книги / Нанотехнологии и специальные материалы

припоев в виде тонкой ленты. Такая лента легко изгибается, ее можно резать и подвергать штамповке для получения оптималь­ ной конфигурации. Весьма важным для пайки является то, что лента гомогенна по составу и обеспечивает надежный контакт во всех точках изделий, подвергаемых пайке. Припои имеют высо­ кую коррозионную стойкость. Они и используются в авиацион­ ной и космической технике.

По коррозионной стойкости АМС представляют собой прин­ ципиально новые материалы.

В АМС отсутствуют такие макроскопические дефекты, при­ сущие кристаллическим материалам, как ликвация, сегрегации, включения и другие неоднородности. Структура АМС близка к идеально однородной, что затрудняет развитие коррозионных процессов.

А м орф ны е сплавы на основе ж елеза и н икеля, содерж ащ ие хром, обладаю т необычайно высоким сопротивлением коррозии в самых различны х коррозионно-агрессивны х средах.

На рис. 1.6 представлены скорости коррозии кристалли­ ческих образцов хромистых сталей и аморфных сплавов Fe8o-.vCr.vPi3C7, определенные по потере массы образцов, выдер­ жанных в концентрированном растворе NaCl. Коррозионная стойкость сплавов с содержанием хрома выше 8% (ат.) на не­ сколько порядков превышает стойкость классических коррозион­ ностойких сталей.

Аморфный сплав, не содержащий хрома, корродирует быст­ рее, чем кристаллическое железо, однако по мере увеличения со­ держания хрома скорость кор­ розии аморфного сплава резко снижается и при содержании 8 % (ат. ) Сг и более не фикси­ руется микровесами после вы­ держки в течение 168 ч.

Эта особенность связана с тем, что в АМС легко образу­ ется защитная пассивирующая пленка, в которой происходит накопление хрома, чего не на­ блюдается в кристаллических сплавах.

Рис. 1.6. Влияние содержания хрома на скорость коррозии аморфного спла­ ва Fe{80 _ Х)СггР |30 7 (1) и кристалли­ ческого Fe - Сг (2) в 1 н. NaCI при 30 °С

Свойства и основные области применения аморфных металлических материалов

Аморфные сплавы практически не подвержены питгинговой коррозии даже в случае анодной поляризации в соляной кислоте.

Высокая стойкость против коррозии обусловлена образовани­ ем на поверхности пассотирующих пленок, обладающих высокими защитными свойствами, высокой степенью однородности и быст­ ротой образования. Помимо хрома повышению коррозионной стойкости способствует введение фосфора. В пленке высокохро­ мистых кристаллических сталей всегда присутствуют микропоры, которые со временем преобразуются в очаги коррозии. На аморф­ ных сплавах, содержащих определенное количество хрома и фос­ фора, пассивирующая пленка высокой степени однородности мо­ жет образоваться даже в 1 н. НС1. Образование однородной пас­ сивирующей пленки обеспечивается химической и структурной однородностью аморфной фазы, лишенной кристаллических де­ фектов, таких как выделения избыточной фазы, сегрегационные образования и границы зерен.

Сплав ГецзСгиМоюРиСу, пассивируясь даже в таком концен­ трированном растворе, как 12 н. раствор соляной кислоты при 60 °С, вообще почти не корродирует. По коррозионной стойкости этот сплав превосходит даже металлический тантал.

Аморфные металлы часто называют материалами будущего, что обусловлено уникальностью их свойств, не встречающихся у обычных кристаллических металлов (табл. 1.3).

Широкому распространению аморфных металлов препят­ ствуют высокая себестоимость, сравнительно низкая термиче­ ская устойчивость, а также малые размеры получаемых лент, проволоки, гранул. Кроме того, применение аморфных спла­ вов в конструкциях ограничено из-за их низкой свариваемо­ сти.

Г л а в а 2

ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

’’...Половина из присутствующих не знает, что такое нанотехнологии, но знает, что без этого жить нельзя”

Из выступления Председателя правитель­ ства Михаила Фрадкова. “Известия”, №13 от 26.01.2007 г.

2.1. НАНОТЕХНОЛОГИИ - СЛЕДУЮЩАЯ ПРОМЫШЛЕННАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

До последнего времени металловеды, занимающиеся пробле­ мами разработки и исследования свойств новых материалов, поч­ ти всегда имели дело с макроскопическими объемами веществ. В последние годы наблюдается быстрый рост научного и про­ мышленного интереса к новому классу материалов с ультрамелкозернистым строением — нанокристаллическим материалам. Термин "нанотехнологии” в 1974 г. предложил японский уче­ ный Норе Танигути для описания процесса построения новых объектов и материалов при помощи манипуляций с отдельны­ ми атомами.

Приставка "нано” (от греческого nannos — карлик) означает одну миллиардную долю метра — 1 нанометр (нм) = 10~9м. К объектам нанотехнологии относятся материалы с размерами зерен от долей нанометра до 100 нм. Верхний предел этого ин­ тервала —до 100 нм условен, а нижний определяется близостью к размерам атомов или молекул.

Характерные размеры некоторых общеизвестных объектов приведены в табл. 2.1.

Сравнительные размеры некоторых объектов

К наноматериалам относят: порошки твердых тел, состоящие из частиц размером меньше 100 нм; стеклообразные и кристал­ лические материалы, в объеме которых распределены элементы структуры с наноразмерами; наноразмерные образования на по­ верхности различных материалов; пленки и волокна с ианоразмерной толщиной.

Рассматривая нанотехнологию (HT) только как возможность манипуляций с твердым веществом с размерами частиц ниже 100 нм, историю HT часто начинают отсчитывать от знаменитой речи нобелевского лауреата Р. Фейнмана с аллегорическим назва­ нием: ’’Внизу полным-полно места. Приглашение в новый мир фи­ зики” (Feynman R. F. There is Plenty of Room at the Bottom. New York: Reinhold, 1961). Фейнман рассказал о фантастических пер­ спективах, которые сулит изготовление материалов на молекуляр­ ном уровне. Он также указал на необходимость создания совершен­ но нового класса рабочей и измерительной аппаратуры, требуемой для обращения со столь малыми, наноразмерными объектами.

Нанотехнологическая гонка, в которую сегодня включились все страны с развитым научно-техническим потенциалом, была порождена двумя, почти совпавшими по времени, выдающимися достижениями фундаментальной науки — открытием низкораз­ мерных углеродных наночастиц (фуллеренов и трубок) и созда­ нием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ),

Открытие фуллеренов (Крото, Керлу и Смолли, 1985 г., Но­ белевская премия по химии за 1996 г.) и вскоре последовавшее за этим обнаружение углеродных наиотрубок (Ииджима, 1991 г.) продемонстрировали основную особенность этих наночастиц —спо­ собность к качественным изменениям всех физико-химических

свойств при минимальных вариациях атомно-структурных па­ раметров. Открылись безграничные возможности синтеза новых материалов, химически чистых, легированных и композитных, с рекордными характеристиками и уникальными свойствами, пер­ спективными для приложений в самых различных областях нау­ ки, техники и медицины.

Образно говоря, на рубеже тысячелетий открылся новый ма­ териальный мир —неисчерпаемый мир наномасштабных частиц и явлений, живущий по незыблемым законам квантовой механики, на языке которой написано все современное естествознание. Ска­ нирующий туннельный микроскоп (Бинннг и Рорер, 1982 г., Нобе­ левская премия по физике за 1986 г.) был сразу же воспринят как революция в исследовании наноструктур с целью активного обще­ ния с обитателями этого мира. За СТМ последовала серия других зондовых микроскопов — атомно-силовых, магнитных, оптических, позволяющих не только видеть одиночные атомы и наночастицы, но и целенаправленно перемещать их, манипулируя ими как бло­ ками, выстраивая новые, невиданные до сих пор наноструктуры.

Скорость перехода от первых экспериментов до практической реализации нанотехнологий не имеет прецендентов в области на­ учных открытий. До. 1998 г. возможности использования нано­ технологий еще относили к области фантастики, а возможные сроки их применения предполагались не ранее 30 лет. Однако уже через 4 года появились материалы, синтезированные на базе нанотехпологий.

Возрастающий размер государственных субсидий ряда стран на развитие нанотехнологий приведен в табл. 2.2.

ТАБЛИЦА 2.2

Государственные расходы на развитие нанотехнологии в различных странах, млн. долл.

* Страны Евросоюза и Швейцария.

** Австралия, Канада, Китай, страны СНГ. Корея, Сингапур, Тайвань и др. * В скобках приведены расходы в % от уровня 1997 г.

В 2005 г. спрос на услуги рынка нанотехнологий составил 100 млрд, долл., а к 2015 г. вырастет в 10 раз.

Похоже, настал момент, когда не знать возможности нано­ технологий так же невыгодно и опасно, как перестать пользо­ ваться компьютерами.

Раздел рынка нанотехнологий по направлениям, %:

Раздел рынка нанотехнологий, %: США 40—45; Япония 25— 30; Европа 15—20; Азия 5—10.

Ввиду стремления США доминировать в этом направлении Национальный совет по науке и технике при президенте США объявил разработки в области нанотехнологии приоритетными задачами страны.

В сфере развития и использования нанотехнологий Россия отстает на 7—10 лет, хотя уровень российских теоретических раз­ работок в этой области высок, а по ряду направлений превосхо­ дит мировой. Для ликвидации этого отставания, помимо финан­ совой ’’подпитки”, необходим ряд организационных мер, среди которых важное место занимают обучение и целевое информаци­ онное обеспечение.

По прогнозам в ближайшей перспективе развития нанотехно­ логий и создания новых наиоматериалов можно ожидать:

—расширения памяти ЭВМ — большей емкости, до памяти многотерабайтного объема, что повысит возможность хранения информации в памяти на единицу объема в тысячи раз;

—обработки материалов с нанометрической точностью, что приведет к новым возможностям создания прецизионных систем, защиты от подделок ценных бумаг, изготовления уникальных оп­ тико-технических элементов;

—разработки технологии и организации производства легиро­ ванных порошковых сталей и сплавов с наноструктурой для высо­ копрочных износо- и теплостойких деталей машин IT механизмов;

—создания новых легких материалов с внутренней наност­ руктурой в десятки раз прочнее стали для изготовления всех ви­ дов наземных, воздушных и космических систем;

—создания нанобиотехнологическими компаниями диагности­ ческих приборов на основе микроскопических датчиков, способ­ ных выявлять конкретные сложные молекулы или отдельные

спирали ДНК. Предполагается осуществить доставку биологиче­ ских препаратов и лекарственных средств в конкретные органы человека для диагностики и лечения заболеваний. В числе других возможных применений —быстрое обнаружение наркотиков;

—очистки от загрязнителей высочайшей дисперсности для создания ультрачистых помещений в условиях производственных систем и с целью защиты окружающей среды;

—увеличения энергетической эффективности солнечных бата­ реи в несколько раз.

2.2.ПРИНЦИПЫ ДЕЙСТВИЯ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО

ИАТОМНО-СИЛОВОГО МИКРОСКОПОВ

Принцип действия туннельного микроскопа основан на том, что квантованные электроны способны проникать через потенци­ альный барьер, если даже его энергия выше энергии электрона (эффект туннелирования). Прошжновение осуществляется за счет волновых свойств электронов, хотя и происходит с некоторой по­ терей энергии.

Основными частями туннельного микроскопа являются зонд (заточенная игла из вольфрама, платино-иридиевого сплава, уг­ лерода и др.), пьезоэлектрические двигатели для прецизионного перемещения зонда, электронная цепь обратной связи и компью­ тер, управляющий процессами сканирования, получения и обра­ ботки результатов. Принцип действия СТМ показан на рис. 2.1. Туннельный ток, возникающий при наличии напряжения U, под­ держивается постоянным за счет цепи обратной связи, которая управляет положением зонда с помощью иьезоэлемента р. Запись осциллограммы напряжения U в цепи обратной связи дает рель­ еф поверхности по линии сканирования.

После приближения зонда к поверхности на расстояние в не­ сколько ангстрем туннельный ток принимает значения порядка наноампера, а электронная схема позволяет стабилизировать эту величину, поднимая или опуская зонд (рис. 2.1) над поверхно­ стью образца. Таким образом, меняя напряжение вдоль осей .г* и у и измеряя перемещения зонда по вертикали, можно получить топографическое изображение поверхности.

Основное отличие сканирующих микроскопов друг от друга заключается в типах используемых зондов и принципах их дейст­ вия. Если в туннельном микроскопе измеряемым параметром яв­ ляется величина тока между зондом и образцом, то в атомно­ силовом микроскопе (ACM) регистрируются силы взаимодейст­ вия между микроострием и изучаеой поверхностью (рис. 2.2).

На конце тонкой пластинки —консоли 2 расположен острый шип / с радиусом закругления до 10 им. При перемещении по по-

Некоторые фундаментальные свойства металлов в наноструктурном (НС) и крупнокристаллическом (КК) состояниях

* Для приграничной области.

Ультрамелкая микроструктура в объемных наноматериалах определяет их необычные свойства, в том числе характеризующие их фундаментальные, обычно структурно-нечувствительные па­ раметры (табл. 2.3).

Температуры плавления и параметры кристаллических реше­ ток наноматериалов и материалов с обычной структурой разли­ чаются. С уменьшением размеров частиц растет их суммарная поверхностная энергия, что приводит к понижению температуры плавления.

Наноструктурные металлы и сплавы могут обладать высокой коррозионной стойкостью. Обычные углеродистые стали в нано­ структурном состоянии обладают более высокими коррозионными свойствами по сравнению со специальными нержавеющими ста­ лями.

Сравнение электрохимических характеристик аморфных, на­ ноструктурных и кристаллических сплавов с 5 и 10% (ат.) мо­ либдена показало, что увеличение его содержания в кристалличе­ ских сплавах практически не изменяет их коррозионных свойств, в то время как аморфный и нанокристаллический сплавы с таким же количеством молибдена коррозионностойки как в серной, так и в соляной кислотах.

Физические свойства наноструктурных материалов значитель­ но отличаются от свойств обычных кристаллических материалов.

Наноструктурный нитинол проявляет исключительную сверх­ упругость и эффект памяти формы; в нанокомпозите Си—АЬОз наблюдается сочетание высокой термостабильиости и электропро­ водимости; наноструктурные магнитотвердые сплавы (систем Fe— Nb—В, Со—Pt и др.) демонстрируют исключительные магнитные гистерезисные свойства, а магнитомягкие наноматериалы прояв­ ляют очень низкую магнитную проницаемость (рис. 2.4).