НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Сверхпрочные нанострукгурные материалы X. Кунг, Т. К. Лоу1

Как известно, механическая прочность кристаллических материалов зависит от размера зерен d, и эта зависимость описывается соотношением Холла— Петча а = kd~'/2 + а0. Однако для нанометрового интервала размеров такая за­висимость часто нарушается, что создает предел для повышения прочности с уменьшением размера зерен [3]. Тем не менее нанострукгурные материалы (характеризующиеся большим числом поверхностей раздела) благодаря ин­тенсивным граничным процессам могут обладать не только высокой прочно­стью, но и значительной пластичностью. Последние данные по нанострук - турным композитам Cu/Nb демонстрируют полное подавление механизма хрупкрго разрушения проволоки, растягиваемой при температуре жидкого гелия [4]. Этот факт является неожиданным, поскольку известно, что метал­лы с ОЦК-структурой, в частности Nb, подвергаются хрупкому разрушению при 4,2 К. Наноструктурные композиты Cu/Nb демонстрируют значитель - »JC

Рис. 1.6. ПЭМ-изображение высокого разрешения (слева) нанослоев Cu/Cr и диаг­рамма (справа), показывающая, как уменьшение размера структурных элементов ма­териала проволоки влияет на соотношение между ее ударной вязкостью и пластично­стью. Наноструктурные материалы будущего значительно превзойдут современные конструкционные материалы по прочности и пластичности.

Ное повышение прочности и пластичности при деформировании (деформа­ционное упрочнение). Их предел прочности на растяжение составляет около 2 ГПа, а относительное удлинение равно 10%.

Эти результаты показывают, что при переходе к наноструктурным матери­алам отношение прочность/пластичность может стать значительно большим, чем у современных конструкционных материалов (рис. 1.6). Применение со­временных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показыва­ют, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физи­ки деформационных процессов, которые определяют пластичность нано - структурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность (рис. 1.6)1

Исследования процессов деформирования сложных наноструктурных ма­териалов можно проводить также, объединяя экспериментальные измерения с моделированием поведения атомарных структур. Современные методы моде­лирования, в частности метод «встроенных атомов» [5,6], уже сейчас позволя­ют решать задачи трехмерной молекулярной динамики для систем, содержа­щих до 100 миллионов атомов с реалистическими потенциалами межатомного взаимодействия. Эти методы открывают перед исследователями богатые воз­можности для сравнения данных теоретических расчетов и экспериментов, что позволит углубить знания о фундаментальных физических закономерностях поведения материалов с прочностью, близкой к теоретическому пределу.