Введение
На сегодняшний день можно с полной уверенностью говорить, что изучение наноразмерных структур в основном относится к направлению «нанотехнологии». Важными составляющими этого научно-технического направления является разработка и изучение наноструктурных материалов, наноразмерных объектов, способов их совмещения, а также исследование свойств полученных наноструктур в различных условиях.
Под наноматериалами понимают материалы, структурные элементы, размеры которых не превышают нанотехнологических границ - 100 нм [1].
Наиболее общие особенности свойств наноструктур сводятся к тому, что:
· с уменьшением размера элементов значительно возрастает роль поверхностей раздела (доля приповерхностных атомов увеличивается от долей процента до нескольких десятков процентов);
· свойства поверхностей раздела в нанометровом диапазоне размеров могут сильно отличаться от таковых для крупнокристаллических материалов (краевые эффекты, влияние сил изображения, различия поверхностей раздела в нанокомпозитах);
· размер элементов наноструктур соизмерим с характерными размерами некоторых физических явлений (например, с длиной свободного пробега в явлениях переноса);
· размерные эффекты в наноструктурах могут иметь квантовый характер (когда размер области локализации свободных носителей становится соизмерим с длиной волны де Бройля λв) [1].
1 Проведение сравнительного анализа в микро- и наноструктурах титанового сплава (β-модификации)
Титан и сплавы на его основе характеризуются наличием двух модификаций (α и β). В данной статье будет рассмотрена только одна β-фаза титана. Данная модификация определяется объемно-центрированной решеткой, с параметром а=3,28 Å [2]. Данной решетке в прямом пространстве соответствует ГЦК решетка в обратном пространстве, с параметром а=1,91 Å. На рисунке 1 представлены решетки β-титана в прямом пространстве ОЦК решетка (а) и в обратном пространстве ГЦК решетка (б).
|
|
|
|
(а) |
(б) |
|
Рисунок 1 – β-титан в прямом пространстве ОЦК решетка (а) и в обратном пространстве ГЦК решетка (б) |
|
Параметр обратной решетки рассчитывается по формуле 1.
(1)
Атомы в решетке соединяются посредствам металлической связи.
На рисунке 2 представлена поверхность Ферми для титана модификации b-титан.
Рисунок 2 – Поверхность Ферми для b-титана
Рисунок 3 – Первые зоны Бриллюэна для ОЦК-решетки b-титана [3]
Как вся кристаллографическая или структурная информация содержится в примитивной ячейке прямой кристаллической решетки, так и вся информация о распространяющихся в кристалле волновых колебаниях содержится в примитивной (Вигнера-Зейтца) ячейке обратной решетки, т.е. в первой зоне Бриллюэна.
Каждая волна может быть определена через соответствующий волновой вектор, κ=2π/λ, поэтому обратную решетку также называют пространством волновых векторов или k-пространством [3].
Сравнительные характеристики технически чистого титана в микро- и наноструктурах приведены в таблице 1.
Таблица 1. Сравнение свойств технически чистого титана в макро- и наноструктурах.
|
Свойства |
Наноструктурированное состояние (~200 нм) |
Крупнозернистое состояние (~25 мкм) |
|
Температура плавления, °С |
69 |
1668 |
|
Предел текучести, МПа |
1100 |
240 |
|
Предел прочности, МПа |
1160 |
400 |
|
Микротвердость, МПа |
3000 – 3200 |
1800 |
|
Плотность, г/см3 |
2,85 |
4,32 |
Представленные данные о физических свойствах титана в наноструктурированном и крупнозернистом состоянии позволяют говорить о том, что основное влияние на изменение свойств оказывают классические размерные эффекты. Так как характерные размеры структур не сопоставимы с длиной волны де Бройля в металлах (~ 0,1-1 Å), квантовые размерные эффекты, как влияющие на изменение свойств титана, не рассматриваются [4].
2. Способы получения нанопорошка титана
Нанопорошки с "особыми" свойствами получают, в основном, методом испарения-конденсации в условиях быстрого охлаждения. Испарение материала осуществляют различными способами: в плазменной струе, пропусканием тока, лазерным или электронным лучом и др. Однако, сверхбыстрое охлаждение является обязательным условием.
Также имеется разработанный и запатентованный способ получения нанопорошков методом электрического взрыва проволок. На основе этого способа отработан технологический процесс получения нанопорошков с управляемыми свойствами [5].
К механическим методам получения нанопорошков относится:
- измельчение материала в мельницах. Исходя из данного метода следует учитывать, что при дроблении до крупных частиц расход энергии пропорционален объему разрушаемого тела, а при получении наночастиц работа измельчения пропорциональна главным образом площади образующейся поверхности. Механическим путем измельчают металлы, керамику, полимеры, оксиды, хрупкие материалы. Степень измельчения зависит от вида материала. Так, для оксидов вольфрама и молибдена получают крупность частиц порядка 5 нм, для железа – порядка 10÷20 нм. Разновидностью механического измельчения является механосинтез, или механическое легирование, когда в процессе измельчения происходит взаимодействие измельчаемых материалов с получением измельченного материала нового состава.
- диспергирование расплавов потоком жидкости или газа. Это высокопроизводительный процесс, который легко осуществить по непрерывной схеме и автоматизировать, он экономичен и экологичен. Этим методом получают порошки металлов и сплавов Fe, Al, Cu, Pb, Zn, Ti, W и др.
К одним из физико-химических методов получения нанопорошков относится:
- вакуумное осаждение. Процесс включает в себя три последовательные стадии: испарение вещества, его транспорт к подложке и конденсацию [6].
3. Применение нанопорошка титана
Основными областями применения нанопорошков титана являются:
· Триботехника:
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. Сообщается о разработке сверхтвердых нитридных пленок с наноструктурой; отмечаются хорошие триботехнические свойства пленок с аморфной и наноструктурой из углерода и нитрида углерода, а также из TiC, TiN и TiCN.
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. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей.
· 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. Причиной является сочетание высоких механических свойств (на уровне сложнолегированных сплавов) с высокой биологической совместимостью чистого металла.
Отдельно можно выделить новое веяние в области цифровых технологий – аддитивное производство (3D печать). Так, кроме технологий «печати» изделий из полимерных материалов, популярность набирают методы послойного синтеза металлических порошков – лазерного и электронно-лучевого сплавления [7]. Наибольший интерес в этом направлении представляют технологии, позволяющие создавать медицинские импланты, детали разного рода технических машин на основе титановых порошков. Это позволяет получать сложные геометрические формы в ходе проведения одного непрерывного технологического процесса.
Выводы
Из литературных источников было выявлено, что влияние классических размерных эффектов сказывается в основном на механических свойствах – показателях прочности и пластичности. Такие свойства, как, например, высокий предел прочности, проявляющиеся в наноструктурах, не наблюдаются в микросостояниях, что позволяет применять титановые нанопорошки при создании деталей технологических машин, эксплуатируемых в тяжелых условиях