Уникальные свойства наноматериалов. уникальные свойства НМ. Механические свойства нанокристаллических материалов существенно зависят от размера зерен

• Название: Механические свойства нанокристаллических материалов существенно зависят от размера зерен
• Анкор: Уникальные свойства наноматериалов
• Дата: 07.05.2023
• Размер: 1.47 Mb.
• Имя файла: уникальные свойства НМ.docx
• Тип: Документы; #1113604

Механические свойства нано-кристаллических материалов существенно зависят от размера зерен. При больших размерах зерен рост прочности и твердости с уменьшением размера зерен обусловлен введением дополнительных границ зерен, которые являются препятствиями для движения дислокаций, а при наноразмерных зернах рост прочности обусловлен низкой плотностью существующих дислокаций и трудностью образования новых дислокаций. Микротвердость нанокристаллических материалов в 2—7 раз выше, чем твердость крупнозернистых аналогов, причем это не зависит от метода получения материала. В ряде работ наблюдали падение твердости с уменьшением размера зерна ниже некоторого критического размера (рис. 10), что связывают с увеличением доли тройных стыков границ зерен.



Прочность нанокристаллических металлических материалов при рас­тяжении существенно превышает прочность крупнозернистых анало­гов, как для чистых металлов, так и для сплавов, при этом значение плас­тичности достаточно высоки, что, по-видимому, является следствием значительной зернограничной де­формации (рис.11).



Механические свойства СМК и НК материалов значительно превышают механические свойства крупнозернистых аналогов. Например, предел текучести и микротвердость НК меди в 4 раза выше, чем для крупнозернистой (КЗ) меди.

В табл. 2 приведены механические свойства КЗ, СМК и НК материалов. Из представленных данных видно, что при комнатной температуре проч­ностные свойства СМК и НК мате­риалов выше, чем для КЗ материа­лов, а при повышенных температу­рах КЗ материалы имеют более вы­сокую прочность. Важно, что плас­тичность СМК и НК материалов ос­тается на достаточно высоком уров­не. Основным механизмом дефор­мации СМК и НК сплавов при низ­ких температурах является дислока­ционное скольжение, сопровожда­ющееся действием аккомодацион­ного механизма — зернограничного проскальзывания.

Таблица 2.



Материалы с СМК и НК структу­рой проявляют высокоскоростную и низкотемпературную сверхпластич­ность. Например, относительное уд­линение до разрушения никеля с раз­мером зерна 35 нм при скорости де­формации 10-² с-¹ и температуре 420°С составило около 1000%. Сниже­ние температуры и повышение скоро­сти сверхпластической деформации обусловлено ускорением динамичес­кой активности таких процессов в не­равновесных границах зерен, как зернограничное проскальзывание и ак­комодационная диффузия.

Износостойкость наноструктурных металлических материалов значитель­но выше износостойкости крупнозер­нистых сплавов. Так, при уменьшении размера зерна в никеле от 10 мкм до 10 нм скорость износа уменьшается от 1330 до 7,9 мкм³/мкм.

 

 

СТАЛИ

Коррозионно-стойкая аустенитная сталь 12Х18Н10Т после равно-канального углового прессования при комнатной температуре с раз­мером зерна 100 нм имеет предел те­кучести 1340 МПа, практически в 6 раз превышающий предел текучести этой стали после термообработки. При этом пластичность сохра­няется на достаточно высоком для такой прочности уровне δ=27%.

Прочность низкоуглеродистых малолегированных сталей с СМК структурой при комнатной темпера­туре в 2—2,5 раза выше, чем серий­но выпускаемых, при сохранении удовлетворительной пластичности и высокой вязкости. Такие ста­ли сочетают высокие прочностные свойства и высокие показатели пла­стичности и ударной вязкости при отрицательных температурах, по­этому они могут эффективно применяться, например, для изготовле­ния деталей машин, работающих в условиях Крайнего Севера.

Антибактериальные свойства

В настоящее время создано большое количество наноматериалов на основе наночастиц серебра. Сейчас выпускаются зубные щётки и зубные пасты с наночастицами серебра, эффективно защищающие от различных инфекций. Также небольшие концентрации наночастиц серебра добавляют в некоторые кремы из серии «элитной» косметики для предотвращения их порчи во время использования. Добавки на основе серебряных наночастиц применяются в качестве антиаллергенного консерванта в кремах, шампунях, косметических средствах для макияжа и т.д. При их использовании наблюдается также противовоспалительный и заживляющий эффект. Ткани, содержащие наночастицы серебра, обладают дезинфицирующими свойствами. Такие ткани незаменимы для медицинских халатов, постельного белья, используются при изготовлении носков.Наночастицы способны долго сохранять бактерицидные свойства после нанесения на многие твердые поверхности (стекло, дерево, бумага, керамика, оксиды металлов и др.). Это позволяет создать высокоэффективные дезинфицирующие аэрозоли длительного срока действия для бытового применения.

Сейчас в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии используется широкий спектр антибиотиков, которые входят в состав материалов для местного лечения одонтогенных инфекционных заболеваний. Однако активность антибактериальных компонентов в составе этих препаратов кратковременна. Использование светоотверждаемых композиционных материалов последнего поколения не гарантирует в дальнейшем защиту твердых тканей зуба от возникновения вторичного кариеса. По этой причине актуальными являются исследования, связанные с перспективами использования коллоидных растворов наночастиц металлов в качестве антибактериального компонента в составе реставрационных материалов. Высокий уровень рН ротовой жидкости, большое разнообразие биохимических процессов, наличие широкого спектра естественных и патогенных микроорганизмов полости рта, особенности структуры, химического состава тканей зуба – все это диктует следующие требования к пломбированным материалом, в первую очередь – это широкий спектр бактериального действия, пролонгированное бактериальное действие и отсутствие местного и системного токсического воздействия.

В последнее время изучаются возможности применения нанопрепаратов в медицине. Бактерицидная активность НЧ серебра по различным индивидуальным штаммам микроорганизмов изучена достаточно хорошо. С практической точки зрения, необходимо исследовать антимикробные свойства водных дисперсий серебра и др металлов непосредственно с микрофлорой зубного налета.

Существует 2 способа получения гидрозолей металлов и их оксидов:

1. 
   Химический. Получение нанодисперсных систем, основанных на восстановлении ионов
   
2. 
   Физический. Получение ультрадисперсных растворов металлов и их оксидов.
   

Первый способ имеет ряд существенных недостатков. Водная дисперсия металла, полученная хим путем, имеет ограниченную по величине суммарную поверхностную энергию частиц, кроме того, данные растворы высокотоксичны, что связано с наличием ионов и делает не желательным их применение в живых организмов.

Поэтому наиболее перспективными способами получения ультрадисперсных растворов металлов и их оксидов для использования в живых системах является физическое. Один из них – электрокорозионное диспергирование металлических электродов посредсвом вольтовый дугой.

Антибактериальные свойства НЧ серебра, титана, меди, кобальта, никеля и циркония обусловлены наличием двойного электрического слоя вокруг НЧ, который обладает высокой реакционной активностью и вз-ет с адсорбционными центрами пептидогликанов клеточной оболочки. Нарушая целостность микробной стенки и цитоплазматической мембраны, НЧ металлов проникают в клетку и участвуют как катализатор в окислительных процессах с высвобождением и кумуляцией свободных радикалов, разрушением клеточных структур, что завершается гибелью клетки. Уже есть исследования, доказывающие высокую антибактериальную активность композиционных соединений НЧ серебра с оксидами меди и цинка в отношении микроорганизмов.



Таким образом, максимальные показатели антибактериальной активности в отношении бактерий зубного налета показателей растворы:

1. 
   Серебро с конц 1,22, 1.22*10^-3 и 1.22*10^-5 мг/л
   
2. 
   Оксиды железа 2 с конц 1.24, 1,24*10^-2 1.24*10^-6 мг/л
   
3. 
   Оскид никеля 2 с конц 8,2 0.82, 8.2*10^-6 мг/л
   
4. 
   Диксид титана с конц 10.3, 1,03 и 1.03*10^-6мг/л
   

Применение наноматериалов для поглотителей электромагнитных волн

Рассмотрены некоторые примеры применения нанотехнологий для поглотителей электромагнитных волн (ПЭВ). Такие поглотители имеют сразу несколько применений в самых различных сферах: маскировка военной техники от радиолокационного обнаружения; защита информации, то есть предупреждение несанкционированного съема по электромагнитному каналу; решение проблем электромагнитной совместимости радиоэлектронной аппаратуры; решение проблем медико-биологической электромагнитной безопасности (защита от вредного воздействия побочных излучений электронных приборов). Разработаны ПЭВ на основе наноструктурного ферромагнитного микропровода, а также новые пленочные и тканые радиопоглощающие материалы, получаемые методом магнетронного напыления. Этот метод позволяет получать тонкие до 5 нм слои металлов и сплавов. Предложена радиотехническая конструкция поглотителя, позволяющая эффективно поглощать или рассеивать падающие электромагнитные волны.

Рассмотрим некоторые примеры применения нанотехнологий для поглотителей электромагнитных волн (ПЭВ). Такие поглотители имеют сразу несколько применений в самых различных сферах. Перечислим основные:

— маскировка военной техники от радиолокационного обнаружения;

—защита информации, то есть предупреждение от несанкционированного съема по электромаг¬нитному каналу [1];

—решение проблем электромагнитной совмес¬тимости радиоэлектронной аппаратуры [2,3];

— решение проблем медико-биологической электромагнитной безопасности (зашита от вредного воздействия побочных излучений электронных приборов).

Следует при этом заметить, что наиболее эффективные поглотители электромагнитных волн должны обладать сочетанием диэлектрических и магнитных потерь в широком диапазоне частот.

Теперь рассмотрим, что же даст применение наноматериалов в ПЭВ. Прежде всего, можно упомянуть о создании защитных и маскировочных покрытий на основе технологий, используемых в гибких дисплеях. Например, мобильные частицы пигмента, покрывающие поверхность скрываемого объекта, могут изменять свое положение или ориентацию, создавая новую окраску, подобно тому, что происходит при движении крыльев насекомых, когда восприятие окраски зависит от направления наблюдения. Такой "активный" камуфляж может применяться не только в обмундировании личного состава, но и для маскировки ВВТ. Уже сейчас методами фотоники можно создавать нити и ткани, поглощающие излучение в видимом и инфракрасном диапазоне, причем коэффициент отражения для такого покрытия можно регулировать в реальном масштабе времени. Такие покрытия могут одновременно создавать в других частотных диапазонах некоторые "отражательные паттерны". Такие узоры или образы можно будет видеть специальными устройствами по известному принципу "свой -чужой". Предполагается, что практическое применение подобных покрытий осуществится в ближайшие 5 лет.

ОАО "ЦКБ РМ" занимается исследованием и применением ультрадисперсных и наноструктурных материалов более 10 лет. Так, например, совместно с Московским институтом стали и сплавов был разработан радиопоглощающий материал на основе макропористого носителя с частицами никеля размером 10 - 100 нм. В качестве носителя был выбран материал ТЗМК 10, который применялся на космическом аппарате "Буран". Энергия падающей электромагнитной волны (ЭМВ) преобразуется в тепловую за счет колебаний частиц, при этом бла¬годаря различному размеру последних, поглощение осуществляется в широком диапазоне частот. Коэффициент отражения такого РПМ не хуже —15 дБ в диапазоне 8 - 30 ГГц.

Нами разработан сверхширокодиапазонный радиопоглощающий материал на основе нанострук-турного ферромагнитного микропровода (НФМП) в стеклянной изоляции. Основным радио поглощающим элементом в нем является НФМП, представляющий собой тонкий металлический сердечник в стеклянной изоляции. Технология получения НФМП (рис. 1) обеспечивает одновременное плавление металла, размягчение стеклянной трубки, окружающей навеску металла, и закалку получающегося композита со скорость 106 град/с.



Радиопоглощающий материал на основе НФМП, разработанный и выпускаемый в ОАО "ЦКБ РМ", предназначен для маскировки военной техники от обнаружения и наведения высокоточного оружия противника в радиолокационном и оптическом диапазоне. Он обладает коэффициентом отражения не хуже 17 дБ (то есть менее 0,5%) в рабочем диапазоне длин волн от 0,2 до 15 см, и принят на снабжение МО РФ в 2007 г.

Ведутся работы по поиску технологии создания поглощающей "краски" с наполнителем из НФМП. На нашем предприятии разработаны новые пленочные и тканые РПМ, получаемые методом магне-тронного напыления. Метод позволяет получать тонкие — до 5 нм слои металлов и сплавов. Была разработана радиотехническая конструкция поглотителя, позволяющая эффективно поглощать или рассеивать падающую ЭМВ (рис. 3).



Кроме этого, разработана технология изготовления экологически чистых экранирующих тканей для обеспечения медико-биологической защиты персонала и населения, работающего и проживающего в условиях вредного воздействия электромагнитных полей различной частоты и интенсивности, а также для решения задач защиты информации. Экранирующие, поглощающие и радиорассеивающие ткани могут быть изготовлены как на базе комплексных нитей с наноструктурным ферромагнитным микропроводом (рис. 4), так и с напыленными металлическими слоями нанометровой толщины.

Ферромагнитные свойства

В ряду ферромагнитных наноматериалов большое место занимают ферромагнитные жидкости. Они представляют собой не индивидуальные вещества, а коллоидные растворы, в которых ферромагнитные частицы равномерно распределены в жидкой фазе. В качестве магнитной фазы в них используют наночастицы магнетита Fe3O4 или ферриты. А чтобы они не оседали на дно, к ним прикрепляют молекулы поверхностно-активных веществ. Магнитные жидкости сохраняют устойчивость в течение нескольких лет. Они обладают не только магнитными свойствами, но и высокой текучестью. Магнитные жидкости уже сейчас находят применение в технике. С их помощью можно осуществлять преобразование механической энергии в электрическую.

Если ампулу с магнитной жидкостью поместить внутрь индукционной катушки, соединенной с конденсатором, то при каждом сотрясении ампулы жидкость будет перемешиваться, а ее частицы – располагаться вдоль магнитного поля. Выделяющейся при этом энергии может хватить на работу небольшого радиоприемника, карманных часов. Приготовление магнитных жидкостей основано на получении нано - или микрочастиц магнитного вещества, которое ее образует. Для этого часто прибегают к измельчению или лазерному испарению металла. Используют для получения магнитных жидкостей и химические методы.

Способность оставаться чистыми.

Известно, что листья лотоса остаются чистыми, даже если цветок растёт в очень мутной и грязной воде. На Востоке лотос является символом чистоты и считается, что сам Будда родился в цветке лотоса.Самоочищение поверхности от частиц грязи называют поэтому «эффектом лотоса». Связано это с тем, что листья и цветки практически не смачиваются водой. Капли воды скатываются с них, не оставляя следа и смывают всю грязь. Даже каплям клея и мёда не удаётся удержаться на поверхности лотоса. Поэтому листья лотоса невозможно склеить. Выяснилось, что вся поверхность листьев и цветов лотоса покрыта микропупырышками высотой около 10 мкм. А сами микропупырышки усеяны нановорсинками ещё меньшего размера.

Такая пупырчато-ворсинистая поверхность листьев лотоса значительно уменьшает их смачиваемость. На других растениях подобных пупырышков обнаружено не было. Нанотехнологии позволяют создавать поверхности, аналогичные листу лотоса. Такую поверхность называют нанотравой.

Капля воды не может проникнуть между нанотравинками, так как этому мешает высокое поверхностное натяжение воды. Поэтому капля будто парит над нанотравинками, между которыми находятся пузырьки воздуха.

В результате вода не смачивает такую поверхность, и частицы грязи, оказавшиеся на поверхности, покрытой такой нанотравой, либо просто сва- ливаются с неё, либо смываются скатывающимися каплями воды. Таким об- разом, нанотрава делает поверхность абсолютно несмачиваемой и поэтому абсолютно чистой. Уже производят самоочищающиеся ветровые стёкла ав- томобиля. Такие стёкла не нуждаются в «дворниках». Есть в продаже посто- янно чистые колёсные диски для автомобилей. Уже сейчас можно покрасить дом снаружи краской, к которой грязь не прилипнет. Разработана специаль- ная жидкость, для покрытия стекол и кузова автомобиля, которая обеспечит их идеальную чистоту в течение года.