Состояние нанокристаллическое

Монография А. И. Гусева Нанокристаллические материалы методы получения и свойства исключительно богата по фактическому содержанию и в предельно концентрированном виде включает в себя всю принципиально важную информацию о нанокристаллическом состоянии твердого тела. Это большой труд, в котором используется огромное число оригинальных исследований начиная с 1833 ( ) года и вплоть до 1997 года включительно. При этом следует отметить, что более 80 % всех ссылок дано на работы, выполненные в последнее десятилетие, т. е. после 1988 года. Таким образом, монография А. И. Гусева действительно отражает современное состояние исследований нано-кристаллического состояния и является существенным вкладом в науку о твердом теле. Она будет полезна и интересна для широкого круга специалистов в области физики конденсированного состояния, химии твердого тела и материаловедения. [c.6]

Авторы [298] методом неупругого рассеяния нейтронов при 100—300 К изучили фононную плотность состояний крупнозернистого поликристаллического Ni и нанокристаллического никеля с размером частиц примерно 10 нм в виде порошка и спрессованного компактного образца с относительной плотностью 80 %. Наиболее заметным размерным эффектом является увеличение плотности фононных состояний образцов / -Ni в сравнении с крупнозернистым Ni в области энергий ниже 15 мэВ (рис. 3.12). Согласно [298], изменение фононного спектра rt-Ni обусловлено малой плотностью вещества на границах зерен. [c.89]

Здесь уместно обсудить минимальный размер нанокристаллов. По мере уменьшения размера нанокристалла может реализоваться ситуация, когда элементы симметрии, присущие данному типу кристаллов, будут исчезать, что, по мнению А. М. Глезера, следует считать нижним пределом нанокристаллического состояния [4]. В рамках такого подхода сохранение элементов симметрии считается разумным до размера, соизмеримого с тремя координационными сферами. Например, для объемноцентрированной и гранецентрированной кубических структур минимальный критический размер кристаллитов будет составлять 0,5 нм (а-Ре) и 0,6 нм (N1) соответственно. [c.26]

В монографии впервые дано систематическое изложение современного состояния исследований нанокристаллических материалов. Обобщены экспериментальные результаты по влиянию нанокристаллического состояния на микроструктуру и механические, теплофизические, оптические, магнитные свойства металлов, сплавов и твердофазных соединений. Рассмотрены основные методы получения изолированных наночастиц, ультрадисперсных порошков и компактных нанокристаллических материалов. Подробно обсуждены размерные эффекты в изолированных наночастицах и компактный нанокристаллических материалах, показана важная роль границ раздела в формировании структуры и свойств компактных наноматериалов. Проведен анализ модельных представлений, объясняющих особенности строения и аномальные свойства веществ в нанокристаллическом состоянии. [c.2]

Таким образом, представленные выше результаты свидетельствуют о том, что за счет консолидации порошков (металлических или в смеси с керамикой) ИПД кручением можно получать массивные образцы с нанокристаллической структурой и плотностью, близкой к 100%. Получаемый средний размер зерен (50-80 нм) значительно меньше того, что получается в случае ИПД монолитных образцов. ИПД консолидация может быть также использована для компактирования порошков, подвергнутых шаровому размолу. В этом случае образцы имеют наиболее малый размер зерен (примерно 15 20 нм) и их кристаллическая решетка весьма искажена, что характерно для нано-псевдоаморфного состояния. [c.59]

Основываясь на этом уравнении состояния для сверхпласти-ческого течения, можно ожидать [349, 350], что уменьшение размера зерна должно привести к резкому повышению сверхпласти-ческих свойств и достижению сверхпластичности при относительно низких температурах и/или высоких скоростях деформаций. Поэтому развитие методов ИБД для получения наноструктурных материалов открыло новые возможности для исследования сверхпластичности в металлических материалах, а также дало возможность начать новые систематические экспериментальные исследования в этой области [319]. Эти исследования начались в двух направлениях первое — это получение объемных образцов с однородной структурой и размером зерна менее 1 мкм (уровень субмикрокристаллов) с помощью РКУ-прессования или многократной ковки второе — это получение нанокристаллических структур в образцах с малыми геометрическими размерами (менее 15-20 мм), используя метод интенсивной пластической деформации кручением. [c.203]

Предлагаемая вниманию читателя монография посвящена одной из самых актуальных современных научных проблем, лежащей на стыке материаловедения, физики и химии твердого тела, — нанокристаллическому состоянию вещества. Это первое в отечественной и мировой литературе обобщение экспериментальных результатов и теоретических представлений о строении и свойствах не только дисперсного, но и компактного твердого тела с нанометровым размером частиц, зерен, кристаллитов или других элементов микроструктуры. До сих пор основная масса научной информации по этой тематике публиковалась в различных научных журналах и в материалах конференций. А. И. Гусев, автор первого в мире обзора по компактным наноматериалам ( Эффекты нанокристаллического состояния в металлах и сплавах // УФН. 1998. Т. 168, № 1), взял на себя нелегкий труд познакомиться с сотнями оригинальных исследований по нанокристаллическому состоянию, сгруппировать их по изучаемым материалам и свойствам, выявить общее и частное в результатах этих работ, заострить внимание на самых интересных и практически важных эффектах наносостояния. [c.4]

Научный интерес к нанокристаллическому состоянию твердого тела в дисперсном или компактном виде связан прежде всего с ожиданием различных размерных эффектов на свойствах наночастиц и нанокристаллитов, размеры которых соизмеримы или меньше, чем характерный корреляционный масштаб того или иного физического явления или характерная длина, фигурирующие в теоретическом описании какого-либо свойства или процесса (например длина свободного пробега электронов, длина когерентности в сверхпроводниках, длина волны упругих колебаний, размер экситона в полупроводниках, размер магнитного домена в ферромагнетиках и т. д.). [c.5]

Обычно, когда речь идет о неравновесном метастабильном состоянии, предполагается, что в соответствие ему можно поставить некоторое реально существующее равновесное состояние, например, метастабильному стеклообразному (аморфному) состоянию соответствует равновесное жидкое состояние (расплав). Особенность нанокристаллического состояния по сравне-ниюю с другими известными неравновесными метастабильными состояниями вещества заключается в отсутствии соответствующего ему по структуре и развитости границ равновесного состояния. [c.14]

Нанокристаллические материалы представляют собой особое состояние конденсированного вещества — макроскопические ансамбли ультрамалых частиц с размерами до нескольких нанометров. Необычные свойства этих материалов обусловлены как особенностями отдельных частиц (кристаллитов), так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами. [c.14]

Главный вопрос при изучении нанокристаллического состояния — это вопрос о том, существует ли резкая, отчетливая граница между состоянием массивного вещества и нанокристалли-ческим состоянием, есть ли некоторый критический размер зерна или частицы, ниже которого проявляются свойства, характер- [c.14]

На первый взгляд, переход к нанокристаллическому состоянию не является фазовым переходом, так как размерные эффекты на всех свйоствах проявляются постепенно и постепенно нарастают по мере уменьшения размера изолированных наночастиц или размера зерен в компактных наноматериалах. Однако все без исключения экспериментальные исследования вьшолне-ны на материалах со значительной дисперсией размеров частиц или зерен и вполне естественно предположить, что дисперсия размеров размывает фазовый переход, если таковой имеется. Доказательным мог бы быть эксперимент по выявлению размерного эффекта, проведенный на серии материалов одинакового химического, но разного гранулометрического состава, причем каждый из этих материалов должен состоять из частиц или зерен только одного размера. Лишь в таком эксперименте можно полностью исключить влияние дисперсии размера частиц и определить, является ли размерная зависимость того или иного свойства непрерывной и гладкой или же она имеет скачки, изломы и другие особенности. К сожалению, пока реально такой эксперимент осуществить невозможно. [c.15]

Основная цель книги — обсуждение эффектов нанокристал-лического состояния, наблюдаемых на свойствах металлов и соединений. Структура и дисперсность (распределение зерен по размерам), а следовательно, и свойства наноматериалов зависят от способа их получения, поэтому в первой и второй главах книги кратко рассмотрены основные методы получения нанокрис-таллических порошков и компактных нанокристаллических материалов. Заметим, что существенный прогресс в изучении на-нокристаллического состояния твердого тела был достигнут после 1985 года именно благодаря усовершенствованию известных и созданию новых методов получения нанокристаллических материалов. [c.15]

Наиболее свежими по фактическому содержанию являются четвертая и пятая главы, в которых анализируются структура и свойства компактных наноматериалов. Почти все описанные в них результаты получены после 1988 года. Подавляющее большинство исследований компактных нанокристаллических материалов так или иначе сосредоточены вокруг нескольких проблем. Одна из них — проблема микроструктуры компактных наноматериалов и ее стабильности, состояния межзеренных границ и их релаксации непосредственное изучение микроструктуры проводится различными электронно-микроскопическими, дифракционными и спектроскопическими методами. К этим исследованиям достаточно близки работы по изучению структуры компактных наноматериалов косвенными методами (изучение фононных спектров, температурных зависимостей микротвердости, модулей упругости, электрокинетических свойств, калориметрия). Ожидается, что компактные наноматериалы наибольшее применение найдут в качестве конструкционных и функциональных материалов новых технологий и как магнитные материалы, поэтому в пятой главе особое внимание уделено механическим и магнитным свойствам компактных наноматериалов. Последовательное обсуждение структуры и свойств изолированных наночастиц и компактных наноматериалов должно составить единое представление о современном состоянии исследований этого особого состояния вещества, выявить между изолированными наночастицамй и компактными наноматериаламп общее и особенное. [c.16]

В целом единого мнения о причинах изменения намагниченности насыщения ферромагнитных наночастиц нет. В этой связи следует упомянуть результаты исследования компактирован-ного нанокристаллического -Ni со средним размером зерна 70—100 нм [185]. Намагниченность насыщения лс-Ni была примерно на 10 % меньше намагниченности крупнозернистого никеля то же самое наблюдали в MK-Ni, полученном деформаци-онно-термической обработкой [338]. Для объяснения этого эффекта авторы [186] предположили, что атомы, расположенные вблизи границ зерен, находятся в неравновесном состоянии, динамически более активны, чем атомы в зернах, и образуют зернограничную фазу. Отличие магнитных свойств зернограничной фазы от свойств фазы в зерне служит причиной уменьшения намагниченности насыщения MK-Ni. С учетом этого нельзя исключить, что снижение намагниченности насыщения наночас- [c.97]

Иногда высказывается мнение, что верхний предел (максимальный размер элементов) нанокристаллического состояния должен быть связан с каким-либо характерным физическим параметром — длиной свободного пробега носителя, диаметром петли Франка—Рида для скольжения дислокаций, размером домена или доменной стенки и, наконец, длиной волны электрона де Бройля. Однако диапазон изменения этих характерных физических параметров, определяющих электрические, магнитные, деформационные и другие свойства применительно к разнообразным твердотельным объектам, весьма щирок и установить какой-либо единый верхний предел не представляется возможным. [c.9]

Для многих нитридов, карбидов и боридов (TiN, TiB2 и др.) переход в нанокристаллическое состояние сопровождается расширением областей гомогенности. Так, если для нитрида и диборида титана обычные формулы для этих однофазных соединений имеют вид TiNoj ] 2H TiB 89 2,о> В нзноструктурных пленках наблюда- [c.54]

При исследовании сверхпроводимости наноматериалов на примере ультрадисперсных порошков тугоплавких соединений (КЬЫ, УМ, Т1М, МЬСМ и др.) было отмечено существенное влияние размера частиц на критическое магнитное поле [20]. Рост поля составил около 200 % при изменении диаметра частиц от 75 до 15 нм. Для наночастиц МЬМо,9 1,05 размером 28 — 44 нм замечено понижение температуры перехода в сверхпроводящее состояние по сравнению с крупнокристаллическими образцами. Для оксида В125г2СаСц20 , в нанокристаллическом состоянии (/, я 10 нм) не выявлено сверхпроводимости вплоть до температуры 10 — 20 К, хотя в обычном крупнокристаллическом состоянии в этом температурном интервале наблюдается сверхпроводящий переход [61]. [c.67]

Для оксида циркония переход в нанокристаллическое состояние также сопровождается значительным снижением теплопроводности, что связывается с увеличивающимся рассеянием фононов на поверхностях раздела [51]. Длина свободного пробега фононов в данном случае меньше таковой для монокристалла. Аналогичная ситуация имеет меето и для тонких алмазных пленок и фуллеритов (конеолидированных фуллеренов), теплопроводность которых значительно ниже теплопроводности алмазных монокристаллов [36]. На рис. 3.18 показано изменение теплопроводности нанокристаллических покрытий толщиной 0,5 —1,2 мкм из иттрийстабилизированного (8—15% УгОз) диоксида циркония в зависимости от размера кристаллитов при Т =25, 480 К. Точки — это опытные данные линии — результаты расчета по соотношению [c.70]

В связи с тем что магнитные свойства твердых тел существенно зависят от расстояния между атомами, естественно предположить, что намагниченность насыщения / , температура Кюри Тс и другие параметры ферромагнитного состояния наноматериалов будут меняться по сравнению с обычными крупнокристаллическими объектами. Так, значение для нанокристаллического Ре (Т = 6 нм) на 40 % ниже, чем в случае обычных поликристаллов Ре. Для нанокристаллического N1 это снижение было существенно меньще — всего лищь 5 % при уменьщении размера зерна от 1000 до 10 нм [5]. Трактовка экспериментальных результатов часто затруднительна в связи с ограниченностью сведений о характере и свойствах поверхностей раздела в наноматериалах, содержании примесей и т.д. Вполне возможно, что различие в данных по влиянию размера зерна на связано с неодинаковым характером границ и разным содержанием примесей, что контролировалось недостаточно детально. На примере нанокристаллического никеля, полученного методами интенсивной пластической деформации и импульсного электроосаждения, многими исследователями зафиксировано снижение Гс на 10 —30 К с уменьщением размера кристаллитов. [c.75]

Наиболее подробно изучены материалы третьего типа, важным представителем которых является сплав Finemet (сплав Fe — Si —В с небольшими добавками Nb и Си) — уникальный магнитомягкий материал, созданный японскими исследователями. На рие. 4.10, а, б приведены полученные с помощью высокоразрешающего ПЭМ изображения этого сплава в аморфном и нано-кристаллическом (после отжига) состоянии. Заметно, что в аморфном соетоянии (а) имеет место так называемый запутанный контраст, а в нанокристаллическом состоянии (б) появляется характерная для кристаллов полосчатая структура, что фиксируется также и по данным микродифракции (в). Стрелками обозначены границы зерен с аморфной структурой, которая также наблюдается и на отдельных участках нанокристаллического образца (см. рис. 4.10, б). [c.131]

Магнитные материалы. На рис. 3.19 — 3.21 приведены данные, иллюстрирующие влияние размера кристаллитов на магнитные свойства материалов различных типов. В последние годы благодаря изучению свойств наноматериалов, полученных контролируемой кристаллизацией из аморфного состояния, японскими учеными был открыт новый класс магнитомягких материалов с высоким уровнем статических и динамических магнитных свойств по сравнению с аналогичными по назначению кристаллическими и аморфными сплавами. Это сплавы на основе Ре —81 —В с небольшими добавками N6, Си, 2г и некоторых других переходных металлов (например, Р1пете1 в Германии сплавы этого типа называются Витроперм ). После закалки из расплава эти сплавы аморфны, а оптимальные параметры достигаются после частичной кристаллизации при температуре 530 —550 °С, когда выделяется упорядоченная нанокристаллическая фаза Ре —81 (18 — 20) % с размером частиц около 10 нм. Объемная доля наночастиц в аморфной матрице составляет 60 — 80 %. Сплавы обладают низкой коэрцитивной силой (5— 10 А/м) и высокой начальной магнитной проницаемостью при обычных и высоких частотах при малых потерях (200 кВт/м ) на перемагничивание, что обеспечивает их широкое применение в электротехнике и электронике в качестве трансформаторных сердечников, магнитных усилителей и импульсных источников питания, а также в технике магнитной записи и воспроизведения и т.д., обеспечивая значительную миниатюризацию этих устройств и стабильную работу в широком диапазоне частот и температур. Мировой выпуск сплавов оценивается на уровне 1000 т в год [39]. [c.162]

Создание аморфных сплавов на основе интерметаллических систем позволило получить объемно-аморфизирующиеся сплавы — массивные образцы из расплава с аморфной структурой повысить тепловую стабильность аморфных сплавов создать материалы на основе использования комбинаций аморфного микро- и нанокристаллического состояний. [c.276]

Для понимания свойств наноструктурных пленок необходимо также знание атомной структуры границ зерен. Эта тема была предметом интенсивной дискуссии на протяжении последних лет. Интерес к этой проблеме дополнительно возрастает еще и потому, что значительное количество атомов в нанокристаллических материалах расположено на границах зерен. Отсюда возникает гипотеза о возможности существования нового состояния вещества. Согласно расчетам Глейтера с сотрудниками, выполненным с помощью методов молекулярной термодинамики, микроструктура нанокристаллических материалов состоит из кристаллических зерен и аморфных межзеренных прослоек однородной толщины. Отсюда авторы пришли к заключению, что нанокристалли-ческие материалы со случайной ориентировкой зерен содержат только высокоэнергетические границы раздела. В противоположность этому утверждению, другие исследователи установили, что границы раздела не являются неупорядоченными. Интересно также отметить, что теоретическая концепция конструирования нанокристаллических сверхтвердых материалов основана на предположении, что тонкие аморфные прослойки вокруг нанокристаллитов препятствуют образованию и размножению дислокаций [6]. Поэтому часто авторы приходят к умозрительному заключению, что нанокристаллиты полностью окружены тонкими аморф- [c.480]

Повышенный интерес к строению границ раздела в наноструктурных тонких пленках связан с тем, что значительное количество атомов расположено на границах зерен. В этой связи Глейтером с сотрудниками было высказано предположение о возможности сушествования нового состояния вещества. На основе расчетов, выполненных с помощью методов молекулярной динамики, было показано, что микроструктура низкоразмерных материалов состоит из кристаллических зерен и аморфных межзеренных прослоек однородной толщины. Отсюда авторы пришли к заключению, что нанокристаллические материалы со случайной ориентировкой зерен содержат только высокоэнергетические границы раздела. В противоположность этому утверждению, ряд авторов полагает, что границы раздела не являются неупорядоченными. Недавно Вепрек [11] предложил теоретическую концепцию создания сверхтвердых покрытий, в которой нанокристаллиты размером менее 10 нм окружены тонким слоем аморфной фазы толшиной менее 1 нм. В дальнейшем авторы представили экспериментальные подтверждения своей идеализированной теоретической модели. В противоположность этим результатам было показано, что границы раздела в пленках Ti-Si- -N имеют как упорядоченные, так и неупорядоченные участки [8, 12]. В частности, на некоторых границах раздела отмечено хорошее сопряжение атомных плоскостей соседних зерен и отсутствие дислокаций несоответствия. [c.496]

Теплофизические свойства нанокристаллических и обычных материалов отличаются из-за влияния масштабного фактора (размера зерна), а также содержания и состояния граничных слоев. В порошковых сплавах и в деформированных металлических сплавах после рекристаллизацион-ного отжига состояние граничного слоя максимально неравновесное. Нри [c.84]

Ферромагнетизм у нанокристаллических сплавов, получаемых из аморфных сплавов на основе железа, проявляется необычно. Как и следовало ожидать, образование нанокристаллической структуры в сплавах Fe8iSi7Bi2 и Feeo rigNiySiiBis-i сопровождается повышением магнитной твердости. Коэрцитивная сила от исходного значения 40 А/м для аморфного состояния увеличивается в 125 - 700 раз. [c.85]

До сих пор основная масса научной информации но нанокристаллическому состоянию вегцества публиковалась в различных научных журналах и в материалах конференций. Авторы монографии взяли на себя нелегкий труд познакомить заинтересованного читателя с сотнями оригинальных исследований но нанокристаллическому состоянию, сгруппировать их по изучаемым материалам и свойствам, выявить обгцее и частное в результатах этих работ, заострить внимание на самых интересных и практически важных эффектах наносостояния. [c.5]

В пятой главе рассмотрено влияние размера зерен и границ раздела на механические, тенлофизические, электрические и магнитные свойства компактных наноматериалов, включая нанокристаллические и квазинанокристаллические сплавы, получаемые кристаллизацией из аморфного состояния. [c.8]

Главный вопрос при изучении нанокристаллического состояния — это вопрос о том, существует ли резкая, отчетливая граница между состоянием массивного вещества и нанокристалличе-ским состоянием, есть ли некоторый критический размер зерна или частицы, ниже которого проявляются свойства, характерные для нанокристалла, а выгае — для массивного (объемного) вещества Иначе говоря, является ли с точки зрения термодинамики переход от массивного вещества к нанокристаллическо-му фазовым переходом первого рода Ответ на этот вопрос важен для методически правильной постановки экспериментальных исследований наносостояния, для правильного понимания полученных результатов. [c.16]

Энциклопедия по машиностроению XXL

Оборудование, материаловедение, механика и ...