Наноматериалы на металлической основе в экстремальных условиях

Р. А. Андриевский

НАНОМАТЕРИАЛЫ  
НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ 
В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ  
УСЛОВИЯХ

2-е издание, электронное

Допущено  
Учебно-методическим объединением  
по образованию в области металлургии  
в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений,  
обучающихся по направлению  
«Металлургия»

Москва
Лаборатория знаний
2020

УДК [532.6+541.18+620.18+620.22+669.018]-022.532
ББК 30.3 я73

А65

С е р и я о с н о в а н а в 2006 г.

Андриевский Р. А.

А65
Наноматериалы
на
металлической
основе
в
экстремальных условиях : учебное пособие / Р. А. Андриевский. — 2-е изд., электрон. — М. : Лаборатория
знаний,
2020. — 105 с. — (Нанотехнологии). — Систем.
требования:
Adobe
Reader
XI
;
экран 10". — Загл.
с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-00101-932-9
Систематизированы и обобщены данные о влиянии термических, радиационных, деформационных и коррозионных
воздействий
на
структуру
и
свойства
консолидированных
наноматериалов на основе металлов, сплавов и тугоплавких
соединений. Описаны основные теоретические подходы к моделированию
стабильности наноструктур в экстремальных
условиях. Приводятся сведения об использовании наноматериалов и перспективах их применения в установках атомной
и авиационно-космической техники, общего и химического
машиностроения, системах энергетики, устройствах электроники, а также в медицине и биологии.
Для бакалавров, магистрантов, аспирантов, специализирующихся в области наноматериалов и нанотехнологий, а также
для
преподавателей
и
научных
сотрудников,
работающих
в этих и смежных направлениях.
УДК [532.6+541.18+620.18+620.22+669.018]-022.532
ББК 30.3 я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Наноматериалы на металлической основе в экстремальных условиях : учебное пособие / Р. А. Андриевский. — М. : Лаборатория знаний, 2016. — 102 с. : ил. — (Нанотехнологии). —
ISBN 978-5-906828-48-4.

В
соответствии
со
ст. 1299
и
1301
ГК
РФ
при
устранении
ограничений, установленных техническими средствами защиты
авторских
прав,
правообладатель
вправе
требовать
от
нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-00101-932-9

c○ Издание на русском языке,
Лаборатория знаний, 2016

Оглавление

Предисловие ............................................................................... 5

Введение ...................................................................................... 7

Вопросы для самопроверки ......................................................... 14
Основная и дополнительная литература .................................... 14

Глава I. Поведение наноматериалов 
при высоких температурах ..................................................... 17
I.1. 
Общая характеристика термической стабильности .................. 17

I.2. 
Теоретические подходы и моделирование ................................. 19

I.3. 
Экспериментальные результаты ................................................. 24

I.4. 
Перспективы применения ........................................................... 28
Вопросы для самопроверки ......................................................... 30
Основная и дополнительная литература .................................... 31

Глава II. Влияние облучения 
на свойства наноматериалов  ................................................ 32
II.1. Общая характеристика радиационной стабильности ............... 32
II.2. Экспериментальные результаты ................................................. 33
II.3. Теоретические подходы и моделирование  ................................ 41
II.4. Перспективы применения ........................................................... 44

Вопросы для самопроверки ......................................................... 47
Основная и дополнительная литература .................................... 47

Глава III. Поведение наноматериалов 
при деформационных воздействиях .................................... 49
III.1. Общая характеристика деформационной стабильности .......... 49
III.2. Экспериментальные результаты ................................................. 53
III.3. Теоретические подходы и моделирование ................................. 64
III.4. Перспективы применения ........................................................... 67

Вопросы для самопроверки ......................................................... 69
Основная и дополнительная литература .................................... 69

Оглавление 

Глава IV. Наноматериалы в коррозионных средах ............ 73
IV.1. Общая характеристика коррозионной стабильности ................ 73
IV.2. Экспериментальные результаты ................................................. 78
IV.3. Теоретические подходы и моделирование ................................. 92
IV.4. Перспективы применения ........................................................... 94

Вопросы для самопроверки ......................................................... 95
Основная и дополнительная литература .................................... 95

Заключение .............................................................................. 100

Список сокращений ................................................................ 102

ПРЕДИСЛОВИЕ

Наноструктурный подход (т. е. использование в материалах зерен, 
фазовых включений, пор и каналов с размером порядка 100 нм 
в качестве структурных составляющих) давно находится в арсенале ученых, создающих новые материалы с высоким уровнем 
физико-механических и эксплуатационных свойств. Однако проблемам стабильности наноматериалов в условиях термических, 
радиационных, деформационных и коррозионных воздействий 
пока уделяется недостаточное внимание, и имеющиеся сведения 
носят эпизодический характер и весьма рассеяны. В данном пособии предпринята попытка проанализировать и обобщить результаты, полученные при изучении поведения консолидированных 
наноматериалов на основе металлов, сплавов и тугоплавких соединений в экстремальных условиях. Ссылочный аппарат пособия 
в основном относится к недавно опубликованным монографиям 
и обзорам, списки дополнительной литературы содержат ссылки 
на наиболее важные работы. 
После введения, где в общих чертах приводятся основные сведения о нанообъектах и разъясняется понятие «экстремальные состояния» применительно к наноматериалам, следует первая глава, 
посвященная описанию проблем термической стабильности. Подчеркиваются возможности теоретических оценок, основанных на 
использовании приближения регулярных растворов. Во второй 
главе приведены основные данные о влиянии нейтронного и ионного облучения на структуру и свойства наноматериалов. Третья 
и четвертая главы описывают их поведение в условиях деформационных и коррозионных воздействий. При анализе комбинированного влияния различного рода экстремальных воздействий 
затрагиваются проблемы получения наноматериалов, которые 
по своим свойствам могли бы противостоять этим воздействиям. 
Приводятся примеры современного и перспективного применения 
наноматериалов в различных передовых областях техники, медицины и биологии. В заключении подводятся итоги проделанного 
анализа и отмечаются предстоящие задачи.

Предисловие 

Автор благодарен профессорам А. М. Глезеру и Е. А. Левашеву за конструктивные рецензии и хочет выразить признательность 
многим коллегам и друзьям из России и других стран (Австрия, 
Беларусь, Великобритания, Германия, Израиль, Индия, Китай, 
Кыргызстан, Португалия, Сербия, США, Украина, Франция, Чехия, Южная Корея и др.) за плодотворное участие в проведении 
совместных исследований и вдохновляющее обсуждение актуальных проблем. Хочется отметить и важную поддержку наших грантов со стороны Российской академии наук и Российского фонда 
фундаментальных исследований.

ВВЕДЕНИЕ

Приставка «нано» (одна миллиардная часть; 1 нм  10–9 м) давно 
и прочно вошла в современную научно-техническую терминологию, и метафоричность терминов «нанонаука», «нанотехнология»,
«наноматериалы» уже никого не удивляет. В сфере интересов 
этих направлений, получивших особенно интенсивное развитие 
в последние 20 –25 лет и находяшихся на стыке физики, химии, 
механики, материаловедения, биологии, медицины, электронной 
и компьютерной техники, лежат малоразмерные объекты. Под 
наноматериалами принято понимать такие материалы, основные 
структурные элементы которых (кристаллиты, фазовые включения, волокна, слои и поры) не превышают примерно 100 нм, по 
крайней мере в одном направлении.
К настоящему времени хорошо известно, что высокий уровень 
свойств наноматериалов связан с наличием в них большого количества поверхностей раздела, остаточных напряжений, дефектов, пограничных сегрегаций и неравновесных фаз. Однако те же 
самые факторы приводят к появлению избытка свободной энергии. Вполне очевидно, что при термических, деформационных и 
коррозионных воздействиях, а также в условиях радиации могут 
инициироваться рекристаллизационные, сегрегационные, гомогенизационные и релаксационные процессы; фазовые переходы; 
распад и образование фаз; аморфизация; спекание и заплывание 
микро- и нанопор (нанокапилляров). Данные процессы значительно влияют на эволюцию наноструктуры, иногда приводя даже к ее 
исчезновению, и часто сопровождаются ухудшением физических, 
механических, химических и биологических свойств.
В этой связи оценка стабильности наноструктур в различных 
экстремальных условиях имеет важное значение как в прикладном, 
так и фундаментальном аспектах. С одной стороны, обоснованный 
ресурс работы наноматериалов определяет экономическую целесообразность внедрения и масштаб их применения, с другой стороны, теоретические прогнозы дают основания для поиска новых 
объектов с более высокими свойствами. Кроме того, следует учитывать и непрерывное ужесточение эксплуатационных требований 

Введение 

в устройствах техники, касательно радиационных, деформационных, коррозионных и других комбинированных воздействий. 
Следует отметить, что в современной литературе в понятие 
«экстремальные условия» («экстремальные состояния») вкладывают разный смысл. Так, поведение веществ в экстремальных состояниях анализируется в связи со стремлением более глубокого 
понимания фундаментальных проблем в физике и химии высоких 
энергий, астрофизике и геологии [1]. Для наноматериалов спектр 
анализируемых экстремальных состояний гораздо ýже. Хотя испытания материалов и веществ осуществляются в разных интервалах 
давлений, температур и других технологических параметров, тем 
не менее эти режимы иногда перекрываются и, несомненно, являются взаимодополняющими.
Как будет видно из дальнейшего изложения, в силу своих структурных особенностей наноматериалы, по сравнению с обычными 
крупнозернистыми аналогами, в ряде случаев могут быть как менее, 
так и более стабильными в экстремальных условиях. Эта ситуация 
представляется нетривиальной и требующей анализа и обобщения. 
Основное внимание в пособии будет уделено наноматериалам на основе металлов, сплавов и тугоплавких соединений, для 
которых влияние экстремальных условий в виде термических, радиационных, деформационных и коррозионных воздействий изучено в наибольшей степени. Анализ этих данных, относящихся 
в основном к объемным (массивным) объектам и к наноструктурным покрытиям (пленкам), будет затрагивать экспериментальные 
результаты и теоретические подходы, а также учитывать примеры 
перспективного применения. Более подробно вопросы поведения 
наноматериалов в экстремальных условиях описаны в монографии 
[2], которая является расширенным изложением обзора [3]. Дополнительные сведения об экстремальных воздействиях и стабильности наноматериалов можно найти, например, в работах [4–8]. 
Дальнейшее изложение предполагает, что читатели знакомы 
с характерными особенностями структуры и свойствами наноматериалов, а также с основными методами их получения, описанными во многих источниках учебного и исследовательского 
характера (см., например, [4, 6, 9–19]). Тем не менее будет полезным вкратце остановиться на общих чертах нанообъектов, одновременно подчеркнув большое многообразие методов получения 
нанопорошков, наноструктурных покрытий и массивных нанома

Введение 
9

териалов, вследствие чего они могут существенно различаться по 
физико-химическим, физико-механическим и эксплуатационным 
свойствам. В качестве примера на рис. В.1 [2] показаны некоторые из методов интенсивной пластической деформации (ИПД)*, 
используемые для измельчения металлических материалов. К приведенным схемам еще можно добавить винтовую прокатку, многоосевую ковку, винтовую экструзию и др. (всего разработано около 
20 вариантов [10, 20]).
Если традиционные технологические схемы РКУП и КВД направлены на создание нано- и ультрамелкозернистых структур, 
равномерных по сечению обрабатываемых образцов, то технологии измельчения поверхности заведомо предназначены для полу
* 
В литературе получает распространение, по предложению А. М. Глезера, 
и другой термин для обозначения больших деформационных воздействий — 
мегапластические деформации.

Рис. В.1. Условные схемы некоторых методов ИПД: а — равноканальное 
угловое прессование (РКУП, φ — угол наклона каналов); б — кручение 
при высоких давлениях (КВД, γ — угол поворота пуансона); в — многократная пакетная прокатка (МПП, звездочками отмечены образцы в начальном состоянии, h1 и h2 — размеры до и после обработки); г и д — варианты измельчения поверхности (ИП) вращающегося образца с помощью 
давящего наконечника (г) и обкатки роликом (д)

Введение 

чения градиентных поверхностных структур. Технология многократной пакетной прокатки (МПП) используется с целью получения многослойных нанокомпозитов типа Cu/Nb.
Практически столь же разнообразны приемы порошковой 
технологии [9, 11, 12, 14, 19], а также методы нанесения наноструктурных покрытий и контролируемой нанокристаллизации из 
аморфного состояния [9, 15, 17, 18]. Естественно, что параметры, 
характеризующие уровень и характер наноструктуры, содержание 
примесей и дефектов, в большой степени определяются методом 
получения материала.
В качестве иллюстрации многообразия наноструктур можно 
привести известную классификацию Г. Гляйтера, в которой предусматривается наличие четырех структурных типов по химическому составу и трех разновидностей по форме наноструктур 
(рис. В.2) [9].

Рис. В.2. Классификация консолидированных наноматериалов (неполимерных) по составу, распределению и форме структурных элементов 
(по Г. Гляйтеру)

Как видно из рисунка, данная классификация учитывает особенности матричного и статистического распределения компонентов, 
а также возможность сегрегаций на границах зерен. Принимая во