Лекции по наноматериалам и нанотехнологиям
жүктеу/скачать 12,63 Mb. Pdf көрінісі
|
Nanomateriali i nanotehnologii bak
| c a
от размера нанокластера. С уменьшением размера кластера отношение / c a (тетрагональное искажение) решетки уменьшается, стремясь к единице. Однако, не достигает единицы даже для самого маленького кластера 23 нм. При / 1 c a в массивном образце пропадает спонтанная поляризация и тетрагональная симметрия кристаллической решетки становится кубической, а наноструктура переходит в параэлектрическое состояние. Температура фазового перехода понижается по мере уменьшения размера в диапазоне от 80 до 30 нм, переход размывается и при 26 нм исчезает. Понижение температуры фазового перехода C T при этом составляет 20 о С. см рис. 1.32. б). Рис. 1.32. а) Показана зависимость отношения / c a от размера нанокластера. б) Приведена зависимость температуры фазового перехода в нанокристалле 3 PbTiO от размера нанокластера. 57 (4) R нм , 81 (5) R нм [2] Механические свойства нанокластеров и наноструктур Нанокластеры и наноструктуры характеризуются высокой твердостью и высокой пластичностью. Твердость материала представляет собой характеристику сопротивления материала пластической деформацией при вдавливании в него более прочного материала. Твердость по Виккерсу, которая используется для характеристики наноматериалов, измеряется по глубине отпечатка на поверхности после снятия напряжения и определяется пределом текучести материала y . Размер зерен d материала определяет его микротвердость. Закон Холла –Печа: 0 1 y y k d , где 0 - внутреннее напряжение сил вязкого трения, тормозящее движение дислокации в массивном материале. y k - постоянная. Для температур много 49 ниже температуры плавления твердость материала по Виккерсу V H пропорциональна пределу текучести материала 0 V k H H d , где 0 H , и k постоянные. Если деформация осуществляется диффузионным скольжением, то при температурах значительно ниже температуры плавления, скорость деформации 3 B d b rD dt k Td , где b - коэффициент пропорциональности. -приложенное механическое напряжение - атомный объем r - толщина границы зерна, D - коэффициент диффузии по границам зерен. Предположим, что уравнения справедливы для нанокластеров, выступающих в роли зерен. Тогда твердость наноструктуры возрастает с уменьшением размера кластера. При нанометровом размере большое значение имеет диффузионное скольжение нанокристаллитов и скорость деформации значительно возрастает. Прочностные свойства наноматериала определяются соотношение между пределом текучести и скоростью деформации. Скорость деформации увеличивается при возрастании коэффициента диффузии при уменьшении размера кластера. Отклонение от закона Холла – Печа наблюдается при размере зерен 20 d нм . Другой важной характеристикой наноструктурированных материалов является прочность на растяжение f . Большие значения 1,35 1, 4 f ГПа и 0, 47 0, 48 V H ГПа для нанокристаллизованных аморфных сплавов 98 2 x x Al V Fe 96 4 x x Al V Fe связаны с оптимальным соотношением икосаэдрической фазы и аморфной фазы. Переход от кристаллической икосаэдрической к аморфной фазе увеличивает f и V H . Сверхпластичность наноструктур . Впервые сверхпластичность наблюдалась при растяжении сплава олова с бором Sn B , когда образец удлинялся более чем в 20 раз. Металлические наноструктуры и наноструктуры из сплавов позволяют получать сверхпластичные материалы значительно ниже температуры плавления. Для никеля Ni и сплава никеля с алюминием 3 Ni Al низкотемпературная сверхпластичность наблюдается при температурах 470 и 450 о С, что почти втрое ниже температуры плавления. Сверхпластичность оксидов металла и керамики в наноструктурированном состоянии возрастает при наличии прослоек аморфной фазы и разориентирования границ нанокристаллических зерен. Сверхпластичность 50 керамики возникает при размерах зерен менее 1 мкм, причем размер зерен должен сохраняться при повышении температуры. У наносистем, построенных из кластеров размеров 10 100 d нм , число дефектов максимально, что обеспечивает их рекордную пластичность. Таким образом, для получения сверхтвердых материалов надо использовать наносистемы сформированные из нанокластеров размера 10 d нм , а для получения сверхпластичных материалов наносистемы из нанокластеров с 10 100 d нм . Тепловые свойства нанокластеров Плавление нанокластеров . Модели плавления кластеров предсказывают уменьшение температуры плавления кластера, с уменьшением размера кластера по сравнению с массивным материалом. Температура плавления не совпадает с температурой замерзания. Разность поверхностного натяжения для твердого и жидкого состояния максимальна для изолированного состояния кластера. Теплоемкость нанокластеров определяется фононным спектром и вкладом поверхности. При низких температурах температурная зависимость решеточной теплоемкости для нанокластеров с большим вкладом поверхности 2 ( ) V C r T в отличие от теплоемкости для массивных тел. 3 V C T . С повышением температуры выше 1 К происходит пересечение зависимости теплоемкости для массивного материала, теплоемкость V C для кластера становится больше теплоемкости массивного тела. Пример: на рис. 1.33 кружками показана удельная теплоемкость нанокластеров серебра с диаметром 10 нм при температуре 10 T K . 51 Рис. 1.33. Кривая из точек - удельная теплоемкость нанокластеров серебра с диаметром 10 нм при температуре 10 T K . Сплошная линия теплоемкость массивного серебра.[2] На возрастание теплоемкости наноструктур наибольшее влияние оказывает появление низкочастотных атомных колебаний с возрастающими амплитудами, обусловленное поверхностью кластеров и межфазными границами в наноструктурах. Термическое расширение. Наличие повышенной плотности дефектов и межфазных границ и увеличение теплоемкости для наноструктур по сравнению с массивным телом увеличивает коэффициент термического расширения для наноструктур при уменьшении размеров нанокристаллитов. жүктеу/скачать 12,63 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|