книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов.-1

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

С.А. Оглезнева, А.А. Сметкин, К.Р. Муратов, Т.Р. Абляз, Е.А. Морозов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ИТЕХНОЛОГИИ СОВРЕМЕННЫХ

ИПЕРСПЕКТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Конспект лекций

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2013

3

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Создание новых материалов с функциональными свойствами, существенно превосходящими свойства современных материалов, является актуальной задачей материаловедения, включенной в государственные программы поддержки всех развитых стран мира. Данное издание не ставит целью охватить все перспективные материалы, но в нем рассмотрены основные сведения, касающиеся структуры, механизмов проявления функциональных свойств, технологии изготовления и применения группы перспективных материалов для магистрантов направления подготовки 150100 «Материаловедение и технологии материалов».

Излагаемый материал разделен на 3 основных раздела. Первый раздел объединяет вопросы структуры и свойств новых функциональных материалов. Во втором разделе рассмотрены вопросы современных технологий обработки новых материалов. В третьем разделе представлены современные методы исследования структуры новых материалов. Каждый раздел соответствует модулю программы подготовки магистров «Материаловедение и технологии функциональных наноматериалов с применением высокоэнергетических методов воздействия». Каждый раздел объединяет по 2–3 лекции, посвященных отдельным вопросам материаловедения современных и перспективных материалов. В конце каждого раздела представлены вопросы для самоконтроля и список литературы, необходимой для углубленного или самостоятельного изучения некоторых тем.

Прогнозирование свойств новых материалов на современном этапе на основании знания принципов дизайна материалов, а также особенности структуры наночастиц, обусловливающие уникальные свойства наноматериалов, рассмотрены в лекции 1.

В лекции 2 представлены структуры и свойства функциональных материалов – пористых, сверхтвердых, «умных» из порошков и нанопорошков металлов, неметаллов, композитов с уникальными свойствами.

Свойства и технологии изготовления новых электротехнических материалов (активные диэлектрики, жидкие кристаллы, сверхпроводники, кристаллические полупроводники, суперионики, магнитные), а также направления их применения представлены в лекции 3.

5

Новые материалы с уникальными свойствами требуют особых технологий их обработки. Современные технологии обработки новых материалов представлены в лекциях 4 (лазерные технологии), 5 (электроэрозионная обработка), 6 (финишная абразивная обработка в нанометромом диапазоне).

Влекции 7 представлены сущность и возможности методов сканирующей электронной микроскопии.

Влекции 8 представлены методы исследования с помощью спектроскопии, малоуглового излучения, синхротронного излучения.

6

Раздел I

СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ЛЕКЦИЯ 1. ЗАДАЧИ СОВРЕМЕННОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ. ПРОБЛЕМЫ

ИПЕРСПЕКТИВЫ НАНОТЕХНОЛОГИИ

1.1.НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС

ИТРЕБОВАНИЯ К ПЕРСПЕКТИВНЫМ МАТЕРИАЛАМ

Задачами современного материаловедения и металловедения

являются:

1.Выявление новых свойств у уже известных традиционных материалов.

2.Улучшение комплекса свойств у традиционных материалов.

3.Создание новых материалов с особыми, зачастую уникальными свойствами.

Для государственной поддержки развития самых актуальных разработок периодически утверждаются Президентом РФ Приоритетные направления развития науки, технологий и техники в Российской Федерации. Например, перечень от 7 июля 2011 г. включает в себя следующие направления:

1) безопасность и противодействие терроризму;

2) индустрия наносистем;

3) информационно-телекоммуникационные системы;

4) науки о жизни; 5) перспективныевидывооружения, военнойиспециальнойтехники;

6) рациональное природопользование;

7) транспортные и космические системы;

8) энергоэффективность, энергосбережение, ядерная энергетика.

Классификация материалов по применению: конструкционные – несущие механическую нагрузку и функциональные – для работы в определенных условиях эксплуатации.

7

Ксовременным материалам предъявляются жесткие требования по функциональным свойствам:

1) высокая прочность,

2) сверхвысокая твердость,

3) сверхпластичность,

4) сверхпроводимость или полупроводимость,

5) жаропрочность, жаростойкость,

6) вакуумная стойкость,

7) упругость,

8) радиационная стойкость,

9) повышенная коррозионная стойкость.

Кновым функциональным материалам, способным обеспечить перечисленные выше высокие требования, относятся:

1.Аморфные металлы и сплавы*.

2.Композиционные материалы.

3.Металлокерамика (порошковые сплавы).

4.Твердые и сверхтвердые сплавы.

5.Пористые сплавы (пеноматериалы).

6.Монокристаллические материалы (металлы и сплавы).

7.Сверхчистые материалы (металлы и сплавы).

8.Сплавы с памятью формы*.

9.Жидкие кристаллы*.

10.Нанокристаллические материалы.

11.Сегнетоэлектрики и пьезокерамика*.

1.2.ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ

НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.Принцип периодичности – закономерное изменение свойств материалов в соответствии с периодичностью свойств составляющих их элементов (закон Д.И. Менделеева).

2.Принцип структурного дизайна – создание новых кристалличе-

ских структур на основе использования кристаллохимических особенностей элементов путем сочетания различных стандартных структурных блоков (супрамолекулярные, гибридные материалы, соединения внедрения в графит).

* Так называемые «smart» (умные) – материалы, которые реагируют на внешние воздействия и через управляющие устройства имеют обратную связь с источником воздействия.

8

3. Принцип химического, термодинамического и структурного подобия – предсказание свойств неизвестных материалов по аналогии

сих известными представителями.

4.Принцип непрерывности и соответствия компонентов равно-

весной системы, ограничения числа независимых параметров состояния в равновесной системе – использование правила фаз Гиббса для предсказания условий получения материалов.

5.Принцип структурного разупорядочения и непостоянства состава твердофазных соединений – существование равновесных и не-

равновесных дефектов, а также областей гомогенности по катионам и анионам во всех фазах, составляющих материалы (зависимость функциональных свойств от типа и концентрации дефектов – суперионики, полупроводники, высокотемпературные сверхпроводники).

6.Принцип химического, структурного и фазового усложнения состава – коррекция функциональных характеристик за счет легирования или создания композитов.

7.Принцип химической, гранулометрической и фазовой однород-

ности – создание высокогомогенных на уровне химического состава и размера зерен материалов с одним и тем же фазовым составом для любой анализируемой области (методы химической гомогенизации).

8.Принцип эквивалентности источников беспорядка в условиях минимизации свободной энергии (принцип А. Вейла) – твердофазный материал в равновесных условиях приобретает тот вид дефектов, который при наименьших энергетических затратах обеспечивает максимальное увеличение энтропии (уменьшение коэффициента термического расширения оксида кремния при легировании оксидом олова).

9.Принцип одинакового эффекта различных физико-химических воздействий – химическое модифицирование и различные энергетические (тепловые и нетепловые) воздействия, которые могут привести

кодному и тому же результату (получение сплавов расплавлением или механическим легированием в твердом состоянии).

10.Принцип неравноценности объема и поверхности (принцип И.В. Тананаева) – существование для материалов зависимости «состав – структура – дисперсность – свойство» (материалы с различным размером зерен).

11.Принцип синергетического эффекта различных физико-хими-

ческих воздействий – суммарный эффект различных воздействий может

9

приводить к качественно новому результату (совместное действие температуры и микроволн, ультразвука и температуры, механоактивация).

12. Принцип метастабильного многообразия – существование це-

лого ряда метастабильных материалов одного и того же состава, но со своим набором свойств (углеродные материалы).

1.3.СВОЙСТВА НАНОЧАСТИЦ

Кнаноматериалам условно относятся дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты,

блоки, кластеры и т.п.), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми функциональными и эксплуатационными характеристиками. Для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла, для магнитных свойств – размер однодоменного кристалла, для электропроводности – длина свободного пробега электронов.

К нанотехнологиям относят технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом:

–создавать и модифицировать наноматериалы,

–осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Особенность нанотехнологий – междисциплинарность. Причины развития наноиндустрии обусловлены:

–стремлением к миниатюризации изделий;

–уникальными свойствами материалов в наноструктурном состоянии;

–необходимостью разработки и внедрения материалов с качественно и количественно новыми свойствами;

–развитием новых технологических приемов и методов, базирующихся на принципах самосборки и самоорганизации;

–практическим внедрением современных приборов исследования, диагностики и модификации наноматериалов (сканирующая зондовая микроскопия);

–развитием и внедрением новых технологий, представляющих собой последовательность процессов литографии, технологий получения нанопорошков и т.п.;

–приближением к фундаментальным ограничениям (скорость света, соизмеримость наноструктурных элементов с длиной волны электрона и т.п.).

10