Conference PaperPDF Available

ОСНОВНИ МЕТОДИ ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА НАНОПРАХОВЕ И ОБЕМНИ НАНОМАТЕРИАЛИ ЗА МАШИНОСТРОЕНЕТО MAIN TECHOLOGIES FOR PRODUCTION OF NANOPOWDERS AND BULK NANOMATERIALS FOR MECHANICAL INDUSTRY ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА НАНОПОРОШКОВ И ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ

Authors:

Abstract and Figures

During the last years a new materials generation enters in the world market to satisfy the more and higher requirements in different branches of mechanical industry – the nanomaterials. They are used in the form of nanopowders, nanolayer coatings, nanostructured bulk materials and nanocomposites. Because of the quite different nanomaterials' properties compared to the volume materials and their huge variety a lot of production methods exist continuously developing. In the present paper the technologies for producing of nanopowders and bulk nanostructured materials are discussed. The nanopowders are produced by chemical, physical and mechanical methods. The peculiarities, application and development of the mostly used processes are represented: precipitation from colloid solution, thermal decomposition, plasma-chemical and mechano-chemical synthesis. Two approaches exist for obtaining of bulk nanomaterials – producing from particular nanoparticles and as a result of matrix nanostructuring. Three main methods are used in the practice – compacting of ultrafine powders by powder metallurgy, controlled crystallization of amorphous materials, obtained by melt quenching and severe plastic deformation of materials by equal-channel angular pressing. 1. Въведение През последните две десетилетия в целия свят с бързи темпове се развиват нанотехнологиите и производството на наноматериали. Това се налага от бурното развитие във всички сфери на живота. Изследването на природните богатства и усвояването им в Далечния север и в морските дълбочини изискват използването на материали с висока корозионна устойчивост, запазващи механичните си свойства при ниски температури и висока влажност. В самолето-и ракетостроенето са необходими материали с ниска относителна маса и високи механични свойства, работещи при високи температури и налягания. В различни отрасли на машиностроенето предпочитани са материали, които съчетават висока твърдост и висока степен на пластичност. В редица случаи изискванията са взаимно изключващи се и не могат да се постигнат чрез използване на конвенционални материали. Това дава тласък на развитието на нова генерация материали – наноматериалите. За първи път терминът "наноматерили" и концепцията за тяхното производство са въведени от Г.Глейтер през 1989г. [1]. В началото този термин се използва предимно за нано-кристални материали, след това за наноструктурни, нанофазни материали и нанокомпозити. Наноматерилите са материали, на които един от размерите е по-малък от 100nm (0,1µm), или е в обхвата между 1-100nm [1-3]. Поради малките размери наночастиците имат твърде голяма повърхност в сравнение с техния обем. По-голямата част от техните атоми са разположени по границите или по свободните повърхности. Това води до повишаване на повърхностната им енергия, съответно и на тяхната активност. Появяват се аномалии в поведението на електроните и на другите градивни частици на атомите, които водят до изменения на физичните свойства на наноматериалите в сравнение с масивните материали. Частиците в нанометровия обхват се подчиняват на законите на квантовата физика, което съществено изменя техните механични, оптични и електрични свойства [1,4]. Параметърът на кристалната решетка и силата за откъсване на електроните се променят. Температурата на топене на много метали с наноструктура се понижава с десетки проценти. Металите в наноструктурно състояние няколкократно повишават своята якост в сравнение с едро-кристалните. За разлика, обаче, от стандартните методи за уякчаване, при които пластичността съществено се понижава, при наноструктурните метали пластичността се съхранява. Значително се понижава модулът на еластичност, повишават се коефициента на дифузия, електросъпротивлението, демпфиращите свойства. Наличието на голямо количество вътрешни граници в обемните наноматериали води до значително изменение на скоростта на миграция и на рекристализация [1,2,4,5]. За първи път през 1974г. японският учен Taniguchi използва термина "нанотехнология" [6,7]. Американският National Nanotechnology Initiative (NNI) определя нанотехнологията като "разбиране и контрол на материята при размери от около 1 до 100 нанометра, където уникалните свойства позволяват нови приложения" [8]. Към тях се отнасят и технологиите за производство на наноматериали, които са в зависимост от вида и предназначението на съответния материал, непрекъснато се развиват, усъвършенстват и се създават нови. Целта на настоящата статия е да се направи обзор на методите, използвани понастоящем за производство на нанопрахове и обемни наноструктурни материали, предназначени за машиностроенето.
No caption available
… 
Content may be subject to copyright.
ОСНОВНИ МЕТОДИ ЗА ПРОИЗВОДСТВО НА
НАНОПРАХОВЕ И ОБЕМНИ НАНОМАТЕРИАЛИ ЗА
МАШИНОСТРОЕНЕТО
MAIN TECHOLOGIES FOR PRODUCTION OF NANOPOWDERS AND
BULK NANOMATERIALS FOR MECHANICAL INDUSTRY
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПРОИЗВОДСТВА НАНОПОРОШКОВ И
ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ ДЛЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
Assoc.Prof. Dr Eng. Dikova Ts.
Faculty of Dental Medicine, Medical University of Varna, Bulgaria
E-mail: tsanka_dikova@abv.bg
Abstract: During the last years a new materials generation enters in the world market to satisfy the more and higher requirements in
different branches of mechanical industry the nanomaterials. They are used in the form of nanopowders, nanolayer coatings,
nanostructured bulk materials and nanocomposites. Because of the quite different nanomaterials’ properties compared to the volume
materials and their huge variety a lot of production methods exist continuously developing.
In the present paper the technologies for producing of nanopowders and bulk nanostructured materials are discussed. The nanopowders
are produced by chemical, physical and mechanical methods. The peculiarities, application and development of the mostly used processes
are represented: precipitation from colloid solution, thermal decomposition, plasma-chemical and mechano-chemical synthesis.
Two approaches exist for obtaining of bulk nanomaterials producing from particular nanoparticles and as a result of matrix
nanostructuring. Three main methods are used in the practice compacting of ultrafine powders by powder metallurgy, controlled
crystallization of amorphous materials, obtained by melt quenching and severe plastic deformation of materials by equal-channel angular
pressing.
Keywords: NANOPOWDERS, BULK NANOMATERIALS, PRODUCTION TECHNOLOGIES, MECHANICAL INDUSTRY
1. Въведение
През последните две десетилетия в целия свят с бързи
темпове се развиват нанотехнологиите и производството на
наноматериали. Това се налага от бурното развитие във всички
сфери на живота. Изследването на природните богатства и
усвояването им в Далечния север и в морските дълбочини
изискват използването на материали с висока корозионна
устойчивост, запазващи механичните си свойства при ниски
температури и висока влажност. В самолето- и ракетостроенето
са необходими материали с ниска относителна маса и високи
механични свойства, работещи при високи температури и
налягания. В различни отрасли на машиностроенето
предпочитани са материали, които съчетават висока твърдост и
висока степен на пластичност.
В редица случаи изискванията са взаимно изключващи се
и не могат да се постигнат чрез използване на конвенционални
материали. Това дава тласък на развитието на нова генерация
материали наноматериалите. За първи път терминът
”наноматерили” и концепцията за тяхното производство са
въведени от Г.Глейтер през 1989г. [1]. В началото този термин
се използва предимно за нано-кристални материали, след това
за наноструктурни, нанофазни материали и нанокомпозити.
Наноматерилите са материали, на които един от размерите е
по-малък от 100nm (0,1µm), или е в обхвата между 1-100nm [1-
3]. Поради малките размери наночастиците имат твърде голяма
повърхност в сравнение с техния обем. По-голямата част от
техните атоми са разположени по границите или по свободните
повърхности. Това води до повишаване на повърхностната им
енергия, съответно и на тяхната активност. Появяват се
аномалии в поведението на електроните и на другите градивни
частици на атомите, които водят до изменения на физичните
свойства на наноматериалите в сравнение с масивните
материали. Частиците в нанометровия обхват се подчиняват на
законите на квантовата физика, което съществено изменя
техните механични, оптични и електрични свойства [1,4].
Параметърът на кристалната решетка и силата за
откъсване на електроните се променят. Температурата на
топене на много метали с наноструктура се понижава с десетки
проценти. Металите в наноструктурно състояние
няколкократно повишават своята якост в сравнение с едро-
кристалните. За разлика, обаче, от стандартните методи за
уякчаване, при които пластичността съществено се понижава,
при наноструктурните метали пластичността се съхранява.
Значително се понижава модулът на еластичност, повишават се
коефициента на дифузия, електросъпротивлението,
демпфиращите свойства. Наличието на голямо количество
вътрешни граници в обемните наноматериали води до
значително изменение на скоростта на миграция и на
рекристализация [1,2,4,5].
За първи път през 1974г. японският учен Taniguchi
използва термина „нанотехнология” [6,7]. Американският
National Nanotechnology Initiative (NNI) определя
нанотехнологията като „разбиране и контрол на материята при
размери от около 1 до 100 нанометра, където уникалните
свойства позволяват нови приложения” [8]. Към тях се отнасят
и технологиите за производство на наноматериали, които са в
зависимост от вида и предназначението на съответния
материал, непрекъснато се развиват, усъвършенстват и се
създават нови.
Целта на настоящата статия е да се направи обзор на
методите, използвани понастоящем за производство на
нанопрахове и обемни наноструктурни материали,
предназначени за машиностроенето.
2. Видове наноматериали за машиностроенето
В зависимост от формата и размерите наноматериалите се
подразделят на нулмерни (0D), едномерни (1D), двумерни (2D)
и тримерни (3D). При нулмерните - размерите и в трите
направления са в нанообхвата. Към тях спадат квантовите
точки, кластерите, наночастиците на различните твърди тела,
колоидните разтвори (золи), микроемулсиите. Едномерните
материали са влакнести материал, при които двата размера са в
нанообхвата, а в третото направление имат по-голям размер.
Това са нанонишките, тънките влакна, много тънки капиляри и
пори, квантовите проводници, нанотръбите. При двумерните
нанообекти размерът само в едното направление е в
нанообхвата, а в другите две размерите са по-големи. Към тях
спадат тънките филми, едно- и многослойни покрития,
адсорбционни моно- и полислоеве на повърхността на раздела
на фазите. Тримерните обекти са обемни поликристали,
зърната на които имат сравними размери, по-малки от 100nm,
във всичките три направления [2,4]. В машиностроенето се
използват както нанопрахове, така и влакнести наноматериали,
нанослоеве и обемни наноматериали.
Произвеждат се нанопрахове на различни метали, техните
оксиди, карбиди, нитриди и карбонитриди. Те се прилагат за
наномодифициране на сплавите в процеса на леене и при
дифузионно заваряване и спояване за понижаване на
температурата на процесите и получаване на монолитни
съединения между разнородни материали. При производството
на нанокомпозити се използват за пълнители, при което се
получават леки материали с повишени физико-механични
свойства. Нанокомпозитите може да се армират с нановлакна и
нанонишки на различни оксиди и въглеродни нанотръби с или
без модифицирана повърхност. Нанопраховете служат за
суровина при изработването на различни видове
износоустойчиви или корозионноустойчиви покрития и на
обемни наноструктурни материали чрез синтероване, които са
с няколкократно повишени твърдост, якост и експлоатационни
свойства. Обемните наноматериали се получават и
посредством интензивна пластична деформация, при които
повишената твърдост се съпровожда със запазена пластичност
[1,2,4,5,9].
3. Методи за производство на наноматериали
Наноматериали може да се получат като се използват два
основни подхода - производство „от горе-надолу” или „от
долу-нагоре”. При технологиите за наноструктури „от горе -
надолу” се започва от плътен материал, от който чрез различни
технологии (разтрошаване, смилане) се обарзуват нано-
структурни елементи. Докато технологиите „от долу-нагоре” се
основават на управление на атомите и молекулите. При тях
първо се образуват наноструктурните елементи и след това те
се асемблират в окончателно изделие. Те включват химичен
синтез, самоасемблиране, позиционно асемблираме. При
използване на технологии “от горе надолу” се получават
частици с неправилна форма и големина не по-малка от 100nm.
Освен това оборудването е сложно и скъпо. Наночастиците,
получени посредством технологии “от долу-нагоре” са с
правилна, предимно сферична форма, и размери в границите на
1-100 nm. Изборът на метод за получаване на наноматериалите
се определя предимно от тяхното приложение и от
необходимите свойства.
3.1. Технологии за производство на прахове
Под “прах” се разбира съвкупност от намиращи се в
съприкосновение индивидуални твърди тела (или техни
агрегати) с не големи размери от няколко нанометра до
хиляди микрони. При изработването на наноматериали за
суровини се използват ултрадисперсни прахове, т.е. частици с
размери не по-големи от 100nm, а също и прахове с по-голяма
едрина, получени при интензивно раздробяване.
За получаване на нанопраховете се използват основно три
групи методи химични, физични и механични, като тяхното
разделяне е условно [4,5]. При химичните методи, след
въздействие отвън на изходните вещества от други вещества и
физични фактори се разкъсват старите връзки между атомите и
възникват нови. При физичните - изходните вещества се
подлагат на действието на външни физични фактори, предимно
топлина, като механичните може да се разглеждат като техен
частен случай.
Химичните методи на синтез включват различни реакции
и процеси – на отлагане, термично разлагане или пиролиза,
газо-фазни химични реакции, хидролиза, електроотлагане и др.
Начините на изпарение (кондензация) или газо-фазов синтез за
получаване на нанопрахове, основани на изпарение на метали,
сплави или оксиди с последваша кондензация в реактор с
контролирана атмосфера и температура, спадат към физичните
методи. Механичните методи представляват раздробяване на
материалите по механичен начин в мелници от различен тип
топкови, планетарни, центробежни, вибрационни и др. По този
начин може да се получат наночастици от крехки материали
метали, керамика, полимери, оксиди, като степента на
издребняване зависи от вида на материала. В зависимост от
условията на получаване нанопраховете може да имат
сферична, хексагонална, гнездовидна или иглеста форма и
аморфна или дребно-кристална структура.
Утаяването от колоидни разтвори е първият метод за
получаване на дисперсни наночастици – още в началото на 19в.
М.Фарадей е успял да получи колоиден разтвор на злато [2].
Същността на метода се състои в химична реакция между
компонентите на разтвора и в прекратяването на реакцията в
определен момент от време, след което дисперсната система се
привежда от течно колоидно в дисперсно твърдо състояние.
Нанокристалните оксиди на металите (Ti, Zr, Al, It) може да се
получат чрез хидролиза на техните хлориди или хипохлориди.
Плазмохимичният синтез е един от най-разпространените
за получаване на ултрадисперсни частици на нитриди, карбиди,
бориди, оксиди и на трудно-топимите метали W и Mo [1,2,5].
Нагряването и изпарението на материала се осъществява в
нискотемпературна плазма при температури 6000-8000оК,
което осигурява висока степен на пресищане и високи скорости
на реакциите и на кондензационните процеси. Използват се
както дъгови плазмотрони, така и високо- и свръхвисоко-
честотни (СВЧ) генератори на плазма. Изходните продукти са в
газообразно, течно (разтвори на соли) и твърдо състояние и
представляват метални хлориди, метални прахове, силициеви и
метал-органични съединения. За получаване на нанопрахове на
волфрамови карбиди е разработен оригинален двуетапен
процес, който включва плазмохимичен синтез на
ултрадисперсна многофазна система W-C и ниско-
температурен синтез на еднофазен волфрамов монокарбид от
тези прахове [10]. Първият етап се осъществява в плазмено-
дъгова уредба, разработена в ИМЕТ-РАН, а вторият етап – в
тръбни пещи в среда от водород. За да се избегне
рекристализационно нарастване на зърната на карбида по
време на синтеза е необходимо много внимателно да се
подберат неговите условия температура и време.
Един от многообещаващите методи за синтез на
наночастици е паро-фазовото разлагане на метал-органични
съединения, защото позволява да се получат продукти
практически с всякакъв химичен състав в широк диапазон от
размери и концентрация на легиращите елементи [11].
Процесът се реализира в реактор с непрекъснат процес, който
може да се използва за промишлено производство.
Синтезирани са метални ( Fe, Co, Ni, Cu и др.), керамични
(карбидни, оксидни) и композитни наночастици. Освен това
при синтез на метални наночастици във въглеродна атмосфера
има възможност да се получат нанокапсули, покрити с
въглерод или карбиди. Технологията на термично разлагане на
метални оксалати позволява не само да се получат
ултрадисперсни прахове с развита повърхност без примеси, но
и дава възможност да се регулират дисперсността и
относителната повърхност на частиците чрез промяна
параметрите на процеса температура на разлагане и скорост
на нагряване и охлаждане [12]. Колкото е по-ниска
температурата на процеса на термично разлагане, и скоростите
на нагряване на изходната сол и на охлаждане на получените
продукти са по-високи, толкова по-големи са дисперсността и
относителната повърхност на металните частици. Трябва да се
отбележи, че по-голямата скорост на охлаждане в сравнение
със скоростта на нагряване води до по-голяма дисперсност.
Механохимичният синтез е типичен представител на
технологиите „от горе-надолу”. Основа на процеса е
механичната обработка на твърди смеси в мелници, атритори и
дуги диспергиращи машини, в резултат на която става
издребняване и пластична деформация на материалите,
ускорява се масопреносът, осъществява се смесване на
компонентите на атомно ниво и се активира химично
взаимодействие на твърдите реагенти [2,5]. Механосинтезът
може да се раздели на два процеса: механично раздробяване и
механично сплавяване. При първия се извършва механично
раздробяване и аморфизация на изходния материал, а при
втория се образуват сплави и съединения в резултат на
химични реакции, които протичат или при взаимодействие на
изходните прахове или в резултат от насищане с газова фаза.
При тази технология се получават ултрадисперсни прахове с
различен състав, но чистотата на получените продукти не
винаги е висока и има ограничение в минималния размер на
частиците. Тъй като много от реакциите имат екзотермичен
характер, това може да доведе до самопроизволно протичане на
процесите. За да се избегне се използват различни агенти за
техния контрол. При производството на наночастици от PbS в
планетарна мелница такава роля играе стеариновата киселина
[13]. Но е установено, че най-голямо влияние върху размера на
получените частици оказват не контролиращия агент или
продължителността на обработката, а оборотите на мелницата.
Посредством механохимичния синтез се получават не само
ултрадисперсни прахове, но и прекурсори за тяхното
производство. По този начин е синтезиран магнезиев
хидроксид хлорид, от който посредством термично разлагане
се получени наночастици на феритни материали–MgFe2O4 [14].
Независимо от използвания метод при наночастиците се
появява една характерна особеност склонността им към
обединяване и образуване на агрегати и агломерати [4,5].
Разликата между двата типа обединени частици е тази, че при
агрегатите кристалитите са по-здраво свързани и има по-малка
междукристална порестост в сравнение с агломератите.
Агрегатираните и агломерирани частици затрудняват
получаването на компактни материали – необходими са по-
големи усилия и по-високи температури на спичане за
преодоляване на силите на агломерация.
3.2. Технологии за производство на обемни
наноматериали
Съществуват два подхода за получаване на обемни
наноматериали производство от отделни наночастици или в
резултат на наноструктуриране на матрицата. Понастоящем
практическото изпълнение се осъществява чрез използване на
три основни метода: компактиране на ултрадисперсни прахове,
контролирана кристализация на аморфни материали и
интензивна пластична деформация на материали с нормален
размер на зърната [2,4,5,15-17].
При компактирането на ултрадисперсните прахове се
използват всичките известни технологии в праховата
металургия, включващи пресоване и спичане, различни
варианти на горещо пресоване и горещо екструдиране [2,5]. Но
при пресоване на тези прахове има слаба уплътняемост поради
значителното влияние на силно развитата повърхност и на
характеристиките на триене между частиците. Режимите за
спичане на обикновени заготовки не може да се използват при
наноматериалите, защото трябва да се запази изходната
наноструктура. За тази цел са разработени методи на високо-
енергетична консолидация, при които се използват високи
статични и динамични налягания и умерени температури,
които позволяват да се задържи нарастването на зърната.
Изучени са различни варианти на спичане на наноструктурни
титанови карбиди TiC горещо пресоване, спичане в среда от
водород, във вакуум или спичане чрез редуване на вакуум и
налягане [10]. При използване на технологията с горещо
пресоване се получават образци с размер на зърната 0,1-0,4μm,
докато при всички други методи техният размер е по-малък от
0,5μm. За да се повиши плътността и да се запазят нано-
размерите на зърната в някои случаи се използва горещо
изостатично пресоване, а в други – синтероване на два етапа
при различни температури и със сравнително високи скорости
на нагряване и охлаждане [15]. В зависимост от изходните
прахове и параметрите на процеса по време на спичането може
да протече синтез на нови уякчаващи фази. На тази основа е
разработена нова технология за производството на
диамантено-фулеритен инструмент [16]. Матрицата от прах с
размери на зърната от 16-20nm се изработва посредством
механично легиране на железни прахове с въглерод и други
легиращи елементи. Наноструктурният прах се смесва с
дисперсни прахове на Ni, TiC и диамант със зададени размери.
Химичният състав и параметрите на спичане осигуряват
необходимата хомогенност на твърдия разтвор на Ni в Fe
(фиг.1). Създадената по такъв начин матрица е метастабилна и
при работа претърпява фазови превръшания, които водят до
самоуякчаване. Режимите така са подбрани, че позволяват
едновременно със спичането да протече синтез на метал-
фулерити с параметър на решетката около 12-14 ангстрьома. В
зависимост от начина на получаване и скоростта на охлаждане
фулерените или техните производни може да изпълняват
функцията на твърда смазка или на уякчаваща фаза.
При контролираната кристализация от аморфно състояние
аморфни материали се подлагат на контролируемо
рекристализационно отгряване като се управлява процеса на
зараждане и нарастване на кристалитите. По този начин може
да се получат наноматериали с кристалити с размери около и
по-малки 10-20nm. Методите за получаване на аморфни
материали са добре разработени - кондензация от газова фаза,
закаляване от течно състояние и др. [2,5,20]. В зависимост от
условията на закаляване от течно състояние може да се
различат три вида наноструктури :
Пълна кристализация непосредствено в процеса на
закаляване от стопилката и образуване на едно- или
многофазна както поликристална структура, така и
наноструктура.
Кристализацията в процеса на закаляване протича
непълно и се образува аморфно-кристална структура.
Закаляването от стопилката води до образуване на
аморфно състояние, което се превръща в наноструктура само
при следваща термична обработка.
Микроструктура от първия вид или така наречения микро-
нанокомпозитен материал се получава при закаляване от течно
състояние на Al-Fe-Si-V сплав [21]. Легирането на
евтектичната Al-Si сплав с около 1% антимон води до отделяне
на нова интерметална фаза-AlSb при нагряване на получения
микро-нанокомпозит и до допълнително повишаване на
неговата твърдост [22]. За да се интензифицират процесите на
нанострктуриране стопилката се модифицира с нанопрахове,
които служат за допълнителни центрове на кристализация.
Фиг.1 Технология за изработване на наноструктурен
диамантено-фулеритен инструмент [19].
Фиг. 3 Етапи на получаване на наноструктура на Ti в процеса на равноканално ъглово пресоване [27].
Освен това така получените сплави винаги се подлагат на
допълнителна термична или деформационна обработка, която
да осигури образуване на нанофрагменти в твърдата матрица в
процеса на разпадане на твърдия разтвор или диспергиране на
структурата. [23-25].
Формирането на наноструктура на обемни метални образци
може да се осъществи посредством интензивна пластична
деформация (ИПД). В основата на метода лежат явления,
придружаващи пластичната деформация на кристалите
натрупване на дислокации и тяхната самоорганизация в
широкоъглови граници на зърната, натрупване на точкови
дефекти и дефекти на опаковката [2,17,24]. Две са основните
технологии за производство на обемни наноматериали чрез
ИПД: усукване при високо налягане и равноканално ъглово
пресоване (фиг.2) [2,5,15,16]. При усукването под високо
налягане в дисковите образци се създава деформация чрез
приплъзване. Тя обикновено се регулира от броя на оборотите:
при мед, деформирана посредством 2, 3 и 4 оборота, средният
размер на зърната е около 162nm, 150nm и 85nm съответно.
Този метод позволява да се постигне достатъчно висока степен
на деформация за сметка на многократна обработка, но не
осигурява еднородно разпределение на напрегнатото и
деформационно състояние в целия обем. Докато при
равноканалното ъглово пресоване формирането на еднородна
структура се постига чрез използване на стационарен процес на
деформация, основан на схемата на обикновено приплъзване
(фиг.3). Същността му се състои в пресоване на заготовка през
два канала с еднакво напречно сечение, пресичащи се под ъгъл
от 90-150о. Полученият материал е в еднородно напрегнато-
деформационно състояние като напречните размери на
заготовката не се променят. Най-целесъобразно е да се
използват ъгли близки до 90о, при които се достига най-високо
ниво на интензивност на деформацията при незначително
нарастване на контактното триене [2,15,26]. Разработени са
нови процеси на ИПД – непрекъснато равноканално ъглово
пресоване и равноканално ъглово пресоване с паралелни
канали [27,28]. В процеса на ИПД може да се използва и
деформцията при валцоване. На тази основа е разработен метод
за непрекъснатото производство на масивни листови
материали, който се нарича акумулиращо съединяване чрез
валцоване (фиг.2-в)[30, 31]. Методите на ИПД се използват за
формиране на свръхдребнозърнеста микроструктура за
различни метали – Al Mg, Ti и техните сплавите, аустенитни
стомани [32,33]. Те дават възможност за получаване на плътни
заготовки с разнообразна форма и значителни размери, които
намират приложение в самолето- и автомобилостроенето,
машиностроенето и дори за импланти в медицината и
стоматологията.
4. Заключение
За задоволяване на все по-високите изисквания на различни
отрасли на машиностроенето през последните години навлиза
нова генерация материали наноматериалите. Те намират
приложение под формата на нанопрахове, нанослойни
покрития, наноструктурни обемни материали и нанокомпозити.
Поради различните свойства на наноматериалите в сравнение с
обемните материлаи и тяхното голямото многообразие
съществуват редица методи за тяхното производство, които
непрекъснато се развиват и усъвършенстват.
В настоящата работа са разгледани технологиите за
производство на нанопрахове и на обемни наноструктурни
материали. Нанопраховете се получават посредством химични,
a) б) в)
Фиг. 2 Схеми на основните видове на ИПД: а)- усукване при високо налягане, б)-равноканално ъглово пресоване и
в)- акумулиращо съединяване чрез валцоване [31].
физични и механични методи. Отразени са особеностите,
приложението и развитието на най-често използваните
процеси: утаяване от колоидни разтвори, термично разлагане,
плазмохимичен и механохимичен синтез.
За получаването на обемни наноматериали съществуват два
подхода – производство от отделни наночастици или в резултат
на наноструктуриране на матрицата. Практическото
изпълнение се осъществява чрез три основни метода:
компактиране на ултрадисперсни прахове посредством
технологията на праховата металургия, контролирана
кристализация на аморфни материали, получени чрез
закаляване от течно състояние и интензивна пластична
деформация на материали с нормален размер на зърната,
извършена чрез равноканално ъглово пресоване.
5. Литература
1. Ковшов А. Н., Назаров Ю.Ф., Ибрагимов И.М., Основы
нанотехнологии в технике, Москва,ИЦ „Академия”,2009, 238с.;
2. Гусев А.И., Наноматериалы, наноструктуры,
нанотехнологии, Издание второе, исправленное, Москва,
ФИЗМАТЛИТ, 2009, 416с.;
3. Colvin V., Potential Risks of Nanomaterials and How to Safely
Handle Materials of Unceratin Toxicity,
http://web.mit.edu/environment/ehs/topic/nanomaterial.html ;
4. Карабасов Ю.С., Новые материалы, Москва, МИСИС,
2002, 736с.;
5. Андриевский Р.А., Рагуля А.В., Наноструктурные
материалы, Москва, Academia, 2005, 192с.;
6. Tolfree D., Commercialising Nanotechnology Concepts-
Products-Markets, Int.J.Nanomanufacturing, Vol.1, №.1, 2006,
p.117-133;
7. Нанотехнология в ближайшем десятилетии, Прогноз
направления исследований, перевод с английского, Москва,
Мир, 2002, 295с.;
8. Maynard An., Nanotechnology, Overview and Issues,
Nanotechnology: Toxicological Issues and Environmental Security,
Springer, 2007, 276 p;
9. Дикова Ц., Перспективи за приложение на наноматериали
в машиностроенето, VI МК „Машини, технологии,
материали”, 18-20 Февруари 2009, София, България, Том 3,
Материали, с.7-11;
10. Цветков Ю.В., Благовещенский Ю.В., Самохин А.В. и др.,
Наноструктурные твердые сплавы для создания инструмента
с повышенными эксплуатационными свойствами,
Rusnanotech’08”, www.rusnanoforum.ru ;
11. Рудской А.И., Нанопорощковые материалы: химический
синтез и применение, “Rusnanotech’08”, www.rusnanoforum.ru ;
12. Люшинский А.В., Джанджгава Г.И., Нанопорошки
металлов для диффузионного соединения разнородных
материалов, Rusnanotech’08”, www.rusnanoforum.ru;
13. Achimovicova M., Mockovciakova A., Dutkova E.,
Mechanochemical Synthesis of PbS Evaluated by Statistical
Factorial Design Method, Nanoscience and Nanotechnology, Issue
9, 2009, p.29-32;
14. Cherkezova-Zheleva Z., Krstic J., Paneva D. et al,
Mechanocemical Synthesis of Nano-Sized Ferrite Materials,
Nanoscience and Nanotechnology, Issue 9, 2009, p.33-36;
15. Валиев Р.З., Александров И.В., Наноструктурные
материалы, полученные интенсивной пластической
деформацией, М.: Логос, 2000, 272с.;
16. Wild G., Boueharata N., Hebert R., Rosner A., Valiev R., New
ways to obtain bulk nanostructured materials, Materials Science
and Engineering: A, Vol. 449-451, 25 March 2007, p.825-828;
17. Мулюков Р.Р., Объемные наноматериалы в
машиностроении будущего: методы получения, свойства и
перспективы применения, Rusnanotech’08”,
www.rusnanoforum.ru ;
18. Hasanuzzman M., Rafferty A., Olabi A.G., Prescott T.,
Sintering and Characterization of Nano-Sized Yttria-Stabilized
Zirconia, Int.J.Nanoparticles, Vol.1, No.1, 2008, p.50-64;
19. Оглезнева С.А., Наноструктурированный алмазно-
фуллеритовый инструмент, Rusnanotech’08”,
www.rusnanoforum.ru ;
20. Глезер А.М., Объемные наноструктурированные
материалы, полученные закалкой из расплава,
Rusnanotech’09”, www.rusnanoforum.ru
21. Yaneva S., Stoichev N., Manescu A. et al, Influence of
Solidification Rate on the Phase Constitution of Nano-Sized
Intermetalics in Al-Fe-Si-V Alloys, Nanoscience and
Nanotechnology, Issue 8, 2008, p.180-185;
22. Stoichev N., Stefanov G., Lazarova M., Yaneva S., Influence of
Antimony on Structure Changes in Nano-Area of Rapidly Solidified
Al-Si Alloys, Nanoscience and Nanotechnology, Issue 9, 2009,
p.185-188;
23. Титова Т.М., Титова Е.С., К решению проблемы создания
нанотехнологии и нанопродукции в металлургии,
Rusnanotech’08”, www.rusnanoforum.ru ;
24. Горынин И.В., Рыбин В.В., Малышевский В.А., Хлусова
Е.И., Физическая природа явления фрагментации: применение
в промышленом производстве конструкционных сталей,
Rusnanotech’08”, www.rusnanoforum.ru ;
25. Wilde G., Boucharat N., Hebert R. et. al, New Ways to Obtain
Bulk Nanostructured Materials, Material Science and Engineering:
A, Vol. 449-451, 25 March 2007, p.825-828;
26. Valiev R.Z., Estrin Y. et al., SPD Processes: a Pathway to Bulk
Nanomaterials, JOM 58 (4) 33 (2006);
27. Estrin Y., Ultrafine Grained Materials for Biomedical Implants,
Rusnanotech’09”, www.rusnanoforum.ru
28. V.M. Segal, S.V. Dobatkin, R.Z.Valiev (eds), Metally, izv.
RAN, 2004;
29. R.Z.Valiev, T.G.Langdon: Progr. Mater. Sci, 2006;
30. Цуи Н., Уникальные механические свойства
наноструктурных металлов, Rusnanotech’08”,
www.rusnanoforum.ru ;
31. Zenji Horita, Top-down Approach for Production of Advanced
Nanostructured Materials Using Severe Plastic Deformation,
Rusnanotech’09”, www.rusnanoforum.ru ;
32. Valiev R.Z., Islamgalieva R.K., Semenova I.P., Superplasticity
in Nanostructured Materials: New Chalenges, Material Science and
Engineering: A, Vol. 463, Issue 1-2, 15 August March 2007, p.2-7;
33. Dobatkin S.V., Rybalchenko O.V., Raab G.I., Structure
Formation, Phase Transformations and Properties in Cr-Ni
Austenitic Steel after Equal-Channel Angular Pressing and
Heating, Material Science and Engineering: A, Vol. 463, Issue 1-2,
15 August March 2007, p.41-45;
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Conference Paper
Full-text available
During the past decade nanostructure materials have been used more and more in different branches of industry, because of their qualitatively new properties they possess. In metallurgy alloys nano-modification following by additional heat and deformation treatment are used for producing of nanostructure materials. The applications of nanomaterials in mechanical engineering are as follows: details and tools made of nano-powders by powder metallurgy, which have several times higher hardness, strength and exploitation properties; construction nanostructure materials produced by severe plastic deformation; nanoparticles coatings for improving the tool life and wear resistance of friction couples; nano-filler composites for developing of new light materials with higher physical-mechanical properties; using of nano-powder in diffusion welding and soldering for decreasing the processes temperature and obtaining solid joints between different materials. KEY WORDS: NANOMATERIALS, NANOCOATINGS, NANOCOMPOSITES, MECHANICAL ENGINEERING 1. Увод Все по-високите изисквания към изделията, машините и съоръженията в различни отрасли на машиностроенето, автомобилната промишленост, самолето-и ракетостроенето, нефто-и газодобивната промишленост налагат разработването на материали с ниска маса, съчетана с високи механични и пластични свойства, които да се запазват при работа в агресивни среди и високи температури. Използването на наноструктурни материали е един от най-обещаващите подходи за решаване на тази задача през последното десетилетие поради качествено новите свойства, които те притежават, дължащи се на размерните фактори. Терминът "нано" произлиза от гръцка дума, която означава "малък, дребен" [1,2]. Richard P.Feynman за първи път разглежда потенциала и принципното значение на наноразмерните обекти през 1959г. в своята лекция "There's plenty room at the bottom" [3]. Японският учен Taniguchi през 1974г. за първи път използва термина "нанотехнология" [2,3]. В зависимост от разглежданите аспекти има много определения за "нанотехнология". Американският National Nanotechnology Initiative (NNI) определя нанотехнологията като "разбиране и контрол на материята при размери от около 1 до 100 нанометра, където уникалните свойства позволяват нови приложения" [4]. За да се избегнат многообразието и неточните формулировки през 2004г. в доклад на английското правителство Royal Society и Royal Academy of Engineers разделя определенията за "нанонаука" и "нанотехнология". "Нанонаука" е "изучаването на явленията и управлението на материалите на атомно, молекулярно и макромолекулярно ниво, при което свойствата значително се различават от тези при по-големите мащаби", докато "нанотехнология" означава "дизайн, характеризиране, производство и приложение на структури, устройства и системи чрез контролиране на формата и размерите на нанометрично ниво" [4,5]. Американското патентно бюро дефинира "наноматерилите" като материали, на които един от размерите е по-малък от 100nm (0,1µm), или е в обхвата между 1-100nm [6]. Тези размери са съизмерими с една или няколко физични величини на веществата, като например изменение на периода на кристалната решетка. Тъй като частиците са много малки, то по-голямата част от атомите се оказва разположена по границите или по свободните повърхности. При частици с диаметър от 2 до 10nm количеството на повърхностните атоми е от 63% до 15% от общия брой атоми, който е от 151 до 21 100 [7]. Тези частици имат твърде голяма повърхност в сравнение с техния обем, което оказва влияние както на кристалната решетка, така и на електронната подсистема. Появяват се аномалии в поведението на електроните и на другите градивни частици на атомите, които водят до изменения на физичните свойства на наноматериалите в сравнение с масивните материали. С други думи, частиците в нанометровия обхват се подчиняват на законите на квантовата физика, което съществено изменя техните механични, оптични и електрични свойства [1,3,8]. Благодарение на добре развитите граници и за сметка на преплъзване по границите нанокерамиките може сравнително добре да се деформират за разлика от крехките обикновени керамики. Освен това намаляването на размера на зърната на металите от 10µm до 10nm води до повишаване на якостта им около 30 пъти. Добавянето на нанопрахове към конвенционалните прахове при пресоване понижава температурата на пресоване и повишава якостта на получените изделия. Използването на тънък слой нанопрах с подходящ състав при дифузионно заваряване позволява да се заваряват разнородни материали, дори и труднотопими метални сплави с керамика, като заедно с това се понижава температурата на заваряването [8,9]. Целта на настоящата статия е да се разгледат възможностите за използване на наноматериалите в различни отрасли на машиностроенето.
Article
Full-text available
This overview highlights very recent achievements and new trends in one of the most active and developing fields in modern materials science: the production of bulk ultrafine-grained (UFG) materials using severe plastic deformation (SPD). The article also summarizes the chronology of early work in SPD processing and presents clear and definitive descriptions of the terminology currently in use in this research area. Special attention is given to the principles of the various SPD processing techniques as well as the major structural features and unique properties of bulk UFG materials that underlie their prospects for widespread practical utilization.
Article
Is nanotechnology driving a manufacturing revolution and producing new products and systems that will change society? Will it fulfil the promise of creating new industries, solutions to health and environmental problems or will it threaten our very existence? This paper is intended to give the non-expert a realistic and broad overview of the current position and future expectations of nanotechnology with particular emphasis on applications, the manufacturing of new products and the paths to market.
Article
It is shown that cold equal-channel angular pressing (ECAP) of corrosion resistant austenitic 0.07%C–17.3%Cr–9.2%Ni–0.7%Ti steel leads to formation of submicrocrystalline structure: generally oriented subgrains and cells with separated grains (100–250 nm in size). The steel samples 20 mm in diameter and 80 mm in length were subjected to ECAP at room temperature for four passes. The angle between the channels was 120°. ECAP promotes the martensitic transformation which becomes more active only after four passes, leading to the formation of 45% martensite. During heating, the fraction of high-angle boundaries and the volume of austenite are increased, and the microstructure becomes more equiaxed. Submicrocrystalline structure with grain size 150–250 nm and 80% of austenite was obtained upon heating to 550 °C. Such structure exhibits a substantial strain hardening (yield strength 1090 MPa relative to the initial with 320 MPa) and an elongation of 12%.
Физическая природа явления фрагментации: применение в промышленом производстве конструкционных сталей
  • И В Горынин
  • В В Рыбин
  • В А Малышевский
  • Е И Хлусова
Горынин И.В., Рыбин В.В., Малышевский В.А., Хлусова Е.И., Физическая природа явления фрагментации: применение в промышленом производстве конструкционных сталей, "Rusnanotech'08", www.rusnanoforum.ru ;
  • G Wilde
  • N Boucharat
  • R Hebert
Wilde G., Boucharat N., Hebert R. et. al, New Ways to Obtain Bulk Nanostructured Materials, Material Science and Engineering: A, Vol. 449-451, 25 March 2007, p.825-828;
Ultrafine Grained Materials for Biomedical Implants
  • Y Estrin
Estrin Y., Ultrafine Grained Materials for Biomedical Implants, "Rusnanotech'09", www.rusnanoforum.ru
  • V M Segal
  • S V Dobatkin
V.M. Segal, S.V. Dobatkin, R.Z.Valiev (eds), Metally, izv. RAN, 2004;
  • R Z Valiev
  • T G Langdon
R.Z.Valiev, T.G.Langdon: Progr. Mater. Sci, 2006;
Уникальные механические свойства наноструктурных металлов
  • Н Цуи
Цуи Н., Уникальные механические свойства наноструктурных металлов, "Rusnanotech'08", www.rusnanoforum.ru ;