Materiał nanokrystaliczny - Nanocrystalline material

Materiał nanokrystaliczny ( NC ) to materiał polikrystaliczny o wielkości krystalitów wynoszącej zaledwie kilka nanometrów . Materiały te wypełniają lukę między materiałami amorficznymi bez żadnego uporządkowania dalekiego zasięgu a konwencjonalnymi materiałami gruboziarnistymi. Definicje różnią się, ale materiał nanokrystaliczny jest powszechnie definiowany jako rozmiar krystalitu (ziarna) poniżej 100 nm. Rozmiary ziaren od 100 do 500 nm są zwykle uważane za „ultradrobne” ziarna.

Wielkość ziarna próbki NC można oszacować za pomocą dyfrakcji rentgenowskiej . W materiałach o bardzo małych rozmiarach ziaren piki dyfrakcyjne ulegną poszerzeniu. To poszerzenie może być związane z wielkością krystalitów przy użyciu równania Scherrera (możliwe do zastosowania do ~50 nm), wykresu Williamsona-Halla lub bardziej wyrafinowanych metod, takich jak metoda Warrena-Averbacha lub modelowanie komputerowe wzoru dyfrakcyjnego. Wielkość krystalitów można mierzyć bezpośrednio za pomocą transmisyjnej mikroskopii elektronowej .

Synteza

Materiały nanokrystaliczne można wytwarzać na kilka sposobów. Metody są zazwyczaj klasyfikowane w oparciu o fazę materii, przez którą przechodzi materiał przed utworzeniem nanokrystalicznego produktu końcowego.

Przetwarzanie półprzewodnikowe

Procesy w stanie stałym nie obejmują topienia ani odparowywania materiału i są zwykle przeprowadzane w stosunkowo niskich temperaturach. Przykłady procesów w stanie stałym obejmują mechaniczne tworzenie stopów przy użyciu wysokoenergetycznego młyna kulowego oraz niektóre rodzaje procesów poważnego odkształcenia plastycznego .

Przetwarzanie płynów

Metale nanokrystaliczne można wytwarzać przez szybkie zestalanie się z cieczy w procesie takim jak przędzenie ze stopu . W wyniku tego często powstaje metal amorficzny, który można przekształcić w metal nanokrystaliczny przez wyżarzanie powyżej temperatury krystalizacji .

Przetwarzanie w fazie pary

Cienkie warstwy materiałów nanokrystalicznych można wytwarzać przy użyciu procesów osadzania z fazy gazowej , takich jak MOCVD .

Przetwarzanie rozwiązania

Niektóre metale, zwłaszcza nikiel i stopy niklu , można przetworzyć w folie nanokrystaliczne metodą elektroosadzania .

Właściwości mechaniczne

Materiały nanokrystaliczne wykazują wyjątkowe właściwości mechaniczne w porównaniu z ich gruboziarnistymi odmianami. Ponieważ ułamek objętościowy granic ziaren w materiałach nanokrystalicznych może wynosić nawet 30%, ta bezpostaciowa faza graniczna ziaren znacząco wpływa na właściwości mechaniczne materiałów nanokrystalicznych. Na przykład wykazano, że moduł sprężystości zmniejsza się o 30% w przypadku metali nanokrystalicznych i ponad 50% w przypadku nanokrystalicznych materiałów jonowych. Dzieje się tak, ponieważ obszary graniczne ziaren amorficznych są mniej gęste niż ziarna krystaliczne, a zatem mają większą objętość na atom, . Zakładając, że potencjał międzyatomowy , , jest taki sam w granicach ziaren jak w ziarnach objętościowych, moduł sprężystości , , będzie mniejszy w obszarach granicznych ziaren niż w ziarnach objętościowych. Tak więc, zgodnie z zasadą mieszanin , materiał nanokrystaliczny będzie miał niższy moduł sprężystości niż jego postać krystaliczna w masie. ${\ Displaystyle \ Omega}$ ${\ Displaystyle U (\ Omega )}$ ${\ Displaystyle E \ propto \ częściowy ^ {2} U / \ częściowy \ Omega ^ {2}}$

Metale nanokrystaliczne

Wyjątkowa granica plastyczności metali nanokrystalicznych wynika ze wzmocnienia granic ziaren , ponieważ granice ziaren są niezwykle skuteczne w blokowaniu ruchu dyslokacji. Plonowanie występuje, gdy naprężenie spowodowane spiętrzeniem dyslokacji na granicy ziaren staje się wystarczające do aktywacji poślizgu dyslokacji w sąsiednim ziarnie. To krytyczne naprężenie wzrasta wraz ze zmniejszaniem się rozmiaru ziarna, a te fizyki są empirycznie uchwycone przez zależność Halla-Petcha,

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

gdzie jest granicą plastyczności, jest stałą specyficzną dla materiału, która uwzględnia skutki wszystkich innych mechanizmów wzmacniających, jest stałą specyficzną dla materiału, która opisuje wielkość reakcji metalu na wzmocnienie wielkości ziarna i jest średnią wielkością ziarna. Dodatkowo, ponieważ ziarna nanokrystaliczne są zbyt małe, aby zawierać znaczną liczbę dyslokacji, metale nanokrystaliczne ulegają znikomej ilości utwardzania , a zatem można założyć, że materiały nanokrystaliczne zachowują się z doskonałą plastycznością. ${\ Displaystyle \ sigma _ {y}}$ $\sigma_{0}$ ${\ Displaystyle K}$ $d$

W miarę dalszego zmniejszania się wielkości ziarna osiąga się krytyczną wielkość ziarna, przy której odkształcenie międzykrystaliczne, tj. przesuwanie granic ziaren, staje się bardziej korzystne energetycznie niż ruch przemieszczenia wewnątrzziarnistego. Poniżej tej krytycznej wielkości ziarna, często określanej jako „odwrotny” lub „odwrotny” reżim Halla-Petcha, każde dalsze zmniejszanie wielkości ziarna osłabia materiał, ponieważ zwiększenie powierzchni granicy ziaren skutkuje zwiększonym przesuwaniem się granic ziaren. Chandross i Argibay zamodelowali ślizganie się granic ziaren jako lepkość i powiązali granicę plastyczności materiału w tym reżimie z właściwościami materiału, jak

{\ Displaystyle \ tau = {\ bigg (} L {\ Frac {\ rho _ {L}} {M}} {\ Biggg}} {\ Bigg (} 1- {\ Frac {T} {T_ {m} }}{\bigg )}f_{g},}

gdzie jest entalpią topnienia , jest objętością atomową w fazie amorficznej, jest temperaturą topnienia i jest ułamkiem objętościowym materiału w ziarnach w stosunku do granic ziaren, wyrażonym wzorem , gdzie jest grubością granic ziaren i zazwyczaj w kolejności 1 nm. Maksymalna wytrzymałość metalu jest określona przez przecięcie tej linii z zależnością Halla-Petcha, która zwykle występuje przy wielkości ziarna = 10 nm dla metali BCC i FCC. ${\ Displaystyle L}$ ${\ Displaystyle \ rho _ {L} / M}$ ${\ Displaystyle T_ {m}}$ $f_{g}$ ${\ Displaystyle f_ {g} = (1-\ delta / d) ^ {3}}$ ${\ Displaystyle \ delta}$ $d$

Ze względu na dużą ilość energii międzyfazowej związanej z dużym ułamkiem objętościowym granic ziaren metale nanokrystaliczne są niestabilne termicznie. W nanokrystalicznych próbkach metali o niskiej temperaturze topnienia (tj. glinu , cyny i ołowiu ) zaobserwowano, że wielkość ziarna próbek podwoiła się z 10 do 20 nm po 24 godzinach ekspozycji na temperatury otoczenia. Chociaż materiały o wyższych temperaturach topnienia są bardziej stabilne w temperaturze pokojowej, konsolidacja surowca nanokrystalicznego w składnik makroskopowy często wymaga wystawiania materiału na działanie podwyższonych temperatur przez dłuższy czas, co spowoduje pogrubienie mikrostruktury nanokrystalicznej. Dlatego też termicznie stabilne stopy nanokrystaliczne są przedmiotem dużego zainteresowania inżynierów. Eksperymenty wykazały, że tradycyjne techniki stabilizacji mikrostrukturalnej, takie jak spinanie granic ziaren poprzez segregację substancji rozpuszczonej lub zwiększanie stężenia substancji rozpuszczonej, okazały się skuteczne w niektórych układach stopowych, takich jak Pd-Zr i Ni-W.

Ceramika nanokrystaliczna

Podczas gdy mechaniczne zachowanie ceramiki jest często zdominowane przez wady, tj. porowatość, zamiast wielkości ziarna, wzmocnienie wielkości ziarna obserwuje się również w próbkach ceramicznych o dużej gęstości. Ponadto wykazano, że ceramika nanokrystaliczna spieka się szybciej niż ceramika luzem, co prowadzi do wyższych gęstości i lepszych właściwości mechanicznych, chociaż dłuższa ekspozycja na wysokie ciśnienia i podwyższone temperatury wymagane do spiekania części do pełnej gęstości może skutkować zgrubieniem nanostruktury.

Duży udział objętościowy granic ziaren związanych z materiałami nanokrystalicznymi powoduje interesujące zachowanie w układach ceramicznych, takie jak superplastyczność w kruchej ceramice. Duży udział objętościowy granic ziaren pozwala na znaczny dyfuzyjny przepływ atomów poprzez pełzanie Coble'a , analogicznie do mechanizmu deformacji ślizgowej granic ziaren w metalach nanokrystalicznych. Ponieważ szybkość pełzania dyfuzyjnego skaluje się tak samo i liniowo z dyfuzyjnością granicy ziaren, rozdrobnienie wielkości ziarna od 10 μm do 10 nm może zwiększyć szybkość pełzania dyfuzyjnego o około 11 rzędów wielkości. Ta superplastyczność może okazać się nieoceniona przy przetwarzaniu elementów ceramicznych, ponieważ materiał może zostać ponownie przekształcony w konwencjonalny, gruboziarnisty materiał poprzez dodatkową obróbkę termiczną po uformowaniu. ${\ Displaystyle d ^ {-3}}$

Przetwarzanie

Podczas gdy synteza surowców nanokrystalicznych w postaci folii, proszków i drutów jest stosunkowo prosta, tendencja surowców nanokrystalicznych do gruboziarnistej pod wpływem dłuższego narażenia na podwyższone temperatury oznacza, że do konsolidacji tych surowców niezbędne są techniki niskotemperaturowe i szybkie zagęszczanie. składniki. Różnorodne techniki wykazują potencjał w tym zakresie, takie jak iskrowe spiekanie plazmowe lub ultradźwiękowe wytwarzanie addytywne , chociaż synteza masowych składników nanokrystalicznych na skalę komercyjną pozostaje nie do utrzymania.

Zobacz też

Bibliografia

A. Inoue; K. Hashimoto, wyd. (2001). Materiały amorficzne i nanokrystaliczne: przygotowanie, właściwości i zastosowanie . Berlin: Springer. Numer ISBN 3540672710.

Languages

In other projects