2.6 Новые материалы

Роль новых материалов с каждым годом возрастает. По оценке американских экспертов в ближайшие 20 лет 90% современных материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к технической революции практически во всех отраслях техники. За последние годы в США стали использоваться тысячи марок новых и новейших материалов.

Существуют конструкционные и функциональные новые материалы, к последним относят:

- аморфные материалы, для получения которых необходимо охлаждать металлы со скоростью более миллиона градусов в секунду, после чего они приобретают структуру стекла и удивительное сочетание физико-механических и химических свойств;

- «интеллектуальные» или «умные» материалы, характерной особенностью которых является способность запоминать, отслеживать и возвращать деформацию и форму конструкции;

- интерметаллические материалы;

- композиционные материалы на металлической, полимерной или углеродной матрице;

- ультрадисперсные и нанофазные материалы, элементарный размер фрагментов структуры в которых составляет менее сотых и тысячных долей микрона;

- алмазноподобные сверхтвердые пленки;

- функционально-градиентные покрытия и др.

Особенность новых и новейших материалов, в отличие от традиционных, состоит в их более тесной взаимосвязи с технологией переработки в изделие. В ряде случаев процесс изготовления материалов и изделия из него составляет единое целое.

Большое число технологических методов обработки и технологических процессов (например, реактивная и инжекционная формовка, экструзия, сверхпластичная формовка, высокоскоростное охлаждение, порошковая металлургия, лазерные технологии, высокоэнергетическое ионноплазменное напыление и другие) интенсивно развивались в последние годы и в начале XXI века будут определять рынок высокотехнологичного оборудования.

О тенденциях развития мирового рынка новых материалов с 1980 по 2000г. свидетельствуют данные таблицы 30-31, которыми подтверждаются преобладающие темпы роста новейших материалов по сравнению с традиционными.

Вклад новейших конструкционных и функциональных материалов в стоимость перспективных видов вооружений и глубоководной техники составляют от 40 до 85%. Они являются опорной базой модернизации электроники, подводных лодок и новых типов кораблей и судов, ракетно-космической техники и авиации.

Таблица 30

Прогноз развития мирового рынка новых материалов

Новые материалы	Средние ежегодные темпы роста получения материалов (с 1980 до 2000 г.) %
Новые чугуны и стали	2.3
Цветные сплавы и новые металлы	3.8
Композиционные материалы	8.7
Конструкционная керамика	13.9
Функциональные материалы	12.0

Таким образом, не вызывает сомнения тесная связь между использованием новых материалов и конкурентной способностью промышленной продукции. Уровень разработки новых материалов в различных странах мира, составленный по данным экспертов США и стран Западной Европы, приведен в таблице 31.

Таблица 31

Относительный уровень разработки новых материалов

Наименование материалов	Страны НАТО	Япония	Россия и страны СНГ	Прочие страны
Конструкционные материалы	++++	++++	++++	++
Высокотемпературные материалы	++++	+++	++++	++
Материалы для защиты от электро-магнитных излучений и бронематериалы	++++	+++	+++++	++
Электронные, магнитные и оптические материалы	++++	++++	++	++
Материалы со специальными свойствами и био-молекулярные материалы	++++	++++	+	++

Особый класс новых материалов – наноструктурные материалы. На которых остановимся подробнее, так как их интенсивные разработки ведут и в Казахстане.

Наноструктурные материалы создаются с использованием нанотехнологий и обладает рядом уникальных свойствам. К этому классу относят материалы с размером структурных элементов менее 100нм.

По геометрическим признакам структурные элементы наноматериалов можно разделить на:

- нольмерные атомные кластеры и частицы;

- одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры (квантовые проводники, нанотрубки тонкие пленки);

- трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы (многослойные структуры с наноразмерными дислокациями, сверхрешетки, нанокластеры). 

В настоящее время широко используются следующие типы наноматериалов: нановолокна и нанотрубки, нанопленки и нанопокрытия, нанодисперсии и начинают получать все большее применение объемные наноматериалы – нанокристаллические и нанозернистые (с размером зерен менее 100 нм).

Свойства наноматериалов, как правило, отличаются от аналогичных материалов в массивном состоянии. Первые исследования наноматериалов показали, что в них изменяются, по сравнению с обычными материалами, такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии. У наноматериалов можно наблюдать изменение магнитных и электропроводных свойств. Для особо мелких материалов можно заметить изменение температуры плавления в сторону ее уменьшения.

По мере того как размер зерен или частиц становится все меньше и меньше, все большая доля атомов оказывается на границах или свободных поверхностях. Так, при размере структурных единиц 6 нм и толщине поверхностного слоя в один атом, почти половина атомов будет находиться на поверхности. Так как доля поверхностных атомов в наноматериалах составляет десятки процентов, ярко проявляются все особенности поверхностных состояний. Развитая поверхность оказывает влияние как на решеточную, так и на электронную подсистемы. Поведение наноматериалов определяется процессами на границе частиц или зерен. Появляются аномалии поведения электронов, квазичастиц (фононов, плазмонов, магнонов) и других элементарных возбуждений, которые влекут за собой изменения физических свойств, по сравнению с массивными материалами. Если считать, что зерна имеют сферическую форму, и полагать, что толщина слоя 1нм (это соответствует 2-3 атомным слоям для большинства металлов), то получаются следующие соотношения между диаметром зерна и объемной долей поверхностного слоя:

Диаметр зерна (частицы), нм……………… 100 50 25 20 10 6 4

Объемная доля поверхностного слоя,%....... 6 12 24 30 60 100 150

Обладая развитой поверхностью, материалы очень активны и охотно взаимодействуют с окружающей средой, прежде всего это касается металлических наноматериалов.

Уменьшение размера зерна металла с 10 микрон до 10 нанометров дает повышение прочности примерно в 30 раз. Добавление нанопорошков к обычным порошкам при прессовании последних приводит к уменьшению температуры прессования, повышению прочности изделий. При диффузионной сварке использование между свариваемыми деталями тонкой прослойки нанопорошков соответствующего состава позволяет сваривать разнородные материалы, в том числе некоторые трудносвариваемые сплавы металла с керамикой, а также снижать температуру диффузионной сварки.