Вступление
В данном реферате представлены результаты исследований в области высокого давления и в сфере наноструктурных материалов. Они, конечно же, играют важную роль в развитии материаловедения, поскольку на сегодняшний день очень важно получать материалы с заданными свойствами и контролируемой структурой. Передовые современные технологии, помимо прочего, также включают в себя нанотехнологии, которые, несомненно, есть неотъемлемой частью любого технического прогресса.
Представленный обзор сфокусирован на возможных достижениях новых типов сверхтвердых материалов, что могут быть спроектированы с помощью атомно-уровневого структурного контроля, который разрабатывает высокие свойства твердости.
Существенную роль в приготовлении микроструктурных материалов играет решение тематических проблем в теории технологических процессов [2].
В большом разнообразии технологических процессов, применяемых для приготовления наноструктурных материалов, важно знать технологию малых частиц. Эта технология близка к традиционной порошковой металлургии (включающей технологию высокотемпературной оксидной и неоксидной керамики). Однако, применение наноразмерных частиц, оказывает большой эффект на главные взаимодействия в развитии дисперсных систем, на пути от собрания свободных частиц до монолитного наноструктурного материала.
Так в источнике [1] изучено влияние давления на ограниченные состояния для примесей с кулоновским потенциалом и потенциалом короткого действия. Результаты исследований показали, что под давлением в каждом материале наблюдались метастабильные эффекты, вследствие состояний крепко присоединенных к решетке. Предположена подобная природа всех этих случаев и приведен эффект давления на изоэлектронные «ловушки» и переход примесей металла.
Главный эффект примененного гидростатического давления к полупроводникам – это уменьшить постоянную его решетки. Этот эффект наблюдался для образца, около 0,7 % при 1 ГПа в CdTe – но этого было достаточно, чтобы произвести заявленные изменения электронной структуры. Примесь или дефект в полупроводнике ведет к формированию ограниченных электронных структур (состояний примеси).
Также даны результаты магнито-оптического излучения CdTe/CdMnTe сверхрешеток полумагнитных полупроводников под высоким давлением. Фотолюминисценция (ФЛ) CdTe/CdMnTe сверхрешетки изучалась при давлениях выше 4,1 ГПа, где наблюдался фазовый переход. Фотолюминисценция изучалась выше этого давления и стремилась к высокой энергии с давлением при 66 меВ/ГПа. Этот результат близок к теории. Магнитные поля уменьшают запрещенную зону препятствий полумагнетика CdMnTe и это уменьшает ФЛ энергию. Зависимость давления от этого эффекта расширена, для возможности обеспечения точной проверки теории полумагнитных материалов и суперрешеток.
1. Полумагнитные полупроводники CdMnTe, (Hg, Fe) Se и (Hg, Mn) Te
Даные полумагнитные полупроводники на основе CdMnTe, обладают таким свойством, при котором энергетическая запрещенная зона полностью зависит от внешнего магнитного поля. Это происходит благодаря прочному парамагнетизму ионов Mn. Кроме чисто физического интереса – это, также, чисто технологические преимущества для устройств с возможностью настроить запрещенную зону.
Также известно об обмене сопротивляемости в разбавленных магнитных полупроводниках (Hg, Fe) Se и (Hg, Mn) Te, вызванном давлением. Электрическое сопротивление измерялось на образцах Hg
Fe
Se и Hg Mn Te для х ≤ 6,30, как функция давления 7,0 ГПа. Оба материала кристаллизуются в В3 структуру при атмосферном давлении и комнатной температуре и относятся к классу материалов известных как разбавленные магнитные полупроводники. При повышенных давлениях, HgTe подвергается фазовому изменению из В3 к В9 фазе, которая сопровождается повышением электрического сопротивления на несколько порядков магнитуды. Результаты показывают, что повышенное х в каждом материале, служит, для повышения В3–В9 перехода давления. Таким образом, частичная замена Hg – связей посредством Fe-Se и Mn-Te, соответственно, повышает стабильный ряд В3 фазы. В сборнике материалов [1] присутствует информация об анализе и проектировании полупроводниковых устройств, примененной нагрузки. Применялось гидростатическое давление к группе IV и группе III – V полупроводниковых систем и механизмов. Внутренние потери механизмов в полупроводниковых лазерах, разработаны для оптических информационных волокон, определяемых примененным гидростатическим давлением. Также определено, как «врожденное» напряжение в квантовой яме и структурах сверхрешетки, может быть использовано для того, чтобы создавать много улучшенных устройств. Предположены критические горячие перемещения «транспортера» скоплений фотодиодов в кремнии и германии, исследованных под гидростатическим давлением и, кроме того, вероятные улучшения в деформированных Si, Ge и SiGe-ых сплавах. Когда гидростатическое давление применяют к группе IV и группе III–V полупроводников и их сплавам, главная запрещенная энергетическая зона возрастает повсюду в зоне Бриллона, однако по отношению к максимуму диапазона валентности коэффициенты давления составляют около +10 меВ/кБар, +5 меВ/кБар и -1 меВ/кБар для точек Г, L, X, соответственно.
Изучение спектроскопии высокого давления состояний дефекта в IV–VI полупроводниках [1], показало, что в исследованных образцах металл-изолятор было обнаружено превращение, вызванное давлением и были определены параметры радиоиндуцированных резонансных диапазонов.
Халькогениды свинца имеют высокую плотность внутренних точечных дефектов, вследствие отклонений от стехиометрических соединений. В соответствии с теоретическими данными Пареда и Тратта, энергетические уровни этих дефектов резонансны и расположены в допустимых диапазонах. Волков и Панкратом на основании цифровых подсчетов спрогнозировали, что в Pb
Sn Te(Se) сплавах некоторых соединений, уровни вакансий могут быть расположены в пределах диапазона. 2. Развитие наноструктурного материаловеденья
В последние 10-15 лет возрос интерес к наноструктурным материалам (НМ). В США, Национальная Нанотехнологическая Инициатива получила первый приоритет в науке и технологии в FV 2001 и значительный рост в финансировании. Упомянуто три фактора [2], сопровождающих пик исследуемых работ в области нанотехнологии как целой, и в области наноматериалов – в особенности.
Первое – необходимо иметь интерес и цель, для достижения высокого уровня физических, механических и химических свойств (и, следовательно, высокие эксплуатационные характеристики) в наноструктурном соединении. Некоторые наноструктурные материалы, такие как наноструктурные твердые сплавы, наноструктурная Ni-вая фольга, магнитный сплав Финемет и др., успешно созданы для промышленности.
Второе – тема нанотехнологии и наноматериалов. Действительно, это междисциплинарная проблема для физиков, химиков, материаловедов, биологов и специалистов в науках Земли.
Третье – эта тема обнаружила некоторые пробелы в наших пониманиях природы нанокристального состояния и его частичной реализации. Это привело к широкой сфере изучений, множеству конференций и большому потоку публикаций.
В нашей стране, в меру недостаточного финансирования и проблем с промышленным использованием нано-материаловеденья (поскольку большая часть предприятий работает по технологиям, отработанным годами еще при Советском Союзе), преимущество в разработке нано-структурированных новых материалов и нано-дисперсных порошков отдано технологиям малых частиц с их дальнейшим применением.
Можно выделить последующие три, главные стадии в технологии малых частиц:
- исходное уплотнение частиц через осаждение в жидкой или газовой среде, под действием гравитационного, электростатического и других полей, предназначается для получения сырого тела;
- предварительный нагрев предназначен для устранения каких-либо технологических примесей (связующего вещества, смазочного материала, остатка жидкости и др.) и при исходном спекании; исходное формирование «канавок» между частицами делает сырое изделие прочнее и жестче;
- окончательное спекание при достаточно высокой температуре, которое дает в результате – уплотнение материала и образование его микроструктуры в соответствии с требуемыми функциями.
Упомянутые стадии не отличаются от тех, которые обычно свойственны технологии порошковых материалов (металлических и керамических), особенно если применяется шликерное литье или инжекционное литье.
Тем временем, как это и было зафиксировано выше, новые явления, присущие упомянутым стадиям, должны быть взяты в рассмотрение, при оптимизации технологического процесса, как полного.
Когда малые частицы выпадают в осадок, ван-де-воловское взаимодействие сил между частицами существенно приводит к адгезии частиц и понижает плотность упаковки. Так, спонтанное объединение малых частиц играет важную роль в образовании мезоструктуры внутри сырого тела.
Нагревание скопления малых частиц ведет не только к быстрому росту межчастичных сужений, но также к коагуляции и процессу объединения в ультрадисперсной системе, что может решительно нарушить кинетику уплотнения и развитие структуры при высокотемпературном спекании.
Окончательно, стадия высокотемпературного спекания нанозернистого и нанопористого тела, ожидаемого из промежуточной стадии, имеет много специальных свойств, таких как особая тенденция к частичной усадке и образованию множества пор. В этом случае мезоструктура, образованная первой технологической стадией, становится важной впоследствии.
При окончательной стадии спекания и при высокой плотности нанозернистого тела наблюдается крутая зависимость среднего размера зерна от двух абсолютно разных пористых структур – от геометрии и топологии пор.
3. Избирательное лазерное спекание
Одним из методов получения материалов является Избирательное лазерное спекание (ИЛС), представленное в [2].
ИЛС – нетрадиционный процесс спекания, который состоит из укладки тонкого слоя порошка на подложку и спекании его под падающим лучом лазера, сканирующим на поверхность. Избирательное лазерное спекание, как правило, метод быстрой фототипии деталей и изделий, то есть применяется для производства матриц, посредством компьютерного полуавтоматического проектирования и последующего послойного изготовления. Главное требование к финальному продукту, это соответствие между проектировочными геометрическими размерами и размерами реального изделия. Так, сущность ИЛС применения начало широко использоваться в индустрии, как только ДТМ корпорация спроектировала и изготовила несколько типов лазерных установок, работающих в 50-ти металлургических компаниях. Материалы, как правило, применялись для быстрой фототипии поликарбонатов, воска, чистого и стеклонаполненного нейлона и металлов. Керамические фототипы производятся избирательным лазерным спеканием смесей, содержащих связующее вещество, низкую точку плавления полимера и керамического порошка, высокую точку плавления компонента. Далее связующее вещество удаляют, отжигая в атмосфере.
В последнее время, было исследовано альтернативное лазерное спекание технически пригодное для производства мультикомпонентной керамики. Вместо полимера или поликарбонатных связующих были использованы некоторые композиты с низкими точками плавления эвтектики и перитектики. Так, процесс был основан на фундаментальном принципе лазерного спекания, как процессе жидко-фазного спекания с высоким количеством жидкости (выше 50 об.%). Таким образом, компоненты, температуры плавлений которых отличаются от сотни продуманных степеней подходят для ИЛС.
Преимущество этого процесса то, что какая-нибудь деталь может быть изготовлена без механизма давления. Модель может выйти из комплекса, включающего интервал углублений и переданного с помощью компьютерной системы. Другая заманчивая особенность лазерного спекания – это возможность комбинирования материалов и композитов с разными типами химических связей.
4. Исследование наноструктурных металлических пленок
Немаловажную роль в изучении наноструктурных материалов играет исследование наноструктурных металлических пленок. Так в статье источника [3] описан синтез полиола (высокомолекулярного спирта), также его характеристика и свойства. Наноструктурные металлические пленки были осаждены, вследствие применения метода полиола. Это вызвано уменьшением компонента металла в дефлегмацию гликоля этилена. Известно, что наноструктурные материалы могут показывать уникальные свойства, которые возникают из размерного эффекта и межфазно-поверхностного эффекта. Наноструктурные пленки и покрытия нашли много современных применений. Применение химической обработки годное для осаждения, не только на плоскостной, но также на неплоскостной и невидимой поверхностях. Металлическая пленка может быть синтезирована использованием водного электролиза и электроосаждения. Если основа или осажденный материал восприимчивы к водному осаждению, могут быть использованы неводные методы. Таким образом, применяли неводный электролизо-полиольный процесс для осаждения наноструктурных металлических пленок. Этот метод предварительно применяли для изготовления микронных и наноразмерных порошков.
Это вызывает растворение твердого состояния, уменьшение ионов металла и осаждение порошков металла в дефлегмацию гликоля этилена. В этом процессе гликоль этилена действует как растворитель и восстановительная добавка. Осаждение пленки может происходить на подходящем проводнике и подложках изолятора в данном простом одношаговом процессе, без всякой обработки поверхности перед осаждением, такой как катализация поверхности изолятора, что требуется в традиционном электролизном покрытии. Были исследованы образцы на полиольное осаждение наноструктурных металлических пленок, составная часть ацетатов металла была отложена в гликоле этилена и нагревалась смесь до температуры дефлегмации ГЭ до 194 °С. Подложка была вертикально подвешена в смеси и время осаждения было подсчитано из позже достигнутой температуры дефлегмации.
В последнее время широко применяются традиционные и новые материалы для барьерных покрытий [3]. В данной статье описана обработка, микроструктура и свойства систем стандартного термического покрытия, основанных на 7-8 % итрия, стабилизирующего цирконий и обработанного электролучевым физическим паровым осаждением (ЭЛ ФПО) или атмосферным плазмовым распылением (АПР). Также обсуждалась ограниченная температурная способность при возрастающей температуре поверхности, выше 1200 °С, вследствие спекания и неполной стабильности фазы.
Область развития термических барьерных покрытий привлекает интерес многих различных международных исследовательских групп. Это показывает большое количество статей, которые печатаются по этой теме.
Система термического барьерного покрытия содержит в большинстве случаев – основу, так называемое связующее покрытие, и окончательное изоляционное – для множества видов керамики – верхнее покрытие. Все эти компоненты реагируют друг с другом или окружающей средой в большей или меньшей степени, и/или они подвергаются нежелательным изменениям, вследствие термо-механических обработок на протяжении операции.
Применение систем термического барьерного покрытия в газовых турбинах или дизельных двигателях ведет к улучшению производительности. Изоляционный слой может обеспечивать снижение температуры металлической основы, что дает в результате повышенную износостойкость компонента.
Альтернативно, рост производительности может быть достигнут позволенным ростом входных температур турбины. В течение типичной задачи полета, температура металлической поверхности уменьшается от 1017 °С к 966 °С, вследствие применения 200 мкм ТБП с низкой теплопроводимостью. Низкая теплопроводимость ведет к уменьшению температуры основы. Одновременно температура покрытия поверхности растет от 1190 °С к 1260 °С. Данный пример показывает причины для главных сфер развития в области ТБП. Это исследуется для того, чтобы улучшить изоляционную способность покрытий через уменьшение теплопроводимости.
В сборнике [3] представлена статья на тему наноструктурные углеродные покрытия на карбиде кремния.
5. Наноструктурные углеродные покрытия
Нанотехнология признана, как развивающаяся технология нового столетия. Контроль структуры материалов по наношкале может открыть возможности для развития наноструктурных материалов с контролируемыми свойствами, если соотношение структура/свойства известно. Здесь описывался метод, который может производить широкий ряд потенциально важных наноструктур углерода, что может быть использовано в будущих технологиях. Наноструктурные углеродные покрытия могут быть достигнуты любым осаждением из газовой фазы на основу или обработкой поверхности углеродосодержащей основы. Этот метод полный, хотя извлечение металлов из карбидов (SiC и TiC) производилось хлорной или хлорно-водородной смесями. Эта универсальная технология, вследствие разнообразия углеродных структур, может быть достигнута на поверхности углеродов в вышеупомянутых реакторах. Могут быть покрыты не только простые формы, но также волокна, порошки и компоненты с комплексом форм и морфологической поверхностью. Эта технология позволяет контролировать рост покрытия на атомном уровне, монослой около монослоя, с высокой точностью и контролируемыми структурами.
В этой работе, структура и свойства углеродных покрытий достигнутые на поверхности углерода исследуются трансмиссионным электронным микроскопом (ТЭМ). Молекулярная динамика (МД) была использована для того, чтобы моделировать рост углеродных покрытий на SiC и производить данные сравнимые с результатами ТЭМ. Моделирование может обеспечить руководство, для понимания механизма роста и потенциально возможных структур углерода.
Упорядоченный и разупорядоченный графит, нанопористый углерод и твердые пленки углерода могут быть образованы на поверхностях SiC, зависимых от температуры и газовых соединений.
Углеродные покрытия могут быть использованы: как трибологические покрытия, имеющие низкий коэффициент трения, для различных применений, от большегрузных деталей к микро-электро-механическим системам (МЭМС); защитное покрытие для датчиков и инструментов, промежуточные тонкие пленки для дальнейшего химического парового осаждения (ХПО) алмаза, слабые покрытия на SiC упрочнениях для композитных материалов, покрытия на SiC порошках для улучшенной спекаемости, носители катализатора и молекулярные оболочки.
6. Производство микроструктурных материалов
Микроструктурные материалы также могут использоваться для микроструктурного контроля термических свойств, как это описано в статье источника [3].
Перед многими другими свойствами наноструктурных материалов такими как, их механическое поведение, термические свойства переноса получили значительно меньше внимания. Эта область открыта сравнительно недавно, для привлечения всеобщего внимания материаловедов. Хорошо известно, что обычные поликристальные материалы типично показывают меньшую теплопроводимость, чем малодефектные одинокие кристаллы идентичного материала. Несколько исследователей недавно осознали причину, приведшую к значительному понижению теплопроводимости в наноструктурных материалах, и это дало важные улучшения в поведении, что дало возможность применять их как термические барьерные покрытия. Недавно начато изучение размерно-зерновой зависимости теплопроводимости в итрий-стабилизированном цирконии (ИСЦ), чаще используемого как термический барьерный материал. Исследования проводились, чтобы определить возможность использования наноструктурных компонентов в будущих образованиях, т.е. в качестве ТБП. Хотя понижение размерно-зерновой зависимости от теплопроводимости может быть желательным для термических барьерных применений, другие применения, включающие микроструктуры по наномерной шкале, где наблюдается удерживание высокого коэффициента теплоты перехода – не желательно. К примеру, постоянное направление по отношению к миниатюризации в микро-электронной промышленности возникает в результате повышенной локализации тепловых нагрузок с сопровождающим нарастающим термическим управлением проблемами. Охлажденные системы, основанные на жидкостях, откачиваемых через горячие теплообменники, стали неосуществимыми, когда размеры компонента понизились по наномерной шкале. Развитие новых твердо-фазных «тепловых труб» с высокой теплопроводимостью, синтезируемых, к примеру, из тонкой пленки наноструктур алмаза, может обеспечить важные преимущества, если наноструктурная обработка оптимизируется для поддержания достаточных коэффициентов теплового переноса.
Роль микроструктуры в управлении свойствами теплового переноса в наноструктурных материалах обсуждено с ударением на важные эффекты размера зерна в регулировании проводимости теплового переноса, через изменения в скорости звука, удельной теплоты, или фононной средне-свободной траектории.
7. Нанопорошковые технологии
Важным аспектом в нанотехнологиях, является возможность получать из нанопорошков полезные для промышленности материалы, к примеру, от наноразмерных порошков к преобразователю дизельной сажи.
Уменьшение выделения дизельной сажи в системах вытяжки может быть выполнено посредством захвата частиц соответствующим фильтром, и тогда очищенные стены фильтра выжигают сажу. Новый проект электрохимического реактора для фильтрации и дальнейшего сжигания частиц сажи представлен в [3].
Так реактор состоит из пор, кислородных ионов проводящего материала, покрытых каталически-активными, электроно-проводимыми эектродами, электрическими связями и внешним запасом мощности.
Промышленный процесс высокой пористости, ионо- и электронопроводимости монолитов керамики (тип функционально-классифицированного материала) из наноразмерных порошков посредством экструзии и технического покрытия описан в деталях в данном источнике. Оптимизация различных и прежде противоречивых свойств развитых пор материала, предполагает формирование особой микроструктуры, характеризующейся очень высокой пористостью, между 75 – 80 %, и низким падением давления до 15 МБар. Пора в развивающемся материале характеризуется бимодальным распространением: микрометрическим (100 –300 мкм) и нанометрическим (20 – 100 нм) в размере. Покрытие электрода с толщиной 6 – 8 мкм срастается с ceria-gadoline материалом очень хорошо, специально для большей разности в коэффициентах термического расширения между ними. Коммерческие наноразмерные порошки используются для промышленной основы монолитной структуры, а также как заложенное функциональное покрытие.
8. Наноструктурная керамика
Наноструктурная керамика – это материалы с характеристикой градации длины, которая составляет порядка несколько нанометров, обычно 1 – 10 нм. Наноструктурные керамики могут быть близко или далеко от термодинамического уравнения. Свойства нанокерамик отклоняются от тех одиноких кристаллов или крупнозернистых поликристаллов и/или стекол с таким же средним составом. Мотивация для промышленности и значительного изучения нанокристальной керамики лежит в ее уникальных свойствах. Поведение нанокристального керамического материала доминирует результатами при границах зерна, благодаря факту, что длиннейшая фракция атомов существует на границах зерна. Поэтому нанокристальная керамика может пластично деформироваться и значительно скользить по границам зерен.
Так, «сверхпластичная деформация» - это, в отличие от обычного хрупкого поведения, характеристика коммерческой керамики. Благодаря множеству границ зерна, нанокристальная керамика также использовалась, как связующий агент твердого состояния, чтобы объединить вместе другие большие зерна материалов керамики при умеренных температурах. Как результат этого, нанокристальная керамика продумана так, чтобы обладать низкой теплопроводимостью. Объяснение этого феномена заключается в том, что теплопроводимость прямопропорциональна к средней свободной длине фононов. Кроме того, в нанокристальных размерах зерна, где расстояние между сближенными границами зерен измеряются по нанометрической шкале, границы зерна могут также многозначительно способствовать процессу рассеивания.
Другое характерное свойство нанокерамики – это его низкая твердость по сравнению к ширине зерна керамики при комнатной температуре и склонность к трещине несравненно меньшая. Основные преимущества нанокерамики, соответствующие обычному микроразмеру керамики – это возможность смешивания различных порошков керамики на наноразмерном уровне, поэтому, гомогенность окончательного материала лучше и решительно понижается температура спекания, которую нужно применять, чтобы достичь полное уплотнение керамического материала, из-за высокой свободной удельной поверхности нанокристальных порошков. Благодаря их высокой удельной поверхности, нанокристальная керамика характеризуется чрезвычайно низкой величиной плотностей, прочной агломерацией, имеет высокую активность спекания и показывает высокую реакционную способность, в частности с неоксидными нанофазовыми порошками. Расходы нанопорошков также, однако, очень высоки, благодаря производству продукции для специального заказчика. Производство больших количеств сверхтонких порошков, возможно, поэтому приводит в результате к снижению их цен.
Выводы
Из вышеупомянутых исследований можно сделать вывод, что нанотехнологии являются еще до конца не исследованными, но очень перспективными областями в науке и технике. Множество публикаций, предложенных исследователями с разных стран, лишь подчеркивает значительную роль наноструктурных компонентов. Возможность применения НМ в качестве термических барьерных покрытий, говорит о высоком уровне требуемых свойств данных материалов. Это, безусловно, гарантирует использование изделий из них в различных областях промышленности, что немаловажно для развития науки.