Nanometale

Cecha charakterystyczną nanometali jest nanometryczny rozmiar ziaren. Podobnie jak konwencjonalne materiały metaliczne są one polikryształami, z tą różnicą, że przynajmniej w jednym kierunku rozmiar ziaren nie przekracza 100 nm.

Mniejszy rozmiar ziaren powoduje zwiększenie powierzchni właściwej granic ziaren w jednostce objętości. Taka gęstość granic ziaren nadaje nanometrom unikatowe właściwości, których nie mają ich odpowiedniki w skali mikrometrycznej, np. w niskiej temperaturze Nanometale charakteryzują się bardzo dużą wytrzymałością, co związane jest z efektem umocnienia granicami ziaren. Ponadto nanometale można umacniać również cząstkami innej fazy.

Metody wytwarzania nanometali

Metody wywarzania nanometale można podzielić na dwie grupy:

-metody bottom up

-metody top- down

Metody bottom up polegają na budowaniu struktury nanometrycznej z pojedynczych atomów lub cząstek. Do metod tych zalicza się m.in. osadzanie z fazy gazowej lub ciekłej, nanokrystalizację z fazy amorficznej oraz konsolidację nanoproszków.

Metody top- down polegają na rozdrobnieniu struktury mikrometrycznej do skali nanometrycznej. W przypadku nanometali największą rolę wśród tych metod odgrywają metody dużego odkształcenia plastycznego.

Schemat 5.2 str 131

Właściwości nanometali

Zgodnie z zależnością Halla- Petcha: $\sigma_{y} = \sigma_{0} + \text{kd}^{\frac{- 1}{2}}$

Gdzie σ_y- granica plastyczności, σ₀, k- stałe równania, d- średni wymiar ziarna

Można oczekiwać, że znaczne rozdrobnienie ziarna spowoduje wzrost wytrzymałości materiału. Główną rolę odgrywa tutaj efekt umocnienia granicami ziarn. Umacniająca rola granic ziaren polega na tym, że są one barierami dla ruchu dyslokacji, powodując ich spiętrzanie się. Odkształcenie plastyczne nie może być kontynuowane, jeśli naprężenia osiągną wartość niezbędną do zainicjowania poślizgu w ziarnie sąsiednim. Wzrost właściwości wytrzymałościowych poprzez rozdrobnienie ziaren jest wręcz imponujący, np. dla aluminium umocnionym przez zgniot wartość Re wynosi 150MP, natomiast jeśli ziarno zostanie rozdrobnione do wielkości 25 nm, Re rośnie do 500MPa.

Rys 5.16 str 144

Rozdrobnienie ziaren jest znacznie bardziej intensywne w przypadku stopów o wyższej temperaturze topnienia oraz stopów aluminium, w których dodatki stopowe w znacznym stopniu ograniczają szybkość aktywowanych cieplnie procesów zdrowienia, rekrystalizacji i rozrostu ziarna.

Badania wykazały, że nanometale są bardzo podatne na duże zróżnicowanie rozmiarów ziaren. Parametrem charakteryzującym populację ziaren jest współczynnik zmienności rozkładu CV(d), który jest stosunkiem odchylenia standardowego od wartości średniej. Na rys. przedstawiono zmianę współczynnika CV(d) w zależności od wielkości ziarna. Im drobniejsze ziarno, tym większy współczynnik CV(d).

Rys 5. 17

Możliwości zwiększania wytrzymałości nanometali poprzez rozdrobnienie ziarna są ograniczone, dlatego stosuje się inne metody umocnienia. Najprostszym przypadkiem jest połączenie efektu umocnienia granicami ziaren i roztworowego. Atomy rozpuszczone w roztworze stałym zwiększaja naprężenie tarcia sieci, powodując poprawę wytrzymałości. Ponadto wpływają na rozdrobnienie ziarna. Innym sposobem poprawy właściwości wytrzymałościowych jest umocnienie cząstkami drugiej fazy (wydzieleniami i cząstkami dyspersyjnymi). Obecność cząstek drugiej fazy zwiększa odporność na odkształcenie plastyczne, poprzez blokowanie ruchu dyslokacji oraz hamowanie migracji granic ziarn. Efekt ten zależy od przykładem nanometali umacnianych cząstkami dyspersyjnymi są nanostale ferrytyczne umacniane tlenkami (tzw. stale ODS) do zastosowań w reaktorach termojądrowych.

Struktura nanometryczna metali jest strukturą niestabilną i łatwo ulega rozrostowi. Wynika do z ogromnej energii, jaka jest zmagazynowana w defektach struktury, głównie w granicach ziarn i dyslokacjach. Siła pędna rozrostu ziarna jest więc większa niż w konwencjonalnych stopach metali. Wydzielenia na granicach ziaren mogą w pewnym stopniu utrudniać migrację granic ziaren, jednak w przeciwieństwie do cząstek dyspersyjnych są one niestabilne i mogą same ulegać rozrostowi. Cząstki innych faz mogą mieć również negatywny wpływ na właściwości metali, obniżać odporność na pękanie i korozję. Wpływ ten zależy w dużym stopniu od wielkości wydzieleń. Im większe wydzielenia, tym bardziej negatywny wpływ na właściwości nanometali.

Nanometale w porównaniu do swoich konwencjonalnych odpowiedników charakteryzują się mniejszą plastycznością. Głównym problemem ograniczającym plastyczność nanometali jest ich słaba zdolność do umocnienia odkształceniowego. Na skutek nawet małego odkształcenia podczas rozciągania w próbce bardzo szybko tworzy się szyjka, a wydłużenie w wielu przypadkach nie przekracza 1- 2%.

Rozdrobnienie ziarna ma istotny wpływ na inne właściwości nanometali. Efekty uzyskiwane w przypadku metali ferromagnetycznych zostały opisane w dziale „Nanomateriały magnetyczne”.

Innym efektem rozdrobnienia ziarna jest podwyższenie temperatury Curie, zmniejszenie przewodności cieplnej oraz elektrycznej (wynikające głównie ze zwiększenia defektów struktury).

Skutkiem zmniejszenia rozmiarów ziarna może być wzrost szybkości dyfuzji po granicach ziaren, co z kolei wpływa na większą rozpuszczalność niektórych pierwiastków w osnowie, zmiana sekwencji wydzielania w stopach umacnianych wydzieleniowo czy też zanik uporządkowania strukturalnego w stopach uporządkowanych. Może też zmienić się kinetyka zjawisk zachodzących na powierzchni nanometali, czego efektem jest np. samorzutne narastanie warstw pasywnych na tytanie. Większa reaktywność i dyfuzyjność nanometali umożliwia szybkie tworzenia się i odbudowę warstw pasywnych, co zwiększa odporność na korozję.

Duże znaczenie ma zmniejszenie chropowatości powierzchni nanometali ze skali mikro na nano. Dzięki temu zwiększa się adhezja komórek do podłoża oraz biologiczna aktywność, co ma ogromne znaczenie w bioinżynierii i medycynie.

Zastosowanie nanometali

Środki transportu (przemysł lotniczy i samochodowy)

Głównym problemem stojącym przed producentami jest ograniczenie emisji zanieczyszczeń, zwłaszcza CO₂. Jednym ze sposobów jest zmniejszenie masy środków transportu, co można uzyskać przez stosowanie materiałów o większej wytrzymałości i mniejszej gęstości. Zastosowanie nanometali stwarza perspektywy zmniejszenia wymiarów i masy elementów konstrukcyjnych, co z kolei przyczynia się do zmniejszenia zużycia materiałów w procesie produkcyjnym i redukcji masy pojazdu.

Energetyka

Najpoważniejszym wyzwaniem dla energetyki jest poszukiwanie alternatywnych źródeł energii. Jednym z proponowanych rozwiązań jest synteza termojądrowa. Wymagania stawiane materiałom konstrukcyjnym na reaktory syntezy termojądrowej są niezwykle wysokie: materiał musi wytrzymywać długotrwałą pracę w wysokiej temperaturze (do 750°C), mieć niską temperaturę przejścia w stan kruchy, pod wpływem promieniowania ulegać degradacji tylko w ograniczonym zakresie. Na elementy konstrukcyjne reaktorów przewiduje się stale ferrytyczne umacniane tlenkami (ODS). Nanometryczne cząstki tlenku itru, którymi stal jest umacniana, mają zapewnić jej stabilność termiczną.

Bioinżynieria

Ze względu na dążenie do wydłużenia ludzkiego życia oraz poprawy jakości życia osób starszych zapotrzebowanie na produkty bioinżynierii ciągle rośnie. Jednocześnie wydłuża się wymagany czas „eksploatacji” produktów bioinżynieryjnych, np. implantów, co powoduje Konieczność ciągłego udoskonalania stosowanych rozwiązań. Obecnie w produkcji implantów metalicznych największą rolę odgrywają stopu tytanu. Mają one optymalne własności wytrzymałościowe, jednak pojawiają się problemy z biozgodnością tych stopów oraz ich odpornością korozyjną. Znacznie korzystniejsze pod tym względem wydaje się być stosowanie czystego tytanu, jednak ma on zbyt małą wytrzymałość. Rozwiązaniem tego problemu może być wytwarzanie nanostruktury w czystym tytanie. Podniesie to własności wytrzymałościowe jednocześnie zapobiegając problemom pojawiającym się w przypadku stosowania stopów tytanu.

Elektrotechnika

-miniaturowe urządzenia elektromechaniczne MEMS (micro elektro- mechanical system)

-przewody elektryczne

-nity