7. Nanotehnologia modificării suprafeței
7.1 Nanostructurarea suprafeței
Tehnologiile nanostructurării de suprafață, adică crearea în stratul de suprafață a materialului compactit al structurilor cu o scală caracteristică mai mică de
100 nm, s-au dezvoltat foarte rapid în ultimii ani. Varietatea metodelor utilizate pentru a crea nanostructuri de suprafață se extinde rapid.
Volumetric nanostructurarea materialelor, adică crearea de compacte nanostructurate, este un proces complex din punct de vedere tehnologic, însoțit de costuri mari de producție. Prin urmare, dezvoltarea tehnologiilor de nanostructurare de suprafață este deosebit de atractivă, a cărei punere în aplicare este mult mai simplă și necesită cheltuieli mai mici. În același timp, proprietățile de performanță ale produselor cu nanostructuri de suprafață diferă foarte puțin de proprietățile compacts nanostructurate. Astfel de cazuri includ tratamentul de întărire și antifricțiune a suprafețelor de frecare. rezistența la coroziune crescută etc.
Nu a rezolvat și problema creării condițiilor în produse nanostructurate de dimensiuni mari sau a pieselor cu geometrie complexe, materiale nanostructurate pot să nu funcționeze în mod eficient la temperaturi ridicate, este imposibil să se conecteze sudură sau lipire înseamnă, fără a reduce în mod semnificativ proprietățile mecanice.
Institutul de Fizică Forța și Știința Materialelor SB RAS (Tomsk) dezvoltă o nouă direcție științifică - materiale fiz. Studiile efectuate în această direcție au arătat că o creștere semnificativă a proprietăților de servicii ale materialelor de construcție (rezistență la oboseală, rezistență la fluaj, rezistență la căldură, rezistența la uzură) poate fi realizată prin formarea unui stat nanostructurat în stratul de suprafață al materialelor structurale și scule. Un solid deformabil este un sistem multi-nivel, ierarhic de auto-organizare în care stratul de suprafață este un subsistem funcțional important. Dacă este nanostructurat, deformarea plastică poate fi localizată într-un strat subțire de suprafață. La interfața din cauza diferențelor de mecanică, fizico-chimică, termică și alte caracteristici ale stratului de suprafață și substratul cu tensiune oscilant quasiperiodic cu o perioadă de oscilație. egală cu dimensiunea nanograinului. Rezultatul este o stare de stres-tulpina unui „tablă de șah“, cu tracțiune și compresiune. Valorile specifice ale tensiunilor și deformațiilor și distribuția acestora depind de grosimea stratului de suprafață și diferența proprietăților lor din proprietățile substratului.
Când se aplică o sarcină ciclică externă, deformarea plastică se va propaga numai în stratul de suprafață nanostructurat. Și fluxurile de defecte se întind pe celulele nanostructurii cu tensiuni de întindere, fără a crea o localizare periculoasă a deformării plastice și fără a penetra interiorul cristalului. Acest lucru crește în mod semnificativ rezistența la oboseală a materialului.
În prezent, metodele disponibile pentru suprafață nanostructurarii pot fi împărțite în trei grupe: nanozakalka suprafață (PNZ), nanostructurare suprafață periodică (nano-PPP) și nanostructurare deformarea suprafeței (PDN).
Nanoscala de suprafață este o tehnică în care o nanostructură dezordonată este formată într-un strat de suprafață prin răcirea rapidă și recoacerea ulterioară a structurii amorfe formate.
Este cunoscut faptul că se topesc la viteze mari de răcire (aproximativ 10 K luna iunie / s) formarea si dezvoltarea de noi nucleaŃie este încetinit considerabil, iar la o anumită valoare critică, și încetează cu totul. Structura cristalului nu este formată. În același timp, dacă viteza de răcire nu depășește valoarea critică, materialul va avea o stare nanostructurală. Într-o serie de cazuri, un transfer controlat al materialului din faza amorfă în faza cristalină poate fi utilizat pentru a obține proprietățile necesare (în special, pentru a crește rezistența la uzură). Astfel, prin stingerea mai întâi materialul stratului de suprafață este transferată în stare amorfă, iar apoi se efectuează recoacere, rezultând în cereale materialul în creștere și stratul de suprafață al materialului trece din starea amorfă în nanostructură.
Încălzirea materialului pentru o scară nanometrică poate fi efectuată prin iradiere laser de înaltă frecvență, tratare cu plasmă. inducție de înaltă frecvență, iradiere cu fascicule de electroni.
Institutul de curent mare Electronics SB RAS condusă de academicianul G. luni de muncă cu privire la crearea de tehnologii electron-ion-plasmă sunt menținute timp de două decenii. Un exemplu de utilizare practică RAS D ISE - tehnologia nanostructurare metalelor și aliajelor de suprafață cu energie scăzută fascicul de electroni în impulsuri [73].
Principiul modificării suprafeței fasciculului de electroni este destul de simplu. Expunerea la curent mare puls de electroni rezultate impulsuri fasciculului în încălzire, topire și recristalizare strat superficial subțire ultrarapide a produsului metalic, deoarece produsul în sine rămâne practic rece. Stratul de suprafață astfel modificat are o structură nanocristalină cu proprietăți unice: are o rugozitate inferioară a suprafeței, ceea ce permite folosirea tratamentului cu fascicul de electroni în loc de lustruirea mecanică a produselor. Un strat cu o stare nanocristalină a unei structuri multifazice protejează suprafața de coroziune. Procesarea instrumentului de tăiere pe un dispozitiv pulsator cu fascicul de electroni permite obținerea unui material cu proprietăți de înaltă rezistență, rezistență ridicată la sarcini de impact și ciclism termic. Tehnologia dezvoltată permite modificarea suprafeței sculei, realizată chiar și dintr-un astfel de material refractar. cum ar fi carbură de tungsten, în timp ce durata de viață a instrumentului este dublată.
Surface nanostructurarii periodice (nano-PPP) - procesul de creare a suprafeței rezonant și nerezonanți sub influența nanostructuri periodice femptosekundnogo nano- sau cu laser radiații.
Tehnologia dezvoltată recent suprafață nanostructurarii metal prin femtosecunde (1 fs = 10 -15 s) pulsuri de radiații polarizat.
In mod specific, studiile experimentale au arătat [74], care, sub acțiunea unei serii de impulsuri de radiație laser și fs nm are loc suprafață tungsten micro- și nanostructurare. Structurile rezultate rezonant periodice regulate sunt două loturi la scară spațială tipice: 500 nm (datorită interferenței luminii incidente cu plasmonii de suprafață) și 30 nm (vezi Figura 7 .76 ..). Scara de 500 nm este caracteristică regiunii centrale a suprafeței, scara de 30 nm este pentru regiunile periferice.
Figura 7 7 .76 Caracteristicile zonei centrale (stânga) și periferice (dreapta)
tungsten iradiat prin impulsuri femtosecond cu
program experimental (Fig .77 7.) este construit pe baza datelor privind dependența numărului de prag de impulsuri N *, necesară pentru a forma structuri de suprafață periodice (PPP) de către Q. Există N * - numărul de impulsuri primite pentru începerea formării de microstructuri, permițând în măsurători calorimetrice pentru a detecta anizotropia absorbției - diferența de absorbție a radiațiilor polarizate p și s. Valoarea 1 / N * caracterizează rata de formare a PPS. Din fig. 7 .77 implică faptul că, din moment J / cm2 și până la J / cm2, există creștere superlinear a ratei de formare a microstructurilor rezonante și la densități mari de energie - declin rapid.
Figura? 7? .77 dependența ratei de creștere a microstructurilor rezonante periodice 1 / N * pe suprafața tungsten asupra densității energiei radiației incidente Q
În prezent, este de mare interes practic să se dezvolte fundamentele fizice ale noilor metode de nanostructurare pentru suprafața unui număr de materiale de înaltă tehnologie, adică crearea de reliefuri unidimensionale și bidimensionale cu perioade caracteristice mai mici de 100 nm.
Soluția acestei probleme poate fi realizată pe baza utilizării instabilității suprafeței induse de laser care apare sub influența radiației nanosecunde în ultraviolete de vid (VUV). În particular, nanostructurarea directă cu laser a suprafeței poate fi realizată cu un laser F2 cu o lungime de undă de 157 nm.
În modificarea directă cu laser nanostructurare a profilului de suprafață este cel mai simplu - un singur fascicul laser, în loc de două (informații pentru a crea un model de interferență) și fără utilizarea structurilor de înregistrare, în plus față de fasciculul laser a acului unei forțe atomice și microscop de tunel, așa cum a fost într-un număr de mai întâi lucrează la nanostructurare. Studiile au arătat că există două tipuri de instabilitate a suprafeței - "rezonante" și "nerezonante". Pentru tipurile „non-rezonante“ de instabilitate se poate aștepta dezvoltarea de suprafață reliefuri nanoperiodami pentru procese cum ar fi evaporarea indusă de laser și depunere în absența unei topituri atunci când se utilizează materiale caracterizate prin difuzivitate termică redusă (10 -2 -10 -3 cm 2 / s) și coeficient ridicat absorbție (de ordinul a 10 6 cm-1) la o lungime de undă dată de 157 nm. Astfel de materiale includ grafitul, unele polimeri și ceramică.
Nanostructurarea deformațiilor de suprafață (PDN). PDN - utilizarea deformării plastice locale cu o valoare nanometrică și periodicitate. creat în stratul superior al piesei de prelucrat datorită unei anumite interacțiuni de contact a unei scule solide și netede (sub formă de bilă, disc, rolă sau altul) cu suprafața de tratat. Metodele PDN, în special, includ întărirea rigidității.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: