Ультрадисперсные материалы представляют собой новый класс материалов, полученных методами заколки из расплава или газовой фазы, включающий нанокристаллические материалы; новые структурные модификации вещества с нанометровыми размерами — молекулярные кластеры и квазикристаллы; материалы со смешанной структурой, состоящей из аморфной и нанокристаллической или квазикристаллической фаз.К нанокристаллическим материалам относят новый вид материалов с размерами кристаллитов менее 10—100 нм. Отличительная особенность нанокристаллических материалов состоит в том, что доля атомов, приходящихся ка границы зерен, соизмерима с общим числом атомов, в то время как в материалах с обычным и ультра мелким зерном она ничтожно мала (рис. 17.1). Кроме тою, затрудняется или подавляется действие дислокационных механизмов пластической деформации и наблюдается сильно неравновесное состояние границ зерен. Наночастица как структурная единица новых материалов является носителем необычных свойств, при этом микросвойства наноматериалов во многом определяют границы зерен.
Применение методов закалки из расплава или газовой фазы в сильно неравновесных условиях может приводить к формированию наряду с аморфным состоянием нанокристаллической, квазикристаллической и смешанной структуры.
Наноструктурные или нанофазные материалы могут быть классифицированы на следующие четыре категории в соответствии с их структурой и химическим составом: нанофазные порошки; наноструктурные пленки, включая однослойные, многослойные, композитные, а также градиентные по составу пленки; монолитные наноструктурные материалы; наноструктурные композиты.Обычно к нанокристаллическим материалам относят металлы, сплавы, керамики или композиты, содержащие нанокристаллические, квазикристаллические и аморфные фазы.
Нанофазные материалы обладают многими уникальными свойствами, отличающимися от свойств полностью аморфных и микрокристаллических материалов, что обусловлено проявлением «квантового размерного эффекта». Они образуют новый класс материалов с особыми механическими, химическими, электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами.
Сюда следует отнести повышенную прочность и твердость, пониженный модуль упругости, повышенное электросопротивление, пониженную теплопроводность и появление сверхпластичности. Наноструктурные материалы перспективны как конструкционные и функциональные материалы — электрические, магнитные, сверхпроводниковые, каталитические.
Для того чтобы понять, какими уникальными свойствами обладают наноструктурные материалы, необходимо летально изучить взаимосвязи между технологией их получения, структурой и свойствами.
Компактированные из порошков нанофазные массивные материалы характеризуются следующими особенностями:
— Возможность преодоления традиционных ограничений фазовых равновесий и кинетики при синтезе и дальнейшей переработке обусловлена сочетанием высоких движущих сил, чистоты поверхностей раздела и малых расстояний диффузии,
— Пограничные области разупорядочения могут рассматриваться как области, составляющие значительный удельный объем компакта вследствие наличия большой доли атомов на границах.
— Нанометровый размер и большая величина отношения поверхности к объему нанофазных зерен обеспечивают уникальные физические и химические свойства.
— Широкий спектр материалов, включая металлы и сплавы, интерметаллические соединения, керамики и полупроводники, может быть получен в наноструктурном кристаллическом и квазикристаллическом состояниях.
— Обширные возможности для получения, смешения наночастиц различных типов, размеров, морфологии, а также получение защитных и износостойких покрытий обеспечивают значительный потенциал для синтеза новых многокомпонентных многофункциональных композиций с наноразмерными структурами.