Наноматериалы: классификация, особенности свойств, применение и технологии получения - Учебное пособие

К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба. Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие: 1) фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне; 2) развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки; 3) развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий. Данная книга преследует цель ознакомить студентов и специалистов в области наук о материалах и физики конденсированного состояния с основными представлениями о наноматериалах, их структуре и свойствах, технологиях их получения и обработки и методах их исследования. Это обусловлено такими причинами, как: стремление к миниатюризации изделий, уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии, необходимостью разработки и внедрения новых материалов с качественно и количественно новыми свойствами, развитие новых технологических приемов и методов, базирующиеся на принципах самосборки и самоорганизации, практическое внедрение современных приборов исследования и контроля наноматериалов (зондовая микроскопия, ретгеновксие методы, нанотвердость) развитие и внедрение новых технологий (ионно-плазменные технологии обработки поверхности и создания тонких слоев и пленок, LIGA-технологии, представляющие собой последовательность процессов литографии, гальваники и формовки, технологий получения и формования нанопорошков и т.п.).При малых размерах частиц этот эффект заметно возрастает, что может приводить к выходу большинства структурных дефектов на поверхность и очистке материала наночастицы от дефектов структуры и химических примесей. При этом можно выделить объемную долю следующих составляющих: границ раздела, границ зерен и тройных стыков [6,7]. Объемную долю границ раздела можно оценить по формуле: ?VГР=1-[(D-s)/D]3, где s - толщина границ раздела (порядка 1 нм), а D - характерный размер зерна или кристаллита. Эта неравновесность характеризуется избыточной энергией границ зерен и наличием дальнодействующих упругих напряжений; границы зерен имеют кристаллографически упорядоченное строение, а источниками упругих полей выступают зернограничные дислокации и их комплексы [8,33]. Облегчение миграции атомов (групп атомов) вдоль поверхности и по границам раздела, и наличие сил притяжения между ними, которые для наноматериалов больше по сравнению с традиционными материалами (рис.3.4), часто приводят к процессам самоорганизации островковых, столбчатых и других кластерных структур на подложке.4.1): методы на основе порошковой металлургии, методы, в основе которых лежит получение аморфных прекурсоров, поверхностные технологии (создание покрытий и модифицированных слоев с наноструктурой), методы, основанные на использовании интенсивной пластической деформации, и комплексные методы, использующие последовательно или параллельно несколько разных технологий. Можно выделить ряд общих подходов, которые являются характерными для всех методов получения нанопорошков и отличают их от методов получения обычных порошков [6,7]: высокая скорость образования центров зарождения частиц, малая скорость роста частиц, наибольший размер получаемых частиц не trial 100 нм, узкий диапазон распределения частиц по размерам, Рис. 4.2 - Основные из используемых в настоящее время методов получения нанопорошков стабильность получения частиц заданного размерного диапазона, воспроизводимость химического и фазового состава частиц, повышенные требования к коtrialю и управлению параметрами процесса получения. По этому методу, например, получают алмазный нанопорошок со средним размером частиц 4 нм из смеси графита с металлами порошок под действием взрыва органических веществ с высоким содержанием углерода и низким содержанием кислорода [58]. 4.17 - Типичная схема установки для нанесения покрытия PVD-методом: 1-материал для покрытия, 2-система перевода материала в паровую фазу, 3-поток испарившегося вещества, 4-подложка, 5-формирующееся покрытие, 6-система транспортировки материала покрытия в паровой фазе к подложке, 7-система фокусировки (и/или сканирования) потока вещества, осаждающегося на подложку, 8-система закрепления подложки и ее контролируемого перемещения, 9-система регулирования температуры на