Механические свойства наноматериалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Механические свойства наноматериалов"

фуллерит нанокристаллический механический

Введение

В последнее время термин «нанотехнология» стал очень популярным и даже почти обыденным. Развитие современной электроники, медицины и других областей науки и техники идет по пути постоянного уменьшения размеров используемых устройств. Однако классические методы их производства подходят к своему технологическому и экономическому пределу. Размеры устройства уменьшаются незначительно, но экономические затраты резко возрастают. Бурный рост наноиндустрии в области производства наноматериалов связан с их уникальными физико-механическими свойствами.

Возможность практического использования наноматериалов обусловили интенсивное изучение их твердости, прочности, упругости, пластичности и других механических свойств. Независимо от области применения любые материалы должны отвечать определенным механическим характеристикам. Последнее определяет интерес к исследованию проблем деформации и разрушения, не говоря уже о специфике разработок в области конструкционных материалов, эксплуатация которых определяется прежде всего уровнем механических свойств.

Сочетания характеристик и свойств материалов часто достигаются за счет наличия у вещества естественно или искусственно упорядоченной или неупорядоченной системы базовых элементов нанометровых характерных размеров.

В настоящее время известно (в первую очередь для металлов), что уменьшение размера кристаллических блоков ниже некоторого порогового значения приводит к значительному изменению физических свойств материала.

Нанокристаллические материалы обладают высокой прочностью и твердостью, имеют более высокую вязкость разрушения и повышенную износостойкость.

Наибольшее число работ посвящено исследованию механических свойств наноматериалов. И это понятно, так как первоначально интерес к наноструктурным материалам был связан именно с их необычными механическими свойствами. Особенно привлекает исследователей и разработчиков возможность получения в наноструктурных материалах сочетания высоких прочностных и пластических свойств.

фуллерит нанокристаллический механический

1.Характеристика наноматериалов

1.1 Механические свойства фуллерита и других углеродных материалов

Фуллерит - кристалл из больших молекул углерода Сn-фуллеренов.

Фуллерены - сферические молекулы углерода Сn с различной молекулярной массой от n = 20 до 96. Самым распространенным фуллереном является бакминстерфуллерен С₆₀, который состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, образующих усеченный икосаэдр один из пяти правильных многогранников, имеет 20 граней (треугольных), 30 рёбер, 12 вершин (в каждой вершине сходятся 5 рёбер) [3].

Рис.

Ученые обратили внимание на необычайно высокую механическую и химическую устойчивость молекулы С₆₀. Характеристикой устойчивости к внешним механическим деформациям служит модуль объемного сжатия:

В = Vd²E/dV²

Формальная оценка дает величину В от 720до 900 ГПа, т.е. молекула С₆₀ «менее сжимаема», чем кристалл алмаза (В=450 ГПа). Кристалл из молекул С₆₀ - фуллерит имеет сжимаемость, которая примерно в 50 раз ниже, чем сжимаемость отдельной молекулы.

Рис.

Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является ультратвёрдый фуллерит (примерно в 1,17--1,52 твёрже алмаза). Однако этот материал доступен только в микроскопических количествах. Кроме того, существует информация, что группе американских и китайских ученых удалось доказать, что специально обработанный лонсдейлит на 58% тверже алмаза. Лонсдейлит - минерал, одна из природных кристаллических форм углерода наряду с минералами алмаз, графит и чаоит.

С точки зрения поиска сверхтвердых материалов наибольший интерес вызывают упругие и механические свойства. Все модификации фуллерита, полученные в результате действия давления, имеют высокие значения твердости.

Плотные модификации, полученные из фуллеритов при высоком давлении, представляют собой новый класс как кристаллически упорядоченных, так и разупорядоченных фаз углерода. Уникальная комбинация достаточно высокой твердости, пластичности и трещиностойкости делают данные углеродные материалы достаточно перспективными.

В монокристаллах С₆₀ при комнатной температуре был обнаружен магнитопластический эффект, который заключается в том, что в импульсном магнитном поле наблюдается долговременное изменение микротвердости Hv кристаллов. Остаточные изменения Hv достигают 10% в магнитном поле с амплитудой В = 25 Т и длительностью ~ 100 мс и могут быть обнаружены в магнитном поле.

1.2 Механические свойства углеродных нанотрубок

Углеродные нанотрубки -- это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей.

Рис.

Нанотрубки являются на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не "рвутся", а перестраиваются.

Прочность нанотрубок исследовали при испытании на сжатие. Ученными было найдено, что перед тем, как разрушиться они могут оказаться согнутыми. Толстостенные трубки сгибались, тогда как тонкостенные имели тенденцию к разрушению или перелому. Были оценены напряжения, необходимые для того, чтобы получить изгиб или разрушение, и найдены величины, находящиеся в диапазоне 100-150 ГПа. Эти оценки показывают, что нанотрубки имеют прочность на сжатие по крайней мере в 100 выше, чем любое другое известное волокно.

Группой ученных были проведены исследования углеродных нанотрубок, подвергнутых большим изгибным напряжениям, с помощью атомносиловой микроскопии.

Было обнаружено, что такие трубки можно согнуть повторно на большие углы без их нарушения. Были идентифицированы два типа поведения: регулярные сгибы и более сильные сгибы, содержащие большие деформации. Появлявшиеся очень резкие перегибы были отнесены к постоянным дефектам, хотя в некоторых случаях наблюдались сильнодеформированные трубки не имеющие явного повреждения. Эти эксперименты дают дополнительное доказательство экстраординарной эластичности нанотрубок.

Углеродные нанотрубки намного жестче всех известных материалов. Результаты исследований показали возможность работы нанотрубок при больших напряжениях.

Гибкость графитовых цилиндров дает возможность трубкам выдерживать экстремальные деформации без разламывания и во многих случаях после таких деформаций возвращаться в исходное состояние неповрежденными. Это отличает их от обычных углеродных волокон, которые намного более чувствительны к разрыву при изгибе или скручивании. Такие уникальные возможности нанотрубок, несомненно, приведут к активному их использованию.

Уже сейчас нанотрубки с большим успехом используются как острия в сканирующих зондовых микроскопах не только для топологического изображения, но и для химического изображения, и исследования взаимодействий между органическими макромолекулами. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали.

Это говорит о том, что нанотрубки скорее всего в дальнейшем полностью заменят такие материалы как сталь. Модуль Юнга (модуль упругости) -- физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации [4] .

1.3 Механические свойства углеродного нанокомпозита

Нанокомпозиты можно определить как многофазные твердые материалы, где хотя бы одна из фаз имеет средний размер кристаллитов (зерен) в нанодиапазоне (до 100 нм), или структуры, имеющие повторяющиеся наноразмерные промежутки между различными фазами. Эти структуры составляют композит. По прочностным показателям углеродный нанокомпозит в 3 и более раз превосходит лучшие марки углеродных материалов. Он хорошо обрабатывается механически. Высокая механическая прочность в сочетании с наноразмерными дискретными элементами структуры позволяет изготавливать из него детали сложной геометрической формы с острыми кромками, полированными до очень низкой шероховатости поверхности [6].

Таблица 1. Механические характеристики углеродного нанокомпозита

Углеродный нанокомпозит до температуры 2000 ⁰С не теряет своих физико-механических свойств (рис. 4).

Углеродный нанокомпозит превосходит вольфрам по высокотемпературной удельной прочности (рис. 5).

Углеродный нанокомпозит стоек в среде щелочей, кислот, хлорорганических соединений, расплавов цветных металлов, фторидов щелочных металлов.

По высокотемпературной химической стойкости в активных средах с окислительным потенциалом углеродный нанокомпозит до 300 раз превосходит лучшие марки углеродных материалов конструкционного назначения [1].

2. Механические характеристики

2.1 Твердость

Одним из важных направлений в исследовании наноматериалов - изучение размерной зависимости механических характеристик наноматериалов (твердости, прочности, пластичности и др.). Результаты исследований механических свойств наноматериалов показали, что твердость многих металлов (Pd, Cu, Ag, Ni и др.) значительно выше, чем в соответствующих крупнозернистых аналогах.

Увеличение твердости с уменьшением размера зерна до некоторого критического размера практически характерно для всех кристаллов. Это вытекает из известного уравнения Холла - Петча, что предел текучести зависит обратно пропорционально от среднего размера зерна d:

k•,

где - предел текучести монокристалла, k -некоторый размерный коэффициент.

Экспериментальные результаты, полученные на нанокристаллах, показывают, что они значительно прочнее крупнозернистых аналогов. Нанофазные Cu, Pd, Fe с размером зерна 5 нм, полученные компактированием ультрадисперсных парашков, показали значения твердости в 2-5 раз выше, чем у образцов с обычным размером зерна (рис.6).

Рост твердости наблюдали также и у других нанофазных металлов (Ni, Ti, As и др.) и различных соединений (TiAl, Nb₃ Al, SiC, TiN, ZrO ₂ и др.). При этом рост твердости у наноматериалов практически не зависит от способа их получения. Например, у нанокристаллов, полученных кристаллизацией из аморфного состояния, также наблюдалось повышение твердости как у однокомпонентных, так и многокомпонентных наноматериалов.

Можно констатировать, что твердость металлов и керамических материалов возрастает по мере того, как размер зерна переходит в нанофазную область. Однако величина размера зерна, до которой происходит упрочнение, зависит от ряда факторов и природа ее не совсем ясна. Обычно соотношение Холла-Петча выполняется для значительной части исследованных наноматериалов лишь до определенного размера зерна, а при более низких его значения наблюдаются обратные эффекты: твердость падает по мере снижения размера зерна (рис. 7).

В настоящее время не совсем ясно, соответствует ли значения твердости, полученные для реальных компактированных наноматериалов, идеально плотным наносистемам [5].

2.2 Прочность и пластичность

Снижение размера зерна - d приводит к росту предела текучести и временного сопротивления с соотношением Холла-Петча:

k•,

где и к - константы. Для иллюстрации этого соотношения на рисунке 6 представлен график зависимости предела текучести меди от размера зерна. Однако для материалов, полученных кристаллизацией из аморфного состояния, обнаружены нелинейные зависимости и от : существует критический размер зерна (около 20..50 нм), ниже которого прочность уменьшается. Этo объясняется увеличением вклада зерногpаничного проскальзывания, а затруднение процесса проскальзывания приводит к хрупкому поведению наноматериалов.

Значительное влияние на механические свойства наноматериалов оказывают гpаницы зерен. Важным фактором, определяющим деформационное поведение наноматериалов, являются внyтpенние напряжения, наличие которых обусловлено большим числом близко расположенных гpаниц зерен и тройных стыков зерен, а также особенностями методов получения наноматериалов. Прочность при растяжении нанокристаллического никеля (размер зерна 100 нм), полученного методом экструзии, превышает прочность крупнозернистого аналога в 1,7 раза.

Прочность при растяжении нанокристаллического золота (размер зерна 36 нм), полученного методом конденсации из паровой фазы, превышает прочность крупнозернистого аналога в три раза. Истинное напряжение течения при динамическом сжатии нанокристаллического тантала (размер зерна около 0,1 мкм) со скоростью деформации 2,5•10³с^-1 больше, чем у крупнозернистого тантала (с размером зерна 15 мкм) в два раза, а относительная деформация до разрушения в четыре раза. И это говорит о том, что при снижении размера зерна наноматериала происходит рост предела текучести и временного сопротивления, что в свою очередь приводит к повышению прочности при сохранении пластичности.

Вывод

Разработки новых наноматериалов за последние годы вышли на промышленный уровень развития. Некоторые страны вкладывают сотни миллионов долларов в разработку исследований свойств наноматериалов, способов получения и в изготовление конструкций с применением наноструктурных материалов.

Качество многих привычных материалов может быть повышено за счет использования наночастиц. Нанотехнологии позволяют создавать более легкие, тонкие и прочные композитные материалы.

В настоящее время многие наноматериалы уже доступны на рынке и широко применяются в микроэлектронике и атомной энергетике, в качестве сверхпрочных конструкционных материалов и износостойких покрытий. Из нанотрубок можно делать конструкции предельно высокой прочности: элементы турбин, несущие конструкции мостов, летательных аппаратов.

Список литературы

1. «Наноструктурные материалы», 2005 г. Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля

2. Алымов М.И. Механические свойства нанокристаллических материалов. Уч. пособие. М.: МИФИ, 2004. 32 с.

3. http://do.nano.fcior.edu.ru

4. http://web-local.rudn.ru

5. http://www-htuni.univer.kharkov.ua/ftf/files/lt5.pdf

6. http://window.edu.ru

ено н Размещено на Allbest