Введение
Титан— элемент четвёртой группы (по старой классификации — побочной подгруппы четвёртой группы), четвёртого периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 22. Простое вещество титан — лёгкий прочный металл серебристо-белого цвета. Существует в двух кристаллических модификациях: α-Ti с гексагональной плотноупакованной решёткой, β-Ti с кубической объёмно-центрированной упаковкой, температурой полиморфного превращения α↔β 883 °C.
На рис. 1 и 2 приведены прямая и обратная решетка β-титана, ниже приведены их параметры.
Указать тип решетки и параметр (прямой и обратной).
Рис.1 Титан-β в прямом пространстве ОЦК решетка
Прямые параметры:
a1=0,3294nm a2=0,3294nm a2=0,3294nm
Рис.2 Титан-β в обратном пространстве ГЦК решетка
Обратные параметры:
b1=19,0746nm b2=19,0746nm b3=19,0746nm
Вся кристаллографическая или структурная информация β-титана содержится в примитивной ячейке прямой кристаллической решетки, так же вся информация о распространяющихся в кристалле волновых колебаниях содержится в примитивной (Вигнера-Зейтца) ячейке обратной решетки, т.е. в первой зоне Бриллюэна (рис.3)
Рис.3 Первые зоны Бриллюэна для ОЦК-решетки β-титана
Для β-титана поверхность Ферми является открытой.
Рис.4 Поверхность Ферми для β-титана
Поверхность Ферми β-титана не является реальной поверхностью, а лишь наглядной иллюстрацией поведения электронов в металлах. Картины поверхностей Ферми β-титана объясняют такие свойства металлов, как блеск, ковкость, электропроводимость и теплопроводность. Собственно металл можно определить как твердое тело, обладающее поверхностью Ферми. Конечно, никак не воздействуя на металл, ничего не изменишь. Воздействуя на металл, например, сжимая его или растягивая, но, не перестраивая кристаллическую решетку, можно изменить его поверхность Ферми.
Изменение структуры материала влечет за собой и изменение его свойств. Сравнительные характеристики микро- и наноструктурых состояний приведены в таблице 1 [1-3].
Таблица 1- Сравнительные характеристики элемента (β- Ti)
|
Свойства |
Микроструктурированное состояние (25мкм) |
Наноструктурированное состояние (20нм) |
|
Предел текучести, МПа |
240 |
1100 |
|
Температура плавления, °С |
1668 |
обычно 500-1500 |
|
Предел прочности, МПа |
400 |
1160 |
|
Микротвердость, МПа |
1800 |
3000 – 3200 |
|
Плотность, г/см3 |
4,32 |
2,85 |
|
Относительное удлинение до разрушения при растяжении, % |
23 |
6 |
|
Относительное сужение, % |
56 |
50±2 |
|
Относительное удлинение, % |
11 |
12±2 |
|
σ-1 (предел выносливости), МПа N=107 циклов |
500 |
640 |
|
Усталостная чувствительность к надрезу (Kσ) |
1.8 |
2.0 |
Из таблицы 1, следует, что существуют такие параметры наноструктуры, которые сильно изменяют по сравнению параметров микроструктуры: предел текучести, температура плавления, предел прочности, микротвердость.
Существуют такие параметры наноструктуры, которые мало изменяют по сравнению параметров микроструктуры: плотность, относительное удлинение до разрушения при растяжении, относительное сужение, относительное удлинение, σ-1 (предел выносливости), усталостная чувствительность к надрезу.
Изменение размерной структуры β-Титана ведёт к изменению этих свойств.
Энергия поверхности наночастиц увеличивается, соответственно увеличивается количество наночастиц на поверхности. Активность наночастиц на поверхности велика, поэтому для плавления наноструктурированного металла нужна меньше температура.
Для наноструктурированного состояния характерна меньшая граница зерен, напряжение между границами зерен увеличивается, поэтому предел текучести, предел прочности, микротвердость увеличивается по сравнению с микроструктурированным состоянием.
Особенности структуры и свойств
Особенности наноструктурного состояния вещества наиболее заметно проявляются при изучении разделенных наночастиц, когда их размер можно рассматривать как физический параметр наряду с составом, температурой и давлением. К главным физическим причинам особенностей структуры и свойств наноматериалов можно отнести три: ограничение действия законов классической физики из-за небольшого количества атомов и малого размера, значительный рост удельной поверхностной энергии и экстремальные условия синтеза.
Обобщая многочисленные расчетные и экспериментальные данные, можно отметить, что отличие свойств наноматериалов по сравнению со свойствами аналогичных крупнокристаллических проявляется следующим образом:
-механические: увеличение твердости (из-за отсутствия протяженных дефектов) в сочетании с высокой пластичностью (благодаря развитой сетке границ и зернограничному проскальзыванию), увеличение предела текучести, уменьшение порога хладноломкости. Очень высокая твердость имеется наноструктурированном состоянием β-титана, около 3000Мпа;
-электрические: размерная зависимость работы выхода электронов и электросопротивления, полупроводниковый характер проводимости очень малых наночастиц металлов (из-за ограниченного числа свободных электронов);
-магнитные: суперпарамагнетизм (при размере частиц менее 1 домена), максимальная коэрцитивная сила в монодоменных частицах, гигантское магнетосопротивление;
-термические: уменьшение температур Дебая, плавления, фазовых переходов, спекания на 15-20 % (из-за изменения спектра фононов) при увеличении коэффициента термического расширения и теплоемкости. Температура плавления наноструктурированного состояния β-титана уменьшается до 500оС;
-оптические: изменение электромагнитных спектров излучения и поглощения, увеличенное рассеяние, способность реализации «черного тела»;
-химические: увеличение растворимости (до 20-25 %) в кислотах, понижение температур химических реакций, отсутствие «индукционного» периода [4].
Наиболее характерными особенностями наноматериалов являются:
-появление нетрадиционных видов симметрии структуры и особых видов сопряжения границ раздела фаз;
-ведущая роль процессов самоорганизации в структурообразовании, доминирующих над процессами искусственного упорядочения;
-высокая полевая активность и каталитическая избирательность поверхности наночастиц и их ансамблей;
-особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и конформационных изменений, отличающихся низким энергопотреблением, высокой скоростью и наличием синергетических признаков [5].
Методы получения наноматериалов ( β-титан)
В технологиях получения наноматериалов используют 2 подхода. Эти подходы принято называть технологиями «сверху-вниз» и «снизу-вверх».
Нанотехнологии типа «снизу-вверх» – технология получения наноструктурированных материалов, в которой реализуется образование наночастиц из атомов и молекул, т.е. достигается укрупнение исходных элементов структуры до частиц нанометрового размера.
Нанотехнологии типа «сверху-вниз» – технология получения наноструктурированных материалов, в которой нанометровый размер частиц достигается с помощью измельчения крупных частиц, порошков или зерен твердого тела.
В отдельных случаях используют спектры комбинационного рассеяния (рамановская спектроскопия) (например, для определения диаметра графитовых нанотрубок), мессбауэровскую спектроскопию (для измерения, например, размера кластеров железа по интенсивности линий спектра) и др.
Эти два метода можно использовать для получения наноструктурного β-Ti, но наблюдаются различные физические свойства. [6]
Применение наноструктурного β-Ti
β-титан применяется в авиационной промышленности, судостроении, ракетной технике и различных отраслях машиностроения. Применение в авиации β-титана определяется их малым удельным весом, высокой прочностью.
Применение β-титана в судостроении объясняется высокой коррозионной устойчивостью титановых сплавов в морской воде; эта отрасль промышленности, возможно, будет основным потребителем титановых сплавов. Кроме того, β-титан находит применение в специальном и особенно химическом машиностроении, где высокая коррозионная устойчивость β-титан особенно ценна.