Модифицирование сплавов с нанокристаллической решеткой
Курсовой проект - Химия
Другие курсовые по предмету Химия
Введение
К наноструктурным материалам относят поликристаллические материалы с размером зёрен или других структурных единиц менее микрометра [1]. Существуют различные виды таких материалов: атомные кластеры и частицы, мультислои и ламинарные структуры, а также объёмные нанофазные и нанокристалические (субмикрокристаллические) материалы. Последние представляют наибольший интерес для многих отраслей современной промышленности благодаря своим особым физическим и механическим свойствам. Главным преимуществом таких материалов является их повышенная прочность (примерно в 1,5 - 2,5 раза выше, чем в обычном крупнокристаллическом состоянии) и относительно высокая пластичность, зачастую не уступающая пластичности того же материала в обычном состоянии, а порой даже превосходящая её. Поэтому с появлением нанокристаллических металлов и сплавов перед многими промышленными предприятиями открылись довольно широкие возможности для повышения надёжности уже выпускаемых изделий или же для снижения затрат материала на их изготовление при сохранении прежнего ресурса.
На данный момент разработано несколько способов получения наноструктур в различных материалах.
Известно, что многие методы технологической обработки, применяемые в современной промышленности для производства разнообразных деталей и узлов, могут оказаться неприемлемыми при обработке металлов и сплавов с нанометровым размером зёрен, что весьма затрудняет простую замену в технологическом процессе материала с обычной структурой материалом с наноструктурой. Особенно сложной на сегодняшний день представляется сварка нанокристаллических металлов и сплавов, поскольку об их свариваемости пока очень мало известно, и соответственно, не предложено ни одного способа сварки, с помощью которого можно было бы гарантировано получить надёжное бездефектное соединение, не изменяя при этом структуру основного материала.
Данная работа посвящена проблемным вопросам формирования нанокристаллических металлов и сплавов, изучению свойств наноматериалов, а также модифицированию сплавов различными наночастицами.
1.Основные понятия и классификация нанотехнологий
1.1 Терминология
нанотехнология нанопорошок деформация компактирование
Терминология по наноматериалам и нанотехнологиям в настоящее время только устанавливается. Существует несколько подходов к тому, как определять, что такое наноматериалы.
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).
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. 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 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.
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;
Наноструктура - совокупность наноразмерных объектов искусственного или естественного происхождения, свойства которой определяются не только размером структурных элементов, но и их взаимным расположением в пространстве.
Нанонаука может быть определена как междисциплинарная наука, относящаяся к фундаментальным физико-химическим исследованиям объектов и процессов с масштабами в несколько нм (1 нм = 10v м);
Нанотехнология может быть определена как совокупность прикладных исследований нанонауки и их практических применений, включая промышленное производство и социальные приложения. [1].
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 Виды наноструктур
В соответствии с приведенной терминологией наноматериалы можно разделить на четыре основные категории.
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 нескольки