Механические свойства нанокластеров и наноструктур

Нанокластеры и наноструктуры характеризуются высокой твердостью и высокой пластичностью. Твердость материала представляет собой характеристику сопротивления материала пластической деформацией при вдавливании в него более прочного материала. Твердость по Виккерсу, которая используется для характеристики наноматериалов, измеряется по глубине отпечатка на поверхности после снятия напряжения и определяется пределом текучести материала . Размер зерен материала определяет его микротвердость. Закон Холла –Печа

Где -внутреннее напряжение сил вязкого трения, тормозящее движение дислокации в массивном материале. -постоянная. Для температур много ниже температуры плавления твердость материала по Виккерсу пропорциональна пределу текучести материала

Где , и постоянные.

Если деформация осуществляется диффузионным скольжением, то при температурах значительно ниже температуры плавления скорость деформации

Где -коэффициент пропорциональности. -приложенное механическое напряжение -атомный объем -толщина границы зерна, -коэффициент диффузии по границам зерен.

Предположим.что уравнения справедливы для нанокластеров выступающих в роли зерен. Тогда твердость наноструктуры возрастает с уменьшением размера кластера. При нанометровом размере большое значение имеет диффузионное скольжение нанокристаллитов и скорость деформации значительно возрастает. Прочностные свойства наноматериала определяются соотношение меду пределом текучести и скоростью деформации. Скорость деформации увеличивается при возрастании коэффициента диффузии при уменьшении размера кластера. Отклонение от закона Холла –Печа наблюдается при размере зерен .

Другой важной характеристикой наноструктурированных материалов является прочность на растяжение . Большие значения и для нанокристаллизованных аморфных сплавов связаны с оптимальным соотношением икосаэдрической фазы и аморфной фазы. Переход от кристаллической икосаэдрической к аморфной фазе увеличивает и .

Сверхпластичность наноструктур. Впервые сверхпластичность наблюдалась при растяжении сплава олова с бором , когда образец удлинялся более чем в20 раз. Металлические наноструктуры и наноструктуры из сплавов позволяют получать сверхпластичные материалы значительно ниже температуры плавления. Для никеля и сплава никеля с алюминием низкотемпературная сверхпластичность наблюдается при температурах 470 и 450 ^оС, что почти втрое ниже температуры плавления.

Сверхпластичность оксидов металла и керамики в наноструктурированном состоянии возрастает при наличии прослоек аморфной фазы и разориентирования границ нанокристаллических зерен. Сверхпластичность керамики возникает при размерах зерен менее 1 мкм, причем размер зерен должен сохраняться при повышении температуры. У наносистем, построенных из кластеров размеров , число дефектов максимально, что обеспечивает их рекордную пластичность.

Таким образом, для получения сверхтвердых материалов надо использовать наносистемы сформированные из нанокластеров размера , а для получения сверхпластичных материалов наносистемы из нанокластеров с .