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
- Что такое решетка совпадающих узлов и как она связана с границами зерен специального типа? Могут ли изогнутые границы быть специальными?
- Чем отличаются собственные зернограничные дислокации (ЗГД) от внесенных? Какая вспомогательная решетка используется для описания собственных ЗГД?
- Способы моделирования границ общего типа с использованием представлений о специальных границах.
- Какие структурные элементы используются для моделирования атомной структуры границ зерен общего типа в модели структурных единиц?
- Каковы различия в расположении структурных единиц в границах специального и общего типа?
- Чем отличается «газоподобное» структурное состояние (в модели газоподобного состояния границ зерен) от аморфного?
- Что такое «неравновесные» границы зерен в нанокристаллических или ультрамелкозернистых металлических материалах? Перечислить некоторые способы построения их структурных моделей.
- Каковы отличительные особенности структуры и упруго-напряженного состояния приграничных зон неравновесных границ зерен?
- Что такое топологический и композиционный ближний порядок в металлических стеклах? Перечислить несколько .экспериментальных методов их исследования.
- Назвать несколько структурных моделей аморфных материалов (металлических стекол).
- Что такое ориентационный дальний порядок? В каком классе материалов и как он присутствует?
- Какие физико-химические или технологические условия необходимы для формирования различных структурных состояний углерода (алмазо—подобных покрытий, фуллерена, графита).
- Каковы главные феноменологические особенности структурной сверхпластичности. (Как она проявляется, в каких материалах и условиях деформации).
- Что такое высокоскоростная и низкотемпературная сверхпластичность? В каких материалах она обнаружена? Какие механизмы деформации используются для описания этих явлений?
Приблизительные вопросы для экзамена
- Границы зерен (ГЗ) и их роль в формировании микроструктуры и свойств кристаллов. Макроскопические и микроскопические параметры ГЗ.
- Геометрические модели границ зерен. Вспомогательные решетки: Решетка совпадающих узлов. Специальные границы и границы общего типа (определение).
- Принципы моделирования атомной структуры границ зерен (ГЗ). Полная решетка наложений. Специальные границы и границы общего типа (определение).
- Зернограничные дислокации (ЗГД) и уступы. Собственные и внесенные зернограничные дислокации. Моделирование границ общего типа с использованием этих дефектов.
- Структура границ зерен (ГЗ) общего типа. Модель структурных единиц. Результаты теоретических расчетов атомной структуры ГЗ.
- Геометрические модели границ зерен. Нуль решетка, уравнение для ее базисных векторов. Специальные границы и границы общего типа (определение).
- Понятие неравновесных границ зерен. Дислокационные и дисклинационные модели их дефектной микроструктуры.
- Определение границ зерен (ГЗ) специального и общего типа. Диполи частичных дисклинаций в ГЗ. Дисклинационная модель ГЗ общего типа.
- Особенности дефектной микроструктуры объема субмикро- и нанокристаллов. Структурные состояния с высокой кривизной кристаллической решетки в субмикрокристаллических состояниях. Критические размеры бездислокационных нанокристаллов.
- Классификация (по Глейтеру) основных структурных типов нанофазных материалов. Нанокристаллические, и субмикрокристаллические материалы. Основные структурные факторы, определяющие их особые свойства.
- Структурная сверхпластичность. Феноменология. Механизмы деформации. “Высокоскоростная” и “низкотемпературная” сверхпластичность.
- Механические свойства наноструктурных металлических материалов: упругие модули; прочность; пластичность; изменение соотношения Холла-Петча.
- Фазовые превращения в наноструктурных состояниях. Роль поверхностной энергии в процессе таких превращений при уменьшении размеров наночастиц (термодинамический подход).
- Микроструктура СМК металлических материалов, полученных методами интенсивной пластической деформации. Дислокационная и дисклинационная структура в объеме и на границах зерен. Структура приграничных зон.
- Квазикристаллы. Структура, понятие ориентационного дальнего порядка, условия образования, методы получения.
- Методы получения нанокристаллических и субмикрокристаллических материалов: метод Глейтера, интенсивная пластическая деформация; кристаллизация металлических стекол и др.
- Фазовые превращения в ультрадисперсных средах. Фуллерены, алмазоподобные покрытия (условия их образования методами claster beam deposition – молекулярных пучков).
- Методы получения и структурные модели металлических стекол. Модель Бернала, Дисклинационная модель. Кластерные модели.
Основная литература
- Гусев А.И. Наноматериалы, структуры, технологии. – 2-е изд., испр.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. – 416 с.
- Андриевский Р.А, Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. М.: Издательский центр "Академия", 2005. – 192 с.
- Орлов А. Н., Переверзенцев В. Н., Рыбин В. В. Границы зерен в металлах. Изд. “Металлургия”. - Москва, 1980. - 156 с. Главы - .
- Синтез и свойства нанокристаллических и субструктурных материалов / Под ред. А.Д. Коротаева. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2007. 368 с.
- Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалыпластической деформацией. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. – 398 с.
- 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.
- Валиев Р. З., Мусалимов Р. Ш. Электронная микроскопия высокого разрешения нанокристаллических материалов. // Физика металлов и металловедение, 1994, Т. 78, №6, с. 114-122.
- Переверзенцев В. Н. Современные представления о природе структурной сверхпластичности. // Сб. научных трудов: Вопросы теории дефектов в кристаллах. Ленинград: Изд. “Наука”, 1987, с. 85-100.
- Лихачев В.А., Шудегов В.Е. Принципы организации аморфных структур. – СПб.: Издательство С.-Петербургского университета, 1999. – 228 с.
- Глезер А. М., Молотилов Б. В. Структура аморфных сплавов. // Физика металлов и металловедение. 1990, № 2, с. 5-28.
- Глезер А. М., Молотилов Б. В., Утевская О. Л. Механические свойства аморфных сплавов. // Металлофизика. 1983, Т. 5, № 1, с. 29-45.
Дополнительная литература
- Коротаев А. Д., Тюменцев А. Н. Аморфизация металлов методами ионной имплантации и ионного перемешивания. // Изв. вузов. Физика, 1994, № 8, с. 3-31.
- 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.
- Братковский А. М., Данилов Ю. А., Кузнецов Г. И. Квазикристаллы. // Физика металлов и металловедение. 1989, Т. 68, № 6, с. 1045-1095.
- Лариков Л. Н. Диффузионные процессы в нанокристаллических материалах. // Металлофизика и новейшие технологии.
- Клоцман С. М. Диффузия в нанокристаллических материалах. // Физика металлов и металловедение.
- Аморфные металлические сплавы. Под ред. Ф. Е. Любарского. М.: Металлургия, 1987, 571 с. Главы 1, 2, 4, 5, 11.