Получение наноматериалов с использованием твердофазных превращений

В последнее время разработан ряд методов получения наноматериалов, в которых диспергирование осуществляется в твердом веществе без изменения агрегатного состояния.

Контролируемая кристаллизация из аморфного состояния является одним из способов получения массивных наноматериалов. Метод заключается в получении аморфного материала, например, закалкой из жидкого состояния, а затем его кристаллизацией в условиях контролируемого нагрева.

Данным способом можно получать наноматериалы,склонные к аморфизации, к которым относятся различные сплавы переходных металлов с неметаллами, например.Fe-B. Fe-Si, Fe-Si-B.Fe-Cr-B, Fe-Mo-Si-B.Ti-Ni-Si,Ni-P, Fe-Cu-NbВ.

Получаемые в результате процесса размеры кристаллитов зависят от природы материала и вида термообработки. Так,размер зерна в селене гексагональной модификации в зависимости от температуры отжига имел величину от 13 до70 нм, а в сплаве Fe-Mo-Si-B— от 15 до 200 нм.

Метод контролируемой кристаллизации из аморфного состояния имеет ряд неоспоримых достоинств:

-возможность получения пленочных и объемных нано- иаморфно-кристаллических материалов;

-изготовление беспористых материалов.

Однако данный способ имеет весьма существенные ограничения:

-по составам, которые доступны аморфизации; -по размерам получаемой продукции.

Создание наноструктур возможно также способом облучения сплавов высокоэнергетнческими частицами. В результате радиационного воздействия происходит формирование дислокационных петель и их перестройка в субграницы и границы нанокристаллов. Облучение проводится ионами Кг с энергией 1,5 МэВ при температурах 500-700 °С на установке, совмещающей электронный микроскоп и ускоритель ионов.Формирование наноструктуры осуществлено на аустенитных сталях Х15Н15МЗТ1 и Х16Н8МЗ. Размер зерен наноматериалов составил 20-85 нм.

Измельчение структуры материала до наноразмеров может быть достигнуто способом циклических превращений. Метод заключается в многократных охлаждениях материаладо низких температур, например жидкого азота, и последующем медленном нагреве до температур (0,4^0,5)7'_П1. Как показали исследования, в сплавах Н32 и Н2ХТ1 в метастабильных аустенитных фазах при циклической термообработке осуществляется прямое и обратное а-у-а мартенситное превращение, которое приводит к появлению множественных разориентировок кристаллитов в каждом исходном зерне.При этом достигается измельчение до 10- 20 нм.

При разработке еще одного способа создания наноматериалов использовано упорядочение нестехиометрических соединений. Впервые формирование наноструктуры с помощью атомно-вакансионного упорядочения нестехиометрических соединений было реализовано в карбиде ванадия VC_0,87. Данный карбид является сильно нестехнометрическим соединением и в неупорядоченном состоянии содержит в неметаллической подрешетке до 50% структурных вакансий. В определенный момент при понижении температуры высокотемпературная решетка становится неустойчивой, и в нестехиометрическом материале происходит фазовый переход. Он приводит к образованию упорядоченных фаз со сложными сверхструктурами. Если охлаждение осуществлять быстро, то процесс упорядочения не будет успевать закончиться, и материал останется в метастабильном неупорядоченном состоянии. Поскольку параметры решеток неупорядоченной и упорядоченной фаз различаются, в материале возникают напряжения, которые с течением времени приводят к растрескиванию кристаллов по границам раздела неупорядоченной и упорядоченной фаз. Регулируя размеры кристаллитов упорядоченной фазы, можно получить нанонорошки нестехиометрических соединений.

Данным способом получены нанопорошкн карбида ванадия VC_0,87, в которых кристаллиты имели форму искривленных лепестков с диаметром 400 600 нм и толщиной15-20 нм.