авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

ПЛЕНАРНЫЕ ДОКЛАДЫ

П-2

Возможности применения наноматериалов и нанотехнологий

П. А. Витязь

Президиум НАН Беларуси, Минск, Беларусь

vitiaz@presidium.bas-net.by

В настоящее время наноматериалы и нанотехнологии начинают все более широко применяться

в различных областях науки и техники, и сфера их использования затрагивает различные об ласти человеческого знания. Это связано как с новыми свойствами уже известных материалов, обусловленными их наноструктурным состоянием, так и с появлением новых технологических приемов, позволяющих создавать новые наноструктурные материалы и изделия на их основе с совершенно уникальными характеристиками. Они обусловлены возможностью управления структурой и свойствами материалов на атомно-молекулярном уровне, что является актуальной задачей современного наноматериаловедения.

В докладе представлены основные результаты исследований в области разработки новых наноматериалов и нанотехнологий, полученные в рамках белорусской Государственной ком плексной программы научных исследований "Наноматериалы и нанотехнологии" в последнее время. Показаны возможности использования различных нанотехнологий для получения ме таллических, керамических, углеродных, полимерных, сверхтвердых, тугоплавких, магнитных наноматериалов и наноструктур, их свойств и применения в различных областях: машино строении, микроэлектронике, оптоэлектронике, лазерной технике, связи, биомедицине, фарма кологии. Показана взаимосвязь технологии получения наноматериала, его наноструктуры, хи мического состава и свойств, которые определяют область его применения.

Весьма перспективно использование ультрадисперсных алмазов, углеродных нанотрубок и фуллеренов в качестве модифицирующих добавок в различные материалы, свойства которых могут быть повышены в несколько раз. Изменение свойств композиций с добавками наност руктурных углеродных компонентов связано с морфологией и структурой нанодобавки, ее до зировкой и характером взаимодействия ингредиентов. Показано влияние таких добавок на по вышение характеристик лакокрасочных материалов, полиэтиленовых пленок, бетона и других материалов. Использование углеродных нанотрубок (УНТ) в качестве присадок в смазочные материалы позволяет повысить триботехнические свойства сопряжений путем включения УНТ в структуру керамических покрытий. При этом износостойкость керамики возрастает в 23 раза, стали в 2,3–2,6 раз при одновременном снижении коэффициента трения в 2 раза.

Показаны преимущества высокоскоростных методов компактирования керамических мате риалов при формировании их нанокристаллической структуры и повышении эксплуатацион ных характеристик, а также методов спекания с использованием технологии высоких давлений.

Отмечена перспектива получения слоистых многофункциональных покрытий, включающих защитные функции препятствия графитации и окисления поверхности и технологические функции формирования карбидокремниевой матрицы композита алмаз — карбид кремния с повышением свойств материала.

Представлены результаты по разработке технологии изготовления наноэлектронных при боров и устройств на основе массивов одностенных УНТ, а также анодной окиси алюминия с использованием каталитического пиролиза жидкофазных углеводородов, золь-гель и алюмоок сидной технологий на стандартном оборудовании микроэлектроники, то есть без привлечения недоступных отечественным производителям технологий. Установлена высокая эффективность ослабления (до 50 дБ) электромагнитного излучения покрытиями на основе массивов УНТ, свя занная с отражением электромагнитных волн.

Показаны широкие возможности применения в различных областях композиционных на номатериалов, обладающих комбинацией свойств различных компонентов.

  П- Нанонаука, нанотехнология и наноиндустрия — тенденции развития Ю. Д. Третьяков Ключевые слова, вынесенные в название нашего сообщения, теперь уже надежно укоренились в научной, околонаучной и абсолютно ненаучной литературе. И это не случайно, если учесть, что нанопродукты в перспективе способны обеспечить грандиозную по размерам экономию энергии, сырья и комфортную для человека окружающую среду, не говоря уже о фантастиче ских возможностях, связанных с развитием наномедицины и нанофармакологии.

Отличительной особенностью нанотехнологий является исключительно высокая наукоем кость и затратность, сложность пути от лабораторных исследований до выпуска коммерческих.

В обзоре [1] предложено классифицировать нанотехнологии на две группы — эволюционные и революционные, из которых первые базируются на использовании уже существующих нано продуктов (нанопорошки, углеродные нанотрубки, фуллерены и т.д.), а вторые — еще предсто ит создать в результате фундаментальных исследований процессов самосборки и самооргани зации, следуя направлению «снизу вверх», предложенному Р. Фейнманом еще 50 лет назад, т.е.

на 15 лет раньше, чем в литературе появился сам термин «нанотехнология».

Специфика зарубежного нанобума была проанализирована в статье [2], опубликованной в 2009 г. в журнале «Вестник РАН». В частности, там отмечалось, что развитие нанонауки, нано технологии и наноиндустрии в мире, вполне возможно, станет самым тяжелым испытанием для доминирующей пока в России системы административно-бюрократических отношений.

Основные направления фундаментальных и ориентированных на прикладные направления исследований в области наноматериалов были проанализированы авторами в обзоре [3].



1. G. M. Whitesides, Small, 1: 172 (2005).

2. Ю. Д. Третьяков, Вестн. РАН, 79: 3 (2009).

3. Ю. Д. Третьяков, Е. А. Гудилин, Успехи химии, 78: 867 (2009).

П- Литые многокомпонентные высокоэнтропийные сплавы в нанокристаллическом состоянии С. А. Фирстов, В. Ф. Горбань, Н. А. Крапивка, Э. П. Печковский Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, Киев. Украина epp@ipms.kiev.ua Традиционные многокомпонентные сплавы являются, как правило, многофазными. Они содер жат один или два базовых элемента и набор легирующих. Их особенностью является термодина мическая (фазовая) неустойчивость – они, как правило, распадаются как в процессе охлаждения из жидкого состояния, так и при последующей термической обработке в твердом состоянии с об разованием вторых фаз. Это приводит к изменению механических свойств сплава, довольно часто – нежелательному. Наиболее термодинамически устойчивыми сплавами являются сплавы, пред ставляющие собой однофазный твердый раствор замещения всех содержащихся элементов, и, следовательно, имеющие одну кристаллическую решетку. Это может быть достигнуто благодаря обеспечению высокой энтропии смешения элементов сплава в исходном (шихтовом) и жидком состояниях. Высокоэнтропийными являются сплавы, содержащие 5 и более элементов (Smix11 Джмоль-1К-1), при этом максималь ная концентрация одного элемента не должна пре вышать 35 ат.%. Технологическим фактором, обеспечивающим сохранение сравнительно высо кой энтропии смешения в твердом состоянии, яв ляется высокая скорость охлаждения расплава, которая не дает возможности развиться диффузи онным процессам, приводящим к распаду твердо го раствора.

Искажение кристаллической решетки высоко энтропийных сплавов, обусловленное наличием в ней разнородных атомов, приводит к значитель ному твердорастворному упрочнению сплава и термодинамической стабильности механических свойств. Высокоэнтропийный сплав, обладая повышенной термодинамической устойчивостью в расплавленном состоянии, к тому же в усло виях повышенной скорости охлаждения, допускает высокую степень переохлаждения, необхо димую для начала кристаллизации. Это приводит к зарождению большого количества центров кристаллизации очень малых размеров, - на уровне единиц, десятков нанометров.

В данной работе на примере изготовленных сплавов (больше 10) продемонстрирован положи тельный результат вышеизложенного направления в конструировании многокомпонентных жа ропрочных сплавов. Литые высокоэнтропийные сплавы (S = 13–19 Джмоль1К1) с содержанием в каждом 5–10 элементов, в том числе тугоплавких металлов, получены путем охлаждения рас плавов со скоростью 800–1000С/сек. Одно- или двухфазные сплавы на основе элементов, содер жащихся в сплаве, с ОЦК или в сочетании с гексагональной кристаллической решетками имели дендритную структуру преимущественно наноразмеров (50-100-150 нм). Методами автоматиче ского индентирования, горячей твердости и одноосного сжатия в интервале температур 20– 1000°С изучено влияние их состава и наноструктуры на механические свойства. Благодаря высо кой энтропии смешения, наличию тугоплавких металлов, повышенной термической стабильно сти, высокой дисперсности и разветвленности дендритных нанокристаллов сплавы имеют высо кую жаропрочность и низкую высокотемпературную ползучесть по сравнению с известными (рис.).

П- Структурно-технологическое регулирование физико-механических свойств композитов на основе керамических нанопорошков П. А. Витязь1, А. Ф. Ильющенко2, Л. В. Судник Президиум НАН Беларуси, Минск, Беларусь ГНУ «Институт порошковой металлургии», Минск, Беларусь lsudnik@tut.by До последнего времени проблема получения дисперсных порошков и нанокомпозитов не решена полностью, что обусловлено как недостаточной изученностью технологических процессов, так и отсутствием их для решения практических задач в промышленном масштабе.

Основные методы по лучения ультра и нанодис персных частиц гидрокси да алюминия, оксидов алюминия, железа, крем ния: сверхскоростной вы сокотемпературный син тез, золь–гель синтез и а б в метод гидротермального синтеза (паротермальный ) Рис. 1. Морфология частиц алюмооксидных порошков, получен и их совмещение. Иссле- ных различными методами: а) гидротермальный синтез;





б) золь— дована и показаны морфо- гель;

в) взрыв алюминиевой проволоки.

логия особенности по верхности порошков, по лученных разными мето дами.

Приняв гипотезу, по которой наличие нано размерной компоненты в КМ исключает множест венность путей развития структуры и самопроиз- Износ деталей Коррозионные Шероховатость Прочность вольную организацию в масле потери металла поверхности керамики диссипативных структур, разработана гамма ком- Эффективность применения нанокристаллических материалов в различных позиционных материалов, областях (левый столбик — без добавок, правый — с добавками).

включающих нанораз мерные керамические компоненты. Полученные порошки используются в виде порошков и компо зитов, в которых порошки выступают в качестве модификаторов функциональных свойств и акти ваторов процессов, в которых участвуют изделия из названных композитов.

Основные положения концепции создания нанокомпозитов начинаются с получения нанопо рошков. Созданные композиты используют размерный эффект частиц, проявляющийся в наност руктурированности композитов с металлической, керамической и полимерной матрицей. Необхо димым условием конкурентоспособности изделий из нанокомпозитов и их промышленной востре бованности является зависимость физико-механических свойств нанокомпозитов и эксплуатацион ных параметров изделий от размеров компонент материалов в нанометровом диапазоне.

  П- Создание новых лекарственных форм на основе нанокомпозитных материалов для решения современных проблем онкологии В. Ф. Чехун Институт экспериментальной патологии, онкологии и радиобиологии им. Р. Е. Кавецкого НАН Украины, Киев, Украина Среди новых направлений мирового технологического прогресса в медицине первоочередного внимания заслуживают нанотехнологии, которые в последнее время выделились в отдельную дисциплину – наномедицину. Современные представления о молекулярно-биологических из менениях в клетках и о возможностях новейших технологий, связанных с использованием на номатериалов, коренным образом изменили стратегию решения наиболее острых проблем он кологии и, в первую очередь, – лекарственной резистентности опухолей к цитостатикам. Про водятся комплексные научные разработки по конструированию и изучению воздействия на биологические системы нанокомпозитов таргетной доставки препаратов к мишени, созданных на основе ферромагнетиков. Наиболее перспективной формой железа для конструирования нанокомпозитов считаются ферромагнитные жидкости, которые содержат наночастицы магне тита – оксида железа (II, III) с размерами от 15 до 75 нм.

Внешнее управление нанокомпозитами на основе ферромагнетика может осуществляться постоянным, переменным, импульсным и комбинированным магнитным полем, которое обес печивает не только таргетную доставку лекарственного средства, но и пролонгированное его действие и медленное освобождение из опухоли. Для адресной доставки и контролированного высвобождения инкапсулированного лекарственного препарата в опухолевой ткани разрабаты вается ряд специализированных липосом: иммунолипосомы, в состав которых входит вектор в виде специфических моноклональных антител;

катионные липосомы с заряженным липидом, который тропен к эндотелию сосудов;

рН-чувствительные липосомы, которые освобождают лекарственное вещество в тканях со сниженным значением рН;

термочувствительные липосо мы, из которых лекарство высвобождается при нагревании тканей.

Изучение липосомальной формы нанокомпозитов с управляемым транспортом с помощью магнитного поля, в состав которых входят ферромагнетик и цитостатик, является очень важ ным, поскольку липосомы, благодаря своему сродству с липидными компонентами плазмати ческих мембран клеток, обеспечивают беспрепятственный перенос активных агентов к мише ням их действия и аккумулируются в опухолевой ткани, а магнитное поле выступает как век тор, который усиливает эти эффекты.

С другой стороны, исследования последних лет свидетельствуют о возросшем интересе к изучению роли обмена эндогенного железа в опухолевом процессе, что позволяет рассматри вать его в качестве перспективной мишени для лечения пациентов со злокачественными ново образованиями. В организме метаболизм железа осуществляется посредством ряда железосо держащих белков, которые расцениваются как физиологически активные внутриклеточные регуляторы. Поэтому определение изменений железосодержащих комплексов в тканях орга низма в ответ на введение экзогенного железа в составе биополимерных нанокомпозитов и ме ханизмов, которые лежат в их основе, являются важными вопросами, открывающими перспек тиву направленной модификации этого ответа в заданном направлении.

По мере развития наномедицины с использованием современных наноматериалов возника ют вопросы, которые касаются особенностей биосовместимости ультрамалых частиц, их био распределения в органах и тканях, выведения этих агентов из организма и проявления токсиче ских эффектов. Поиск ответов на эти вопросы можно расценивать как базис новой дисциплины – нанотоксикологии. В аспекте насущных задач данного раздела науки определение комплекса методических подходов для оценки безопасности новых материалов и технологий получения наноконстукций должно занять одно из приоритетных мест в условиях ожидаемого внедрения нанотехнологий в различных сферах деятельности человека.

    П- Наноструктурные покрытия: принципы конструирования, основы технологии и области применения В. Е. Панин, В. П. Сергеев Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Россия paninve@ispms.tsc.ru, vserg@mail.tomsknet.ru Материал с наноструктурным покрытием является многоуровневой сильно неравновесной сис темой, конструирование которой требует совместных подходов механики структурно неодно родных сред, неравновесной термодинамики и наноматериаловедения [1]. В [1] сформулирова ны принципы конструирования таких систем:

— В поверхностном слое материала перед нанесением покрытия должна быть сформирова на наноструктура, которая снижает масштаб «шахматного» распределения растягивающих и сжимающих напряжений на границе раздела «покрытие-подложка», задерживает развитие от слаивания покрытия и обеспечивает высокий ресурс его работы.

— Покрытия должны быть многослойными, гетерофазными, иметь наноструктуру, что обеспечивает минимальную амплитуду концентраторов напряжений на интерфейсах разнород ных сред в системе «материал-покрытие».

— Формирование регулярного множественного растрескивания покрытия вдоль сопряжён ных направлений максимальных касательных напряжений снижает эффект несовместности подложки и покрытия и предотвращает его отслаивание.

— В основу технологии формирования наноструктурных покрытий положен механизм об разования нанокомпозитных структур, связанный с сегрегацией одной фазы по границам зерен другой, в результате которой прекращается их рост. Данный процесс контролируется «шахмат ным» распределением напряжений на интерфейсе «покрытие подложка». Настоящий принцип реализуется при ионно-магнетронном осаждении покрытий путем введения в состав растущего конденсата легирующих элементов, осуществляемого с помощью: 1 – использования компози ционных сплавных или мозаичных мишеней или одновременного распыления нескольких ми шеней из разных материалов, 2 – бомбардировки растущего конденсата потоком металлических или газовых ионов, отличающегося по элементному составу от покрытия, 3 – чередования хи мического состава наноразмерных слоев при осаждении многослойных структур, а также раз личной комбинацией этих методов. Например, для получения сверхтвердых двухфазных нано композитных покрытий необходимо сформировать структуру так, чтобы, во-первых, обе фазы были в нанокристаллическом состоянии или одна в нанокристаллическом, вторая – в аморфном состоянии;

во-вторых, ориентация зерен основной фазы должна иметь преимущественную кри сталлографическую ориентацию.

В настоящее время наноструктурные покрытия уже нашли широкое применение в инстру ментальной промышленности при изготовлении износостойкого режущего инструмента, рабо тающего на высоких скоростях резания, а также при обработке труднообрабатываемых мате риалов. В авиакосмическом комплексе интенсивно ведется разработка наноструктурных тепло защитных покрытий на сопла жидкостных ракетных двигателей, обладающих высокой термо циклической стойкостью, на детали газотурбинных двигателей с целью повышения их рабочей температуры, на детали планера самолета для повышения его усталостной прочности и ресурс ных характеристик. Разработаны наноструктурные покрытия, обладающие высокой водород ной износостойкостью, для защиты деталей компрессорного оборудования в нефтегазовой и нефтехимической промышленности, в металло-полимерных трибосопряжениях и т.д.

1. В. Е. Панин, В. П. Сергеев, А. В. Панин, Наноструктурирование поверхностных слоев и нанесение наноструктурных покрытий (Томск: Изд. ТПУ: 2008).

    П- Ионный синтез нанокристаллов узкозонных полупроводников А3В в кремниевой матрице для систем оптоэлектроники Ф. Ф. Комаров1, Л. А. Власукова1, О. В. Мильчанин1, А. В. Мудрый2, Б. С. Дунец Белорусский государственный университет, Минск, Беларусь Научно-практический центр НАН Беларуси по материаловедению, Минск, Беларусь KomarovF@bsu.by Развитие кремниевой оптоэлектроники сдерживается отсутствием эффективного источника света – светодиода или лазера. Кремний — материал с непрямой запрещенной зоной и не спо собен эффективно излучать свет. Вместе с тем кремний является основным материалом микро электроники, и в настоящее время активно изучаются возможные способы улучшения его све тоизлучающей способности. Перспективным подходом может стать формирование нанокри сталлов (квантовых точек) узкозонных полупроводников А3В5 в кремниевой матрице. Одним из методов формирования нанокластеров в кристаллических и аморфных матрицах является ион ный синтез методом ионной имплантации с последующим отжигом. Сначала ионной имплан тацией создается сверхвысокая концентрация примеси в приповерхностной области матрицы.

Последующий отжиг приводит к преципитации и формированию нанокластеров, вкрапленных в материал матрицы.

Целью настоящей работы являются комплексные исследования структурных и оптических свойств систем «нанокристаллы InAs – кристаллический кремний» и «нанокристаллы GaSb – кристаллический кремний» и возможности управления процессами формирования нанокри сталлов и структурных дефектов путем изменения режимов имплантации и отжига.

Для создания слоев с нанокристаллами кремниевые подложки кристаллографической ори ентации (100) имплантировались сначала ионами пятой (As или Sb), а затем ионами третьей (In или Ga) группы при комнатной или повышенной (500 °С) температуре. Энергии и дозы ионов изменялись, соответственно, в диапазонах 170–350 кэВ и 2,8–5·1016 см-2. После этого проводил ся отжиг в инертной атмосфере в интервале температур (600–1100°С) в печи сопротивления или в установке быстрого термического отжига (БТО). Часть образцов, имплантированных «кластерообразующими» примесями, дополнительно облучалась ионами H2+ с энергией 100 кэВ и дозой в пересчете на атомарный водород 1,2·1016 см-2. Эта процедура проводилась для создания на глубине порядка 500 нм внутреннего геттера во время последующего отжига.

Распределение внедренных примесей, структурные и оптические свойства имплантирован ных слоев исследовались с помощью методов резерфордовского обратного рассеяния (РОР), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), низкотемпературной фотолюминесценции (ФЛ) и комбинационного рассеяния (КР).

Показано, что высокодозная ионная имплантация с последующим отжигом позволяет фор мировать в матрице кристаллического кремния наноразмерные кристаллиты, идентифициро ванные методами ПЭМ и КР как преципитаты InAs (в случае имплантации As+In) и GaSb (в случае имплантации Sb+Ga). Увеличение температуры и длительности термообработки приво дит к возрастанию средних размеров преципитатов. Введение геттера позволяет создавать слой из мелких (менее 10 нм) преципитатов даже при больших (60 мин) длительностях отжига.

П- Физика пластической деформации аморфных и нанокристаллических сплавов А. М. Глезер Институт металловедения и физики металлов ГНЦ «ЦНИИчермет им. И. П. Бардина», Москва., Россия a.glezer@mail.ru Детально проанализированы структурные механизмы пластической деформации в аморфных, нанокристаллических и аморфно-наноккристаллических сплавах. Предложена новая структур ная классификация нанокристаллов с позицій деформационного поведения. Предложено разде лить размерный ряд нанокристаллов на три группы: «большие», «средние» и «малые», в кото рых доминируют различные механизмы пластической деформации, определяемые преобла дающим элементом структуры (собственно кристаллами, границами зерен или тройными сты ками зерен соответственно). Предполагается, что в «больших» нанокристаллах деформация имеет дислокационную природу. В «средних» нанокристаллах процесс пластического течения всегда начинается с зернограничного микропроскальзывания, которое аналогично процессу формирования пластического сдвига в аморфной матрице. Рассчитана температурная зависи мость напряжения сопротивления зернограничному микропроскальзыванию. Проведено сравне ние полученных результатов с экспериментальными данными и показано хорошее согласие ме жду ними.. Разработана модель пластической деформации «малых» нанокристаллов как эволю ции пространственной сетки дисклинаций, расположенных в тройных стыках зерен. Пластиче ская деформация осуществляется в результате пластических поворотов зерен, рассогласование поворотов которых вызывает зарождение частичных дисклинаций в стыках межзеренных гра ниц. Сделано заключение, что нарушение зависимости Холла–Петча является следствием до минирующей роли недислокационных мод при переходе к нанометрическому масштабу разме ров зерна. Подчеркивается то обстоятельство, что при переходе от «больших» к «средним» и к «малым» нанокристаллам необходимо рассматривать не изменение определенных параметров в соотношении Холла–Петча, а перейти к рассмотрению принципиально нового соотношения, основанного на недислокационных механизмах пластической деформации в «средних» и «ма лых» нанокристаллах.

Проанализировано структурное состояние сплавов, формирующееся в процессе перехода расплава в кристаллическое состояние при закалке из расплава в условиях эффективного теп лоотвода и резкого снижения температуры. Показано, что образующаяся при этом ультрадис персная кристаллическая структура обладает спецификой атомного строения и уникальными прочностными свойствами, заметно превосходящими аналогичные характеристики тех же сплавов как в аморфном, так и в кристаллическом состояниях.

В аморфно-нанокристаллических сплавах, содержащих до 30–40% сферических нанокри сталлов, статистически расположенных в аморфной матрице, обнаружено аномальное сниже ние значений прочности с уменьшением размера наночастиц менее 60–70 нм, что связано, по видимому, с превышением толщины полос сдвига, распространяющихся в аморфной матрице, над размером наночастиц. Проведен анализ возможных вариантов взаимодействия полос сдви га с нанокристаллическими частицами. Высказано предположение, что существует четкая связь между размером частиц и конкретным механизмом этого взаимодействия.

Рассмотрена физическая природа процессов нанокристаллизации при мегапластической деформации аморфних сплавов. Показано, что основними причинами нанокристаллизации яв ляются локальное повышение температуры и наличие высокой концентрации избыточного сво бодного объема в полосах сдвига, распространяющихся в аморфной матрице.

П- Наноструктурные материалы, полученные методами деформации под давлением: принципы создания и перспективы применения В. Н. Варюхин Донецкий физико-технический институт им. А. А. Галкина НАН Украины, Донецк, Украина var@hpress.fti.ac.donetsk.ua В докладе представлены результаты исследований ДонФТИ им.А.А.Галкина НАН Украины по обработке металлических материалов с целью создания в них наноструктур. Показано, что ме тоды интенсивной пластической деформации (ИПД) позволяют формировать в металлах и сплавах высокоугловые неравновесные границы, которые являются эффективными каналами релаксации внутренних напряжений. Эволюция структуры материала с такими границами, при последующей обработке (деформационной или термической), существенно отличается от из вестной ранее. Благодаря этому включение методов ИПД в технологическую цепочку обработ ки материала позволяет формировать структуры с уникальным сочетанием физико механических свойств. Так, например, комбинация винтовой экструзии и последующей холод ной прокатки повышает почти на 100% прочность меди, алюминия и титана ВТ1-0, при этом пластичность остается практически неизменной. Введение угловой гидроэкструзии в схему изготовления медного (М1) провода диаметром 0,5 мм (горячее прессование, холодная гидро экструзия и волочение) обеспечило рекордное для медных сплавов сочетание прочности (в = 680 МПа) и электрической проводимости (87% IACS). Включение равноканального многоугло вого прессования в схему обработки сверхпроводящего сплава 60Т (горячее прессование, хо лодная гидроэкструзия и волочение) приводит к значительному (до двух раз) повышению плотности критического тока, при повышенных механических свойствах.

В ДонФТИ им. А.А.Галкина НАН Украины создан опытно-промышленный участок винто вой экструзии для получения заготовок и изделий с повышенным уровнем функциональных свойств, обусловленным нано- и субмикроструктурой. В докладе представлены образцы изде лий и проанализированы наиболее перспективные направления применения объемных мате риалов с наноструктурой, выявленные на основе опыта работы участка.

П- Модификация материалов фуллеренами: достижения и перспективы П. А. Витязь1, Э. М. Шпилевский Президиум НАН Беларуси, Минск, Беларусь Институт тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова НАН Беларуси, Минск, Беларусь еshpilevsky@rambler.ru В данной работе проанализированы результаты исследований по модификации фуллеренами материалов различного типа (металлов, керамики, полимеров). Значительная часть приведён ных результатов получена с участием авторов за последние 3 года.

Показано, что фуллерены структурируют матрицы базовых материалов, придавая им но вые свойства. Установлено, что допированние металлов, керамики, полимеров фуллеренами приводит к значительному повышению прочности материала, снижению коэффициента трения, изменению упругих характеристик и других свойств материала.

Фуллеренсодержащие материалы могут быть получены разными способами [1]. При совме стной конденсации титана и фуллеренов получены пленки, обладающие повышенными потре бительскими свойствами для специальных узлов трения и как электротехнический материал.

Наряду с композиционными структурами, твердыми растворами с кристаллическими решетка ми фуллеритов или используемого металла, возможны химические соединения. Введение фул леренов в материалы даже в небольших долях (до 1,0 мас.%) существенно (в некоторых случа ях в разы) изменяют их физические и физико-химические свойства.

Включение фуллеренов в керамику приводит к значительному улучшению триботехниче ских характеристик пары керамика–сталь, при этом наибольший эффект достигается при не большой их концентрации (0,1–0,2 масс.%) в поверхностном слое. В этом случае обеспечива ется наибольшее снижение коэффициента трения (в 3,2 раза), интенсивности изнашивания ста ли в 3 раза и значительное повышение изностойкости оксидокерамики. В паре трения керами ка-сталь в процессе трения на поверхности модифицированной фуллеренами оксидокерамики Al2O3 формируется тонкий слой с упорядоченной структурой, содержащий железо, фуллерены и кислород.

Введение фуллеренов в полимерные материалы приводит к их упрочнению, снижению ко эффициента трения, изменению упругих характеристик и других свойств материала. Изменени ем состава композиционного материала на основе полимера и углеродных наночастиц можно управлять его свойствами. При этом все получаемые материалы имеют низкую плотность и повышенную температурную устойчивость. Свойства полимеров в большой степени зависят от долевого содержания фуллеренов. В области невысоких концентраций взаимодействие по верхности фуллеренов с полимерными молекулами происходит повышение эффективной плот ности полимера Спектр применения фуллеренсодержащих материалов широк [2] – это уникальные покрытия (упрочняющие, антикоррозионные, антифрикционные, светозащитные), оптоэлектронные уст ройства (сенсоры, эмиттеры, фотоприемники, фоторезисторы, волноводы, нагревательные эле менты), биомедицинские изделия (эндопротезы, контейнеры для адресной доставки лекарствен ных препаратов в организме, молекулярные фильтры, мембраны, лекарственные препараты).

Созданные наноструктурные материалы уже теперь позволяет ставить вопрос о широком внедрении их в практику, однако высокая их стоимость останавливает производственников, а промедление их использования тормозит научные исследования.

1. Э. М. Шпилевский, С. А. Жданок, Современные методы и технологии создания и обработки мате риалов (Минск: Экоперспектива: 2007), Т. 1: с. 9–16.

2. П. А. Витязь, Э. М. Шпилевский, М. Э. Шпилевский, Нанотехнологии: наука и производство, № 2:

12 (2009).

П- Объемные наноструктурные металлические материалы для инновационных применений Р. З. Валиев Институт физики перспективных материалов и наноцентр, Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа, Россия rzvaliev@mail.rb.ru В последние годы разработка объемных наноструктурных металлических материалов стано вится одним из наиболее актуальных направлений современного материаловедения. Создание наноструктур в металлах и сплавах открывает путь для получения необычных свойств, весьма привлекательных для инновационных применений [1, 2]. Особое внимание в этой теме привле кает использование методов интенсивной пластической деформации (ИПД), поскольку это от крывает возможности разработки технологий получения объемных полуфабрикатов из наност руктурных материалов в виде прутков, тонких фольг, проволоки для различных конкретных применений. В настоящее время здесь происходит переход от лабораторных методов ИПД, та ких, как кручение под давлением, равноканально-угловое прессование (РКУП) и других, к соз данию опытно-промышленных ИПД-технологий, основанных на непрерывных процессах, на пример, РКУП-Конформ. В докладе детально рассмотрены эти новые тенденции в развитии методов получения объемных наноматериалов.

Большой прогресс был получен в последние годы также в разработке физических принци пов повышения свойств наноматериалов. Как известно, наноструктурные металлы и сплавы, обладая очень высокой прочностью, часто демонстрируют ограниченную пластичность и даже могут быть хрупкими, что препятствует их широкому использованию в качестве конструкци онных материалов.

В докладе показано, что, используя принципы зернограничной инженерии [3], т.е. создавая преимущественно большеугловые границы зерен с неравновесной структурой или формируя зернограничные сегрегации и выделения, удается обеспечить в наноматериалах уникальное сочетание высокой прочности и пластичности и, как результат, получить материалы с высокой усталостной прочностью, долговечностью, повышенной ударной вязкостью. Представлены примеры успешной реализации этих принципов повышения свойств для ряда промышленных сплавов на основе алюминия, титана и малоуглеродистых сталей.

В докладе также рассмотрены первые опытные изделия для инновационных применений в технике и медицине, и обсуждены пути коммерциализации этих разработок.

1. Р. З. Валиев, И. В. Александров Объемные наноструктурные металлические материалы:

получение, структура и свойства (Москва: Академкнига, 2007).

2. R. Z. Valiev, M. Zehetbauer, Yu. Estrin, H. W. Hoppel, Yu. Ivanisenko, H. Hahn, G. Wilde, H. J.

Roven, X. Sauvage and T. G. Langdon, Advanced Engineering Materials, 9, No. 7: 527 (2007).

3. Р. З. Валиев, Н. А. Еникеев, М. Ю. Мурашкин, С. Е. Александров, Р. В. Гольдштейн, Доклады академии наук, 432, № 6: 757 (2010).

П- Формирование наноструктурированных состояний и связанных с ними улучшенных свойств материалов медицинского и технического назначения Ю. Р. Колобов Научно-образовательный инновационный центр«Наноструктурные материалы и нанотехнологии»

Белгородского государственного университета, Белгород, Россия Разработка новых конструкционных и функциональных материалов с улучшенными свойствами во многом определяется результатами фундаментальных исследований закономерностей форми рования их структуры и природы физико-химических процессов, протекающих в материалах в реальных условиях эксплуатации. Особая роль во влиянии на физико-механические, химические, электрофизические и другие свойства материалов принадлежит внутренним поверхностям разде ла (границам зерен (ГЗ), субзерен, фаз), а также свободным поверхностям и связанным с ними наличием пор и трещин. Поэтому увеличение протяженности границ при уменьшении размера кристаллитов и переход от обычных поликристаллических материалов к наноструктурирован ным ведет к существенному изменению в развитии процессов тепло- и электропереноса, пласти ческой деформации и разрушения, деградации структуры [1–3].

Рассмотрены закономерности формирования зеренно-субзеренных структур при воздействии интенсивной/большой пластической деформацией с целью уменьшения размера элементов структуры до наномасштабного уровня и увеличения доли большеугловых границ зерен (ГЗ) в зеренно-субзеренном ансамбле, состоящем из дислокационных малоугловых границ субзерен и большеугловых границ зерен.

Эффективными способами формирования зеренно-субзеренных структур с большой долей большеугловых границ и уменьшением размера элементов структуры являются: интенсивная пластическая деформация методами кручения под высоким давлением, равноканального углово го прессования (РКУП) (в том числе с последующей прокаткой );

винтовая экструзия, всесторон нее прессование в штамповой оснастке, винтовая экструзия в сочетании с обычной сортовой про каткой. При использовании РКУП наноструктурированное состояние, отвечающее значительной (до 80% от общего числа) доле наноразмерных (менее 100 нм) зерен, как правило, удается сфор мировать в чистых металлах, лишь при использовании РКУП с противодавлением. В меньшей степени на практике для формирования СМК и НС состояний применяются методы воздействия взрывом, потоками заряженных частиц и другие.

Рассмотрены новые современные методы формирования субмикрокристаллических и нано структурных состояний в металлах и сплавах с использованием воздействия пластической де формацией. Показано, что необходимый для серийного производства медицинских имплантов и инструмента промышленный сортамент титана и титановых сплавов можно получить с использо ванием разработанных в последние годы малозатратных, высокопроизводительных технологиче ских способов обработки металлов давлением, которые включают радиально-сдвиговую и винто вую прокатки в сочетании с традиционными методами механо-термической обработки [3, 4].

На примере исследований сплавов на основе никеля, алюминия и их интерметаллических со единений проведен анализ роли зернограничных диффузионно-контролируемых процессов в фор мировании структуры и упруго-пластических свойств в условиях квазистатического и циклическо го нагружений, в том числе при совместном действии температуры и нагрузки (при ползучести) [5].

1. Колобов Ю.Р. Диффузионно-контролируемые процессы на границах зерен и пластичность металли ческих поликристаллов.- Новосибирск: Наука. Сиб. Предприятие РАН, 1998. – 184 с.

2. Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П. и др. Зернограничная диффузия и свойства наностук турных материалов. – Новосибирск: НАУКА, 2001. – С. 3. Kolobov Yu. R., Nanotechnologies of Russia, 2009, Vol. 4, Nos. 11-12, pp. 758-775.

4. Колобов Ю. Р., Липницкий А. Г., Иванов М. Б., Голосов Е. В., Композиты и наноструктуры, №2 (2) апрель-июнь 2009. – с. 5- 5. Колобов Ю. Р., Каблов Е. Н., Козлов Э. В., и др. Структура и свойства интерметаллидных материа лов с нанофазным упрочнением. – Москва, Изд-во «МИСиС», 2008. – 328 с.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.