Nanokristallint material

Ett nanokristallint ( NC ) material är ett polykristallint material med en kristallitstorlek på bara några nanometer . Dessa material fyller gapet mellan amorfa material utan någon lång räckviddsordning och konventionella grovkorniga material. Definitionerna varierar, men nanokristallint material definieras vanligtvis som en kristallit (korn)storlek under 100 nm. Kornstorlekar från 100–500 nm anses vanligtvis vara "ultrafina" korn.

Kornstorleken för ett NC-prov kan uppskattas med hjälp av röntgendiffraktion . I material med mycket små kornstorlekar kommer diffraktionstopparna att breddas. Denna breddning kan relateras till en kristallitstorlek med hjälp av Scherrer-ekvationen (tillämplig upp till ~50 nm), en Williamson-Hall-plot eller mer sofistikerade metoder som Warren-Averbach-metoden eller datormodellering av diffraktionsmönstret. Kristallitstorleken kan mätas direkt med hjälp av transmissionselektronmikroskopi .

Syntes

Nanokristallina material kan framställas på flera sätt. Metoder kategoriseras vanligtvis baserat på materiens fas som materialet går igenom innan den nanokristallina slutprodukten bildas.

Solid-state bearbetning

Processer i fast tillstånd involverar inte smältning eller förångning av materialet och utförs vanligtvis vid relativt låga temperaturer. Exempel på processer i fast tillstånd inkluderar mekanisk legering med en högenergikulkvarn och vissa typer av svåra plastiska deformationsprocesser .

Vätskebearbetning

Nanokristallina metaller kan framställas genom snabb stelning från vätskan med en process som smältspinning . Detta ger ofta en amorf metall, som kan omvandlas till en nanokristallin metall genom glödgning över kristallisationstemperaturen.

Ångfasbehandling

Tunna filmer av nanokristallina material kan framställas med ångavsättningsprocesser som MOCVD .

Lösningsbearbetning

Vissa metaller, särskilt nickel och nickellegeringar , kan göras till nanokristallina folier med hjälp av elektroutfällning .

Mekaniska egenskaper

Nanokristallina material visar exceptionella mekaniska egenskaper i förhållande till sina grovkorniga varianter. Eftersom volymfraktionen av korngränser i nanokristallina material kan vara så stor som 30 %, påverkas de mekaniska egenskaperna hos nanokristallina material avsevärt av denna amorfa korngränsfas. Till exempel har elasticitetsmodulen visat sig minska med 30 % för nanokristallina metaller och mer än 50 % för nanokristallina joniska material. Detta beror på att de amorfa kornens gränsområden är mindre täta än de kristallina kornen och därför har en större volym per atom, $\Omega$ . Om man antar att den interatomära potentialen, $U(\Omega )$ , är densamma inom korngränserna som i bulkkornen, är elasticitetsmodulen, ${\displaystyle E\ propto \partial ^{2}U/\partial \Omega ^{2}} ,$ kommer att vara mindre i korngränsområdena än i bulkkornen. Således, via regeln om blandningar , kommer ett nanokristallint material att ha en lägre elasticitetsmodul än dess kristallina bulkform.

Nanokristallina metaller

Den exceptionella sträckgränsen hos nanokristallina metaller beror på förstärkning av korngränserna , eftersom korngränser är extremt effektiva för att blockera rörelsen av dislokationer. Eftergivenhet uppstår när spänningen på grund av dislokation hopar sig vid en korngräns blir tillräcklig för att aktivera glidning av dislokationer i intilliggande korn. Denna kritiska stress ökar när kornstorleken minskar, och denna fysik fångas empiriskt av Hall-Petch-förhållandet,

\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+Kd^{-1/2},

där $\sigma _{y}$ är sträckgränsen, $\sigma _{0}$ är en materialspecifik konstant som står för effekterna av alla andra förstärkningsmekanismer, $K$ är en materialspecifik konstant som beskriver storleken på metallens svar på kornstorleksförstärkning, och $d$ är den genomsnittliga kornstorleken. Dessutom, eftersom nanokristallina korn är för små för att innehålla ett betydande antal dislokationer, genomgår nanokristallina metaller försumbara mängder töjningshärdning, och nanokristallina material kan därför antas bete sig med perfekt plasticitet.

När kornstorleken fortsätter att minska uppnås en kritisk kornstorlek vid vilken intergranulär deformation, dvs korngränsglidning, blir mer energetiskt gynnsam än intragranulär dislokationsrörelse. Under denna kritiska kornstorlek, ofta kallad "omvänd" eller "omvänd" Hall-Petch-regimen, försvagar varje ytterligare minskning av kornstorleken materialet eftersom en ökning av korngränsytan resulterar i ökad korngränsglidning. Chandross & Argibay modellerade korngränsglidning som viskös flöde och relaterade materialets sträckgräns i denna regim till materialegenskaper som

\tau ={\bigg (}L{\frac {\rho _{L}}{M}}{\bigg )} {\bigg (}1-{\frac {T}{T_{m}}}{\bigg )}f_{g},

där $L$ är fusionsentalpin , $\rho _{L}/M$ är atomvolymen i den amorfa fasen, $T_{m}$ är smälttemperatur, och $f_{g}$ är volymfraktionen av material i kornen kontra korngränserna, givet av $f_{g}=( 1-\delta /d)^{3}$ , där $\delta$ är korngränsens tjocklek och typiskt i storleksordningen 1 nm. Den maximala hållfastheten hos en metall ges av skärningspunkten mellan denna linje och Hall-Petch-förhållandet, vilket vanligtvis uppstår runt en kornstorlek på $d$ = 10 nm för BCC- och FCC-metaller.

På grund av den stora mängden gränsytenergi som är förknippad med en stor volymfraktion av korngränser är nanokristallina metaller termiskt instabila. I nanokristallina prover av metaller med låg smältpunkt (dvs aluminium , tenn och bly ) observerades kornstorleken på proverna fördubblas från 10 till 20 nm efter 24 timmars exponering för omgivande temperaturer. Även om material med högre smältpunkter är mer stabila vid rumstemperatur, kräver konsolidering av nanokristallint råmaterial till en makroskopisk komponent ofta att materialet utsätts för förhöjda temperaturer under längre tidsperioder, vilket kommer att resultera i förgrovning av den nanokristallina mikrostrukturen. Således är termiskt stabila nanokristallina legeringar av stort tekniskt intresse. Experiment har visat att traditionella mikrostrukturella stabiliseringstekniker såsom korngränsnålning via segregering av lösta ämnen eller ökande koncentrationer av lösta ämnen har visat sig vara framgångsrika i vissa legeringssystem, såsom Pd-Zr och Ni-W.

Nanokristallin keramik

Medan det mekaniska beteendet hos keramer ofta domineras av brister, dvs porositet, i stället för kornstorlek, observeras även kornstorleksförstärkning i keramiska prover med hög densitet. Dessutom har nanokristallin keramik visat sig sintra snabbare än bulkkeramik, vilket leder till högre densiteter och förbättrade mekaniska egenskaper, även om utökad exponering för höga tryck och förhöjda temperaturer som krävs för att sintra delen till full densitet kan resultera i förgrovning av nanostrukturen.

Den stora volymandelen av korngränser som är förknippad med nanokristallina material orsakar intressant beteende i keramiska system, såsom superplasticitet i annars skör keramik. Den stora volymfraktionen av korngränser möjliggör ett betydande diffusionsflöde av atomer via Coble-krypning , analogt med korngränsens glidande deformationsmekanism i nanokristallina metaller. Eftersom diffusionskryphastigheten skalar som $d^{-3}$ och linjärt med korngränsdiffusiviteten, kan en förfining av kornstorleken från 10 μm till 10 nm öka diffusionskryphastigheten med cirka 11 storleksordningar . Denna superplasticitet kan visa sig vara ovärderlig för bearbetning av keramiska komponenter, eftersom materialet kan omvandlas tillbaka till ett konventionellt, grovkornigt material via ytterligare värmebehandling efter formning.

Bearbetning

Även om syntesen av nanokristallina råvaror i form av folier, pulver och trådar är relativt okomplicerad, innebär tendensen hos nanokristallina råvaror att förgrova vid långvarig exponering för förhöjda temperaturer att lågtemperatur- och snabbförtätningstekniker är nödvändiga för att konsolidera dessa råvaror till bulk komponenter. En mängd olika tekniker visar potential i detta avseende, såsom gnistplasmasintring eller ultraljudstillverkning , även om syntesen av nanokristallina bulkkomponenter i kommersiell skala förblir ohållbar.

Se även

A. Inoue; K. Hashimoto, red. (2001). Amorfa och nanokristallina material: beredning, egenskaper och tillämpningar . Berlin: Springer. ISBN 3540672710 .