфизации или кристаллизации [10]. Например, углеродных нановолокон, предназначенных для передачи жидкости, могут повреждаться под действием вибраций и возбуждаемой потоком жидкости структурной неустойчивости углерода [46]. При формовании изделий из нанопорошков достаточно остро встает также проблема комкования (слипания наночастиц) в агломераты, что может осложнить получение материалов с заданной структурой и распределением компонентов.

Следует отметить, что на коммерческом рынке в настоящее время наиболее широко представлены такие наноматериалы, как нанопорошки металлов и сплавов, нанопорошки оксидов (кремния, железа, сурьмы, алюминия, титана), нанопорошки ряда карбидов, углеродные нановолокна, фуллереновые материалы [1].



Список используемой литературы

1. Б.М. Балоян, А.Г. Колмаков, М.И. Алымов, А.М. Кротов Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения - Москва, 2007. - 125 с.;

2. Gleiter H. Nanostructured materials: basic concepts and microstructure // Acta mater., 2000. V.48. P.1-29.;

3. Алымов М.И. Механические свойства нанокристаллических материалов. - М.: МИФИ, 2004. - 32 с.;

4. Алымов М.И., Зеленский В.А. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. - М.: МИФИ, 2005. - 52 с.;

5. Новые материалы. Под ред. Ю.С. Карабасова - М.: МИСИС, 2002 - 736 с.;

6. Андриевский Р.А., Глезер А.М. Физ. мет. металловед., 1999, т. 88, №1, с. 50-73.;

7. Глезер А.М. Аморфные и нанокристаллические структуры: сходства, различия, взаимные переходы. // Российский химический журнал, 2002, Том XLVI, №5. С. 57-63.;

8. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. Уч. пособие. М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 117 с.;

9. Андриевский Р.А. Наноструктурные материалы - состояние разработок и применение. // Перспективные материалы. 2001. №6. С. 5-11.;

10. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы. // Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева), 2002, т. XLVI, №5, с. 50-56.;

11. Birringer R., Herr U., Gleiter H. Trans. Jap. Inst. Met. Suppl., 1986, v. 27, p. 43-52.;

12. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Петинов В.Н., Петрунин В.Ф. Структура и свойства малых металлических частиц. // Успехи физич. наук, 1981, Т.133, №4, с. 653-692.;

13. Алферов Ж.И., Копьев П.С., Сурис Р.А. и др. Наноматериалы и нанотехнологии. // Нано- и микросистемная техника. 2003. №8. С. 3-13.;

14. Алфимов С.М., Быков B.А., Гребенников Е.П. и др. Развитие в России работ в области нанотехнологий. // Нано- и микросистемная техника. 2004. №8. С. 2-8.;

15. Основы политики Российской Федерации в области науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую песпективу // Поиск. 2002. №16 (19 апреля).;

16. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. - М.: Изд-во «Машиностроение -1», 2003 - 112 с.;

17. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов - М: Наука, 2003. - 248 с.;

18. Алехин В.П. Физика прочности и пластичности поверхностных слоев материалов - М: Наука, 1983. - 260 с.;

19. Kramer I.R. Surface layer effects on the mechanical behavior of metals // Advances Mech. and Phys. Surface. 1986. V. 3. P.109-260.;

20. Колмаков А.Г. Анализ связи структурных изменений и механических свойств металлических материалов при модификации поверхности с использованием мультифрактальных представлений…. Дисс. на соиск. уч. степ. д-ра техн. наук. - Москва: ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН, 2005. - 376 с.;

21. Колмаков А.Г. Использование положений системного подхода при изучении структуры, особенностей пластической деформации и разрушения металлов // Металлы. 2004. №4. С. 98-107.;

22. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией. - М.: Логос, 2000. - 272 с.;

23. Palumbo G., Thorpe S.J., Aust K.T. On the contribution of triple junctions to the structure and properties of nanocristalline materials. // Scripta metallurgica. 1990. V.24. P.1347-1350.;

24. Лякишев Н.П., Алымов М.И., Добаткин С.В. Объемные наноматериалы конструкционного назначения // Металлы, 2003. №3. С. 3-16.;

25. Колмаков А.Г., Шмидт Н.М., Титков А.Н. и др. Изучение взаимосвязи подвижности носителей заряда в эпитаксиальных слоях GaN с мультифрактальными характеристиками поверхности этих слоев // Известия вузов. Материалы электронной техники, 2001. №2. С. 21-25.;

26. Старостин Е.Е., Колмаков А.Г. Мультифрактальное описание топографической структуры покрытий, полученных термическим напылением в вакууме // Физика и химия обработки материалов, 1998. №5. С. 38-47.;

27. Нащекин А.В., Колмаков А.Г., Когновицкий С.О. и др., Информационный анализ наноструктурных особенностей композитных фуллереноосновных пленок С60-CdTe // Перспективные материалы, 2003. №1. С. 36-45.;

28. Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. - М.: Сов. энциклопедия. Т1. 1988. 704 с.;

29. Vinogradov A. Yu., Agnew S.R. Nanocrystalline Materials: Fatigue / in Encyclopedia of Nanotechnology. - N.Y.: Marcel Dekker, 2004. P.2269-2288.;

30. Виноградов А.Ю., Хасимото С. Усталость ультрамелкозернистых материалов, полученных равноканальным угловым прессованием // Металлы, 2004. №1. С. 51-62.;

31. Mughrabi H., Hцppel H.W., Kautz M. Fatigue and microstructure of ultrafinegrained metals produced by severe plastic deformation // Scripta Materialia, 2004. V.51. P.807-812.;

32. Shtansky D.V., Levashov E.A., Sheveiko A.N., Moore J.J. // J. Materials Synthesis and Processing, 1999. V.7. №3. P.187-193.;

33. Charitidis C., Logothetidis S. Nanomechanical and nanotribological properties of carbon based films // Thin Solid Films, 2005. V.482. P.120-125.;

34. Fang T.-H., Jian S.-R., Chuu D.-S. Nanomechanical properties of TiC, TiN and TiCN thin films using scanning probe microscopy and nanoindentation // Applied Surface Science, 2004. V.228. Is.1-4. P.365-372.;

35. Колмаков А.Г., Михаилов Б.П., Казин П.Е., Апалькина И.В., Оптимизация микроколичеств карбида ниобия в сверхпроводящей керамике (Bi, Pb) 2Sr2Ca2Cu3O10+x с использованием подхода мультифрактального формализма. // Неорганические материалы, 2003, т. 39, №4, с. 495-504.;

36. Колмаков А.Г., Михаилов Б.П., Казин П.Е., Лоскутов А.В., Глебова Н.В., Влияние микродобавки TaC на структуру и свойства сверхпроводящей керамики // Неорганические материалы, 2004, т. 40, №7, с. 873-883.;

37. Qina D.-H., Zhangc H.-L., C.-L. Xua et al. Magnetic domain structure in small diameter magnetic nanowire arrays // Applied Surface Science, 2005. V.239. P.279-284.;

38. Макарова Т.П. Электрические и оптические свойства мономерных и полимеризированных фуллеренов // Физика и техника полупроводников, 2001. Т.35. Вып.3. С. 257-293.;

39. Нащекин А.В., Колмаков А.Г., Сошников И.П. и др. Применение концепции мультифракталов для характеризации структурных свойств композитных пленок фуллерена С60, легированных CdTe. // Письма в ЖТФ, 2003. Т.29. Вып.14. С. 8-14.;

40. Вальднер В.О., Заболотный В.Т., Свитов В.И., Старостин Е.Е. Топография покрытий, полученных методом ионно-атомного осаждения. Физика и химия обработки материалов, 1996, №5, с. 51-54.;

41. Kolmakov A.G., Emtsev V.V., Lundin W.V. at al. A new approach to analysis of mosaic structure peculiarities of gallium nitride epilayers // Physica B: Physics of Condensed Matter, 2001. V.308-310. P.1141-1144.;

42. Shmidt N.M., Emtsev V.V., Kolmakov A.G. at al. Correlation of mosaic structure peculiarities with electric characteristics and surface multifractal parameters for GaN epitaxial layers // Nanotechnology, 2001. V.12. №4. P.471474.;

43. Hsieh C-T., Chen J-M., Kuo R-R. et al. Influence roughness on water - and oilrepellent surfaces coated with nanoparticles // Applied Surface Science, 2005. V.240. P.318-326.;

44. Cappellia E., Scillettaa C., Orlandob S. at al. Surface characterisation of nanostructured carbon films deposited by Nd:YAG pulsed laser deposition // Thin Solid Films, 2005. V.482. P.305 - 310;

45. Toth A., Mohai M., Ujvari T., Bertoti I. Nanomechanical properties of silicon-, oxygen - and nitrogen-containing a-C:H films prepared by RF plasma beam CVD // Thin Solid Films, 2005. V.482. P.188 - 191;

46. Yoon J., Ru C.Q., Mioduchowski A. Vibration and instability of carbon nanotubes conveying fluid //Composites Science and Technology, 2005. V.65. Is.9. P.1326-1336.;

47. Порошковая металлургия. Материалы, технология, свойства области применения / Отв. ред. И.М, Федорченко - Киев: Наукова думка, 1985 - 624 с.

48. Kriechbaum G.W., Kleinschmidt P. Superfine oxide powders - Flame hydrolysis and hydrothermal syntesis // Angew. Chem. Adv. Mater, 1989. V.101. №10. P.1446-1453;

49. Белошапко А.Г., Букаемский А.А., Кузьмин И.Г., Ставер А.М. // Физика горения и взрыва, 1993. Т.29. №6. С. 111-116.;

50. Благовещенский Ю.В., Панфилов С.А, Струйно-плазменные процессы для порошковой металлургии // Электрометаллургия, 1999. №3. С. 33-41.;

51. Кипарисов С.С., Падалко О.В. Оборудование предприятий порошковой металлургии М.: Металлургия, 1988. 448 с.;

52. Карлдов Н.В, Кириченко М.А., Лукьянчук Б.С. // Успехи химии, 1993ю Т.62. №3. С. 223.;

53. Леонтьева О.Н., Трегубова И.В., Алымов М.И. Синтез ультрадисперсных порошков железа методом гетерофазного взаимодействия Физика и химия обработки материалов, 1993. №5. С. 156-159.;

54. Шевченко В.Я., Баринов С.М, Техническая керамика. - М.: Наука, 1993 - 165 с.;

55. Вишенков С.А. Химические и электрохимические особенности осаждений металлопокрытий, М.: Машиностроение - 1975.;

56. Павлюхина Л.А., Одегова Г.В., Зайкова Т.О. // Журнал прикладной химии, 1994. Т.67. Вып.7. С. 1139.;

57. Третьяков Ю.Д., Олейников Н.Н., Можаев А.П, Основы криохимической технологии - М.: Высшая школа, 1987.;

58. Алексеев А.Ф., Дякин Е.В., Палеха К.К. и др. Некоторые особенности получения ультрадисперсных порошков оксидов меди и иттрия криохимическим способом // Порошковая металлургия, 1990. №1. С. 1-4.;

59. Лопато Л.М., Дудник Е.В., Зайцев З.А. и др. Применение криохимического метода получения порошков в системе Al2O3-ZrO2-MgО // // Порошковая металлургия, 1992. №6. С. 51-53.;

60. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Петинов В.Н., Петрунин В.Ф. Структура и свойства малых металлических частиц // Успехи физических наук, 1981. Т.133. №4. С. 653-692.;

61. Морохов И.Д., Трусов Л.И., Лаповок В.Н. Физические явления в ультадисперсных металлических средах. - М.:Энергоатомиздат. 1984.;

62. Рябых С.М., Сидорин Ю.Ю. Образование и свойства ультрадисперсных частиц металла при разложении азидов тяжелых металлов // в Сб. Физикохимия ультрадисперсных сред. - М.: Наука, 1987. С. 127-132.;

Размещено на Allbest.ru

...