Нанокристаллический материал

Нанокристаллический поликристаллический ( НК ) материал представляет собой материал с размером кристаллитов всего несколько нанометров . Эти материалы заполняют пробел между аморфными материалами без какого-либо дальнего порядка и традиционными крупнозернистыми материалами. Определения различаются, но нанокристаллический материал обычно определяется как кристаллит (зерно) размером менее 100 нм. Зерна размером от 100 до 500 нм обычно считаются «сверхмелкими» зернами.

Размер зерна образца NC можно оценить с помощью дифракции рентгеновских лучей . В материалах с очень маленьким размером зерна дифракционные пики будут уширены. Это уширение можно связать с размером кристаллитов, используя уравнение Шеррера (применимо до ~ 50 нм), график Уильямсона-Холла , ^[1] или более сложные методы, такие как метод Уоррена-Авербаха или компьютерное моделирование дифракционной картины. Размер кристаллитов можно измерить непосредственно с помощью просвечивающей электронной микроскопии . ^[1]

Синтез

Нанокристаллические материалы можно получить несколькими способами. Методы обычно классифицируются в зависимости от фазы вещества, через которую проходит материал перед образованием нанокристаллического конечного продукта.

Твердотельная обработка

Твердотельные процессы не включают плавление или испарение материала и обычно выполняются при относительно низких температурах. Примеры твердотельных процессов включают механическое легирование с использованием высокоэнергетической шаровой мельницы и некоторые типы процессов жесткой пластической деформации .

Жидкостная обработка

Нанокристаллические металлы могут быть получены путем быстрого затвердевания из жидкости с использованием такого процесса, как прядение из расплава . При этом часто образуется аморфный металл, который можно превратить в нанокристаллический металл путем отжига выше температуры кристаллизации .

Парофазовая обработка

Тонкие пленки нанокристаллических материалов могут быть получены с использованием процессов осаждения из паровой фазы, таких как MOCVD . ^[2]

Обработка решения

Некоторые металлы, особенно никель и никелевые сплавы , можно превратить в нанокристаллическую фольгу с помощью электроосаждения . ^[3]

Механические свойства

Нанокристаллические материалы демонстрируют исключительные механические свойства по сравнению с их крупнозернистыми разновидностями. Поскольку объемная доля границ зерен в нанокристаллических материалах может достигать 30%, ^[4] Эта аморфная зернограничная фаза существенно влияет на механические свойства нанокристаллических материалов. Например, было показано, что модуль упругости снижается на 30% для нанокристаллических металлов и более чем на 50% для нанокристаллических ионных материалов. ^[5] Это связано с тем, что аморфные области границ зерен менее плотны, чем кристаллические зерна, и, следовательно, имеют больший объем на атом. $\Omega$ . Предполагая межатомный потенциал, $U(\Omega )$ , внутри границ зерен такой же, как и в объемных зернах, модуль упругости, $E\propto \partial ^{2}U/\partial \Omega ^{2}$ , будет меньше в зернограничных областях, чем в объемных зернах. Таким образом, согласно правилу смесей , нанокристаллический материал будет иметь более низкий модуль упругости, чем его объемная кристаллическая форма.

Нанокристаллические металлы

Исключительный предел текучести нанокристаллических металлов обусловлен упрочнением границ зерен , поскольку границы зерен чрезвычайно эффективно блокируют движение дислокаций. Текучесть возникает, когда напряжение, вызванное скоплением дислокаций на границе зерна, становится достаточным для активации скольжения дислокаций в соседнем зерне. Это критическое напряжение увеличивается по мере уменьшения размера зерна, и эта физика эмпирически фиксируется соотношением Холла-Петча:

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

где $\sigma _{y}$ предел текучести, $\sigma _{0}$ - это константа, специфичная для материала, которая учитывает эффекты всех других механизмов упрочнения, $K$ - это константа, специфичная для материала, которая описывает величину реакции металла на увеличение размера зерна, и $d$ — средний размер зерна. ^[6] Кроме того, поскольку нанокристаллические зерна слишком малы, чтобы содержать значительное количество дислокаций, нанокристаллические металлы подвергаются незначительному деформационному упрочнению . ^[5] Таким образом, можно предположить, что нанокристаллические материалы ведут себя идеально пластично.

Поскольку размер зерна продолжает уменьшаться, достигается критический размер зерна, при котором межзеренная деформация, т.е. зернограничное скольжение, становится энергетически более выгодной, чем внутризеренное движение дислокаций. Ниже этого критического размера зерна, часто называемого «обратным» или «обратным» режимом Холла-Петча, любое дальнейшее уменьшение размера зерна ослабляет материал, поскольку увеличение площади границ зерен приводит к усилению скольжения по границам зерен. Чандросс и Аргибай смоделировали зернограничное скольжение как вязкое течение и связали предел текучести материала в этом режиме со свойствами материала как

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

где $L$ - энтальпия плавления , $\rho _{L}/M$ – атомный объем в аморфной фазе, $T_{m}$ - температура плавления, а $f_{g}$ - объемная доля материала в зернах по сравнению с границами зерен, определяемая выражением $f_{g}=(1-\delta /d)^{3}$ , где $\delta$ представляет собой толщину границы зерна и обычно составляет порядка 1 нм. Максимальная прочность металла определяется пересечением этой линии с зависимостью Холла-Петча, которая обычно возникает при размере зерна $d$ = 10 нм для металлов ОЦК и ГЦК. ^[4]

Из-за большого количества межфазной энергии, связанной с большой объемной долей границ зерен, нанокристаллические металлы термически нестабильны. В нанокристаллических образцах легкоплавких металлов (т.е. алюминия , олова и свинца ) наблюдалось удвоение размера зерна с 10 до 20 нм после 24 часов воздействия температуры окружающей среды. ^[5] Хотя материалы с более высокими температурами плавления более стабильны при комнатных температурах, для консолидации нанокристаллического сырья в макроскопический компонент часто требуется подвергать материал воздействию повышенных температур в течение длительных периодов времени, что приводит к укрупнению нанокристаллической микроструктуры. Таким образом, термически стабильные нанокристаллические сплавы представляют значительный инженерный интерес. Эксперименты показали, что традиционные методы микроструктурной стабилизации, такие как закрепление границ зерен посредством сегрегации растворенных веществ или увеличения концентрации растворенных веществ, оказались успешными в некоторых системах сплавов, таких как Pd-Zr и Ni-W. ^[7]

Нанокристаллическая керамика

Хотя в механическом поведении керамики часто преобладают дефекты, то есть пористость, а не размер зерна, в образцах керамики высокой плотности также наблюдается зернистое упрочнение. ^[8] Кроме того, было показано, что нанокристаллическая керамика спекается быстрее, чем объемная керамика, что приводит к более высокой плотности и улучшению механических свойств. ^[5] хотя длительное воздействие высокого давления и повышенных температур, необходимых для спекания детали до полной плотности, может привести к огрублению наноструктуры.

Большая объемная доля границ зерен, связанных с нанокристаллическими материалами, вызывает интересное поведение в керамических системах, например, сверхпластичность хрупкой керамики. Большая объемная доля границ зерен обеспечивает значительный диффузионный поток атомов посредством ползучести Кобла , аналогичный механизму деформации скольжения по границам зерен в нанокристаллических металлах. Поскольку скорость диффузионной ползучести масштабируется как $d^{-3}$ и линейно с коэффициентом диффузии границ зерен, уменьшение размера зерна с 10 мкм до 10 нм может увеличить скорость диффузионной ползучести примерно на 11 порядков. Эта сверхпластичность может оказаться неоценимой для обработки керамических компонентов, поскольку материал можно снова превратить в обычный крупнозернистый материал посредством дополнительной термической обработки после формования. ^[5]

Обработка

Хотя синтез нанокристаллического сырья в виде фольги, порошков и проволоки относительно прост, тенденция нанокристаллического сырья к укрупнению при длительном воздействии повышенных температур означает, что необходимы методы низкотемпературного и быстрого уплотнения для консолидации этого сырья в большие объемы. компоненты. В этом отношении потенциал демонстрируют различные методы, такие как искровое плазменное спекание. ^[9] или ультразвуковое аддитивное производство , ^[10] хотя синтез объемных нанокристаллических компонентов в промышленных масштабах остается несостоятельным.

См. также

Ссылки

А. Иноуэ; К. Хасимото, ред. (2001). Аморфные и нанокристаллические материалы: получение, свойства и применение . Берлин: Шпрингер. ISBN 3540672710 .

^ Jump up to: ^а ^б Анандкумар, Мариаппан; Бхаттачарья, Сасвата; Дешпанде, Атул Суреш (23 августа 2019 г.). «Низкотемпературный синтез и характеристика однофазных многокомпонентных золей наночастиц оксида флюорита» . РСК Прогресс . 9 (46): 26825–26830. дои : 10.1039/C9RA04636D . ISSN 2046-2069 . ПМК 9070433 .
^ Цзян, Цзе; Чжу, Липин; Ву, Яжень; Цзэн, Юцзя; Он, Хайпин; Линь, Цзюньмин; Е, Жижен (февраль 2012 г.). «Эффекты легирования фосфором в нанокристаллах ZnO путем химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы». Материалы писем . 68 : 258–260. дои : 10.1016/j.matlet.2011.10.072 .
^ Джаллонардо, JD; Эрб, У.; Ауст, КТ; Палумбо, Г. (21 декабря 2011 г.). «Влияние размера зерна и текстуры на модуль Юнга нанокристаллических никеля и сплавов никель-железо». Философский журнал . 91 (36): 4594–4605. дои : 10.1080/14786435.2011.615350 . S2CID 136571167 .
^ Jump up to: ^а ^б Чандросс, Майкл; Аргибай, Николас (март 2020 г.). «Предельная прочность металлов» . Письма о физических отзывах . 124 (12): 125501–125505. doi : 10.1103/PhysRevLett.124.125501 . ПМИД 32281861 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Глейтер, Герберт (1989). «Нанокристаллические материалы» . Прогресс в материаловедении . 33 (4): 223–315. дои : 10.1016/0079-6425(89)90001-7 .
^ Кордеро, Закари; Найт, Брейден; Шу, Кристофер (ноябрь 2016 г.). «Шесть десятилетий эффекта Холла – Петча - обзор исследований по упрочнению зерен чистых металлов». Международные обзоры материалов . 61 (8): 495–512. дои : 10.1080/09506608.2016.1191808 . hdl : 1721.1/112642 . S2CID 138754677 .
^ Детор, Эндрю; Шу, Кристофер (ноябрь 2007 г.). «Микроструктурная эволюция при термообработке нанокристаллических сплавов». Журнал исследования материалов . 22 (11): 3233–3248. дои : 10.1557/JMR.2007.0403 .
^ Воллмершаузер, Джеймс; Фейгельсон, Борис; Горжковски, Эдвард; Эллис, Чейз; Госами, Рамасис; Кадри, Сайед; Тишлер, Джозеф; Куб, Фриц; Эверетт, Ричард (май 2014 г.). «Расширенный предел твердости объемной нанокерамики». Акта Материалия 69 : 9–1 дои : 10.1016/j.actamat.2014.01.030 .
^ Ча, Сын; Хун, Сун; Ким, Бён (июнь 2003 г.). «Поведение нанокристаллических порошков цементированного карбида WC – 10Co при искровом плазменном спекании». Материаловедение и инженерия: А. 351 (1–2): 31–38. дои : 10.1016/S0921-5093(02)00605-6 .
^ Уорд, Остин; Френч, Мэтью; Леонард, Донован; Кордеро, Закари (апрель 2018 г.). «Рост зерна при ультразвуковой сварке нанокристаллических сплавов» . Журнал технологии обработки материалов . 254 : 373–382. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2017.11.049 .

[ReferenceA-1] Jump up to: ^а ^б Анандкумар, Мариаппан; Бхаттачарья, Сасвата; Дешпанде, Атул Суреш (23 августа 2019 г.). «Низкотемпературный синтез и характеристика однофазных многокомпонентных золей наночастиц оксида флюорита» . РСК Прогресс . 9 (46): 26825–26830. дои : 10.1039/C9RA04636D . ISSN 2046-2069 . ПМК 9070433 .

[2] Цзян, Цзе; Чжу, Липин; Ву, Яжень; Цзэн, Юцзя; Он, Хайпин; Линь, Цзюньмин; Е, Жижен (февраль 2012 г.). «Эффекты легирования фосфором в нанокристаллах ZnO путем химического осаждения металлоорганических соединений из паровой фазы». Материалы писем . 68 : 258–260. дои : 10.1016/j.matlet.2011.10.072 .

[3] Джаллонардо, JD; Эрб, У.; Ауст, КТ; Палумбо, Г. (21 декабря 2011 г.). «Влияние размера зерна и текстуры на модуль Юнга нанокристаллических никеля и сплавов никель-железо». Философский журнал . 91 (36): 4594–4605. дои : 10.1080/14786435.2011.615350 . S2CID 136571167 .

[chandross-4] Jump up to: ^а ^б Чандросс, Майкл; Аргибай, Николас (март 2020 г.). «Предельная прочность металлов» . Письма о физических отзывах . 124 (12): 125501–125505. doi : 10.1103/PhysRevLett.124.125501 . ПМИД 32281861 .

[gleiter-5] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Глейтер, Герберт (1989). «Нанокристаллические материалы» . Прогресс в материаловедении . 33 (4): 223–315. дои : 10.1016/0079-6425(89)90001-7 .

[6] Кордеро, Закари; Найт, Брейден; Шу, Кристофер (ноябрь 2016 г.). «Шесть десятилетий эффекта Холла – Петча - обзор исследований по упрочнению зерен чистых металлов». Международные обзоры материалов . 61 (8): 495–512. дои : 10.1080/09506608.2016.1191808 . hdl : 1721.1/112642 . S2CID 138754677 .

[7] Детор, Эндрю; Шу, Кристофер (ноябрь 2007 г.). «Микроструктурная эволюция при термообработке нанокристаллических сплавов». Журнал исследования материалов . 22 (11): 3233–3248. дои : 10.1557/JMR.2007.0403 .

[wollmershauser-8] Воллмершаузер, Джеймс; Фейгельсон, Борис; Горжковски, Эдвард; Эллис, Чейз; Госами, Рамасис; Кадри, Сайед; Тишлер, Джозеф; Куб, Фриц; Эверетт, Ричард (май 2014 г.). «Расширенный предел твердости объемной нанокерамики». Акта Материалия 69 : 9–1 дои : 10.1016/j.actamat.2014.01.030 .

[9] Ча, Сын; Хун, Сун; Ким, Бён (июнь 2003 г.). «Поведение нанокристаллических порошков цементированного карбида WC – 10Co при искровом плазменном спекании». Материаловедение и инженерия: А. 351 (1–2): 31–38. дои : 10.1016/S0921-5093(02)00605-6 .

[10] Уорд, Остин; Френч, Мэтью; Леонард, Донован; Кордеро, Закари (апрель 2018 г.). «Рост зерна при ультразвуковой сварке нанокристаллических сплавов» . Журнал технологии обработки материалов . 254 : 373–382. дои : 10.1016/j.jmatprotec.2017.11.049 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]