Нанофазные и аморфные материалы

Целями освоения дисциплины «Нанофазные и аморфные материалы» являются формирование у студентов представлений о современном состоянии проблем физики и технологии наноструктурных и аморфных материалов, особенностях их микроструктуры, методах получения, взаимосвязи микроструктуры с физико-механическими свойствами и возможностях применения в современной технике.

Изучение дисциплины предполагает выполнение следующих задач:

  • знакомство с современным состоянием вопроса об атомной структуре границ зерен в кристаллах;
  • изучение особенностей дефектной структуры объема и границ зерен в наноструктурных состояниях;
  • влияние размерного фактора на особенности фазовых превращений в кристаллах;
  • знакомство с методами получения металлических стекол и наноструктурных материалов разного класса;
  • взаимосвязи масштабного фактора и особенностей микроструктуры с физико-механическими свойствами наноструктурных материалов.

Дисциплина «Нанофазные и аморфные материалы» относится к дисциплинам общенаучного цикла магистерской программы «Физика конденсированного состояния». Содержательно она знакомит слушателей с современным состоянием проблем физики наноструктурных (НС) и аморфных материалов, технологиями создания этих материалов, физическими основами формирования их особых физико-механических свойств; формирует знания, умения и навыки, необходимые для последующей научной и практической работы в области получения и использования наноматериалов.
 

Содержание дисциплины

1. Структура границ зерен.

Границы зерен (ГЗ). Их роль в формировании микроструктуры и свойств кристаллов. Макроскопические и микроскопические параметры ГЗ. Геометрические модели ГЗ. Вспомогательные решетки: решетка совпадающих узлов; нуль решетка, уравнение для ее базисных векторов. Полная решетка наложений. Специальные границы и границы общего типа. Дефектная структура ГЗ. Зернограничные дислокации (ЗГД) и уступы. Дисклинации в ГЗ. Влияние зернограничных дислокаций и частичных дисклинаций на атомную структуру и параметры ГЗ. Модель структурных единиц. Результаты теоретических расчетов атомной структуры и энергии ГЗ. Полиэдры Бернала. Результаты экспериментального исследования структуры и свойств границ зерен специального и общего типа.

2. Классификация и методы получения наноструктурных материалов.

Наноструктурные (НС) материалы. Классификация их основных структурных типов. Методы получения НС материалов: метод Глейтера; методы интенсивной пластической деформации; кристаллизация из расплавов и метастабильных твердых растворов; ионно-лучевые и ионно-плазменные методы формирования тонких пленок; комбинированные методы синтеза НФ материалов.

3. Микроструктура НС материалов.

Соотношение объемов внутрикристаллической и “зернограничной” фаз. Основные методы экспериментального исследования структуры НС материалов. Гипотеза газоподобного состояния. Результаты исследования микроструктуры ГЗ методами высокоразрешающей электронной микроскопии (прямое разрешение решетки). Особенности структуры ГЗ в нанокристаллических (НК) материалах разного класса (металлы, керамика, металлокерамика), полученных методом Глейтера. Особенности структурного состояния кристалла вблизи границ зерен субмикрокристаллических (СМК) материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации. Неравновесные ГЗ. Их дислокационные и дисклинационные модели. Особенности дефектной микроструктуры объема зерен в НК и СМК структурных состояниях. 

Особенности фазовых превращений в процессе трансформации кристаллов в НС состояния. Термодинамическая оценка роли поверхностной энергии в изменении диаграммы состояния. Условия формирования, микроструктура и свойства фуллерена, нанотрубок, графена и алмазоподобных углеродных покрытий. Микроструктура и методы получения квазикристаллов. Ориентационный дальний порядок (определение) и экспериментальные методы его обнаружения.

4. Физико-механические свойства НС материалов.

Механические свойства НК и СМК материалов: упругие модули; прочность; пластичность; изменение соотношения Холла-Петча. “Высокоскоростная” и “низкотемпературная” сверхпластичность. Современные представления о механизмах деформации в НК и СМК структурных состояниях. Зернограничное проскальзывание и движение зерен. Механизмы этих явлений и их влияние на свойства НК и СМК материалов.

5. Методы получения, микроструктура и свойства металлических стекол.

Методы получения металлических стекол: закалка из расплава; конденсация из газовой фазы и электролитическое осаждение; ионная имплантация и ионное перемешивание; интенсивная пластическая деформация. Структура аморфных материалов. Топологический и композиционный ближний порядок. Экспериментальные методы и результаты исследования микроструктуры аморфного состояния. Структурные модели аморфного состояния: модель Бернала; кластерная модель; субнанокристаллическая модель. Физические свойства аморфных материалов: электросопротивление; магнитные свойства; теплоемкость; температура Кюри и Дебая; диффузионная проницаемость. Механические свойства: упругие модули; прочность; пластичность; механизмы деформации.
 

Фонд контрольных заданий

  1. Что такое решетка совпадающих узлов и как она связана с границами зерен специального типа? Могут ли изогнутые границы быть специальными?
  2. Чем отличаются собственные зернограничные дислокации (ЗГД) от внесенных? Какая вспомогательная решетка используется для описания собственных ЗГД?
  3. Способы моделирования границ общего типа с использованием представлений о специальных границах.
  4. Какие структурные элементы используются для моделирования атомной структуры границ зерен общего типа в модели структурных единиц?
  5. Каковы различия в расположении структурных единиц в границах специального и общего типа?
  6. Чем отличается «газоподобное» структурное состояние (в модели газоподобного состояния границ зерен) от аморфного?
  7. Что такое «неравновесные» границы зерен в нанокристаллических или ультрамелкозернистых металлических материалах? Перечислить некоторые способы построения их структурных моделей.
  8. Каковы отличительные особенности структуры и упруго-напряженного состояния приграничных зон неравновесных границ зерен?
  9. Что такое топологический и композиционный ближний порядок в металлических стеклах? Перечислить несколько .экспериментальных методов их исследования.
  10. Назвать несколько структурных моделей аморфных материалов (металлических стекол).
  11. Что такое ориентационный дальний порядок? В каком классе материалов и как он присутствует?
  12. Какие физико-химические или технологические условия необходимы для формирования различных структурных состояний углерода (алмазо—подобных покрытий, фуллерена, графита).
  13. Каковы главные феноменологические особенности структурной сверхпластичности.  (Как она проявляется, в каких материалах и условиях деформации).
  14. Что такое высокоскоростная и низкотемпературная сверхпластичность? В каких материалах она обнаружена? Какие механизмы деформации используются для описания этих явлений?

Приблизительные вопросы для экзамена

  1. Границы зерен (ГЗ) и их роль в формировании микроструктуры и свойств кристаллов. Макроскопические и микроскопические параметры ГЗ.
  2. Геометрические модели границ зерен. Вспомогательные решетки: Решетка совпадающих узлов. Специальные границы и границы общего типа (определение).
  3. Принципы моделирования атомной структуры границ зерен (ГЗ). Полная решетка наложений. Специальные границы и границы общего типа (определение).
  4. Зернограничные дислокации (ЗГД) и уступы. Собственные и внесенные зернограничные дислокации. Моделирование границ общего типа с использованием этих дефектов.
  5. Структура границ зерен (ГЗ) общего типа. Модель структурных единиц. Результаты теоретических расчетов атомной структуры ГЗ.
  6. Геометрические модели границ зерен. Нуль решетка, уравнение для ее базисных векторов. Специальные границы и границы общего типа (определение).
  7. Понятие неравновесных границ зерен.  Дислокационные и дисклинационные модели их дефектной микроструктуры.
  8. Определение границ зерен (ГЗ) специального и общего типа. Диполи частичных дисклинаций в ГЗ. Дисклинационная модель ГЗ общего типа.
  9. Особенности дефектной микроструктуры объема субмикро- и нанокристаллов. Структурные состояния с высокой кривизной кристаллической решетки в субмикрокристаллических состояниях. Критические размеры бездислокационных нанокристаллов.
  10. Классификация (по Глейтеру) основных структурных типов нанофазных материалов.  Нанокристаллические, и субмикрокристаллические материалы.  Основные структурные факторы, определяющие их особые свойства.
  11. Структурная сверхпластичность. Феноменология. Механизмы деформации. “Высокоскоростная” и “низкотемпературная” сверхпластичность.
  12. Механические свойства наноструктурных металлических материалов: упругие модули; прочность; пластичность; изменение соотношения Холла-Петча.
  13. Фазовые превращения в наноструктурных состояниях. Роль поверхностной энергии в процессе таких превращений при уменьшении размеров наночастиц (термодинамический подход).
  14. Микроструктура СМК металлических материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации. Дислокационная и дисклинационная структура в объеме и на границах зерен. Структура приграничных зон.
  15. Квазикристаллы. Структура, понятие ориентационного дальнего порядка, условия образования, методы получения.
  16. Методы получения нанокристаллических и субмикрокристаллических материалов: метод Глейтера, интенсивная пластическая деформация; кристаллизация металлических стекол и др.
  17. Фазовые превращения в ультрадисперсных средах. Фуллерены, алмазоподобные покрытия (условия их образования методами claster beam deposition – молекулярных пучков).
  18. Методы получения и структурные модели металлических стекол. Модель Бернала, Дисклинационная модель. Кластерные модели.

Основная литература

  1. Гусев А.И. Наноматериалы, структуры, технологии. – 2-е изд., испр.:  ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 416 с.
  2. Андриевский Р.А, Рагуля А.В.  Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр "Академия", 2005. – 192 с.
  3. Орлов А. Н., Переверзенцев В. Н., Рыбин В. В. Границы зерен в металлах. Изд. “Металлургия”. - Москва, 1980. - 156 с. Главы - .
  4. Синтез и свойства нанокристаллических и субструктурных материалов / Под ред. А.Д. Коротаева. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007. 368 с.
  5. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалыпластической деформацией. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 398 с.
  6. Валиев Р. З., Корзников А. В., Мулюков Р. Р. Структура и свойства металлических материалов с субмикрокристаллической структурой. // Физика металлов и металловедение, 1992, Т. 73, №4, с. 373-384.
  7. Валиев Р. З., Мусалимов Р. Ш. Электронная микроскопия высокого разрешения нанокристаллических материалов. // Физика металлов и металловедение, 1994, Т. 78, №6, с. 114-122.
  8. Переверзенцев В. Н. Современные представления о природе структурной сверхпластичности. // Сб. научных трудов: Вопросы теории дефектов в кристаллах. Ленинград: Изд. “Наука”, 1987, с. 85-100.
  9. Лихачев В.А., Шудегов В.Е. Принципы организации аморфных структур. – СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 1999. – 228 с.
  10. Глезер А. М., Молотилов Б. В. Структура аморфных сплавов. // Физика металлов и металловедение. 1990, № 2, с. 5-28.
  11. Глезер А. М., Молотилов Б. В., Утевская О. Л. Механические свойства аморфных сплавов. // Металлофизика. 1983, Т. 5, № 1, с. 29-45.

Дополнительная литература

  1. Коротаев А. Д., Тюменцев А. Н. Аморфизация металлов методами ионной имплантации и ионного перемешивания. // Изв. вузов. Физика, 1994, № 8, с. 3-31.
  2. Бабанов Ю.А., Благинина Л.А., Головщикова И.В. и др. Дефекты в нанокристаллическом палладии // Физика металлов и металловедение. 1997, Т. 83, № 4, с. 167-175.
  3. Братковский А. М., Данилов Ю. А., Кузнецов Г. И. Квазикристаллы. // Физика металлов и металловедение. 1989, Т. 68, № 6, с. 1045-1095.
  4. Лариков Л. Н. Диффузионные процессы в нанокристаллических материалах. // Металлофизика и новейшие технологии.
  5. Клоцман С. М. Диффузия в нанокристаллических материалах. // Физика металлов и металловедение.
  6. Аморфные металлические сплавы. Под ред. Ф. Е. Любарского. М.: Металлургия, 1987, 571 с. Главы 1, 2, 4, 5, 11.

Сайт в настоящее время находится в процессе разработки. Принимаются предложения по улучшению и наполнению сайта. Ваши отзывы и предложения высылать администратору сайта Смирнову Ивану Владимировичу (smirnov_iv@bk.ru).