Основы наноструктурного материаловедения. Возможности и проблемы

Р. А. Андриевский
ОСНОВЫ
НАНОСТРУКТУРНОГО
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
ВОЗМОЖНОСТИ И ПРОБЛЕМЫ
5е издание, электронное
Москва
Лаборатория знаний
2024

УДК [532.6+541.18+620.18+620.22+669.018]-022.532
ББК 30.3
А65
С е р и я
о с н о в а н а
в
2006 г.
Андриевский Р. А.
А65
Основы наноструктурного материаловедения. Возможности и проблемы / Р. А. Андриевский. — 5-е изд., электрон. —
М. : Лаборатория знаний, 2024. — 255 с. — (Нанотехнологии). —
Систем. требования: Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл.
с титул. экрана. — Текст : электронный.
ISBN 978-5-93208-799-2
В монографии изложены современные тенденции в наноструктурном
материаловедении, сформулированы нерешенные проблемы. Систематизированы многочисленные данные о влиянии размерных эффектов
и поверхностей раздела на физические, физико-химические и механические свойства наноматериалов, обобщены и проанализированы сведения
о термической, радиационной, деформационной и коррозионной стабильности. Рассмотрены особенности наиболее характерных наноматериалов
на основе соединений титана, кремния и их сплавов.
Для научных работников, преподавателей, инженеров, аспирантов
и студентов, специализирующихся в области нанотехнологии и наноматериалов.
УДК [532.6+541.18+620.18+620.22+669.018]-022.532
ББК 30.3
Деривативное издание на основе печатного аналога: Основы наноструктурного материаловедения. Возможности и проблемы / Р. А. Андриевский. — М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 252 с. : ил. —
(Нанотехнологии). — ISBN 978-5-9963-0622-0.
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 978-5-93208-799-2
© Лаборатория знаний, 2015

ОГЛАВЛЕНИЕ 
П редисловие .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
 5 
Литература к предисловию 
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
 
7 
Введение .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
 9 
Литература к введению .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
 15 
Глава 1. Размерные эффекты в наноматериалах 
......... 17 
I. 1. Роль размерных эффектов и поверхностей раздела 
в физико-химических свойствах наноматериалов 
.
.
.
.
.
.
.
.
 17 
1. 1 . 1 .  Термодинамические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
2 1  
1. 1 .2. Физические свойства . . . . .
.
. . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . 40 
I.2. Прочность наноструктур 
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
. ........ 
48 
1.2. 1 .  Соотношение Холла-Петча. Пластичность . . . . . . . . . . . .  
49 
1.2.2. Высокотемпературная деформация. 
Сверхпластичность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .  
65 
1.2.3 . Другие механические свойства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
72 
1.2.4. Последние данные о прочности наноматериалов . . . . . . .  
8 1  
Литература к главе 1 .................................... 89 
Глава 11. Стабил ьность наноструктур .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
 100 
11.1. Термическая стабильность .......................... 100 
11. 1. 1 .  Экспериментальные результаты . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  102 
11. 1 .2. Моделирование и теоретические подходы . . . . . . . . . . .  
1 14 
П.2. Радиационная стабильность .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
 1 17 
11.2. 1 .  Экспериментальные результаты . . . . .
.
. . . . . . . . . . .
. . 1 1 8 
11.2.2. Моделирование и теоретические подходы . . . . . . . . . .  
132 
П.3. Деформационная и коррозионная стабильность 
.
.
.
.
.
.
.
.
 139 
Литература к главе П .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
 148 

Оглавление 
Глава 111. Характерные наноматериал ы, 
новые подходы и вызовы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
157 
III. 1. Наноматериалы на основе титана и кремния . . . . . . . . . . .  157 
III. 1 . 1 .  Металлические материалы . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . .
. . 1 5  
7 
II
l . 1 .2. Оксиды, карбиды, нитриды и бориды титана . . . . . .
. . 1 6 1  
III. 1 .3 .  Карбид и нитрид кремния . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
1 64 
Ш. 1 .4. Кремний . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
1 70 
III. 2. Новые подходы и возможности 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  174 
111.2. 1 .  Металлические стекла 
и аморфно-кристаллические нанокомпозиты . . . . . . . .  
1 74 
111.2.2. Нанокристаллические гидриды . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
1 9 1  
III.2.3 . Вызовы .
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
 199 
Литература к главе 1П . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  213 
П риложение 1. Журналы в области нанотехнологи и. 
Место России в ми ровом наносообществе . . . . . . .  
225 
Литература к приложению I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  24 2 
П риложение 11. Новые возможности в методах 
исследования наноматериалов . . . . . . . . . . . . . . . . . .  
243 
Литература к приложению П . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  250 
Сп исок сокращений 
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
 252 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
Слова с приставкой «нано» (нанотехнология, нанонаука, наноматериалы, нанотехника, наноструктура и др.) уже прочно вошли в 
обиход научной и научно-технической деятельности, хотя устойчивая общепринятая терминология еще далека от совершенства и 
ее становление продолжается. Предлагаемая монография является продолжением и развитием учебного пособия [1], со времени публикации которого прошло уже несколько лет. За это 
время на русском языке появились и другие книги, в той или 
иной мере посвященные наноструктурным материалам (см., например, [2-12]). Пять изданий выдержала монография [1 3], не говоря о многих других зарубежных книгах, в том числе энциклопедического характера [ 14-1 
7]. Все это свидетельствует о 
значительном интересе к материаловедческой тематике и о необходимости систематического обновления монографических и 
учебных сведений. Кроме того, побудительной причиной написания данной книги явилось и то, что в перечисленных изданиях 
фундаментальным аспектам наноструктурного материаловедения 
и новым возможностям (как и к вызовам со стороны нанотехнологии) уделяется, как правило, недостаточное внимание. 
По мнению автора, эти вопросы являются очень важными как 
в обучении студентов и аспирантов, так и для пополнения знаний 
исследователей и инженеров. Они нашли отражение в ряде многих докладов автора на российских и зарубежных конференциях 
и школах (Москва, Санкт-Петербург, Екатеринбург, Ижевск, Новосибирск, Белгород, Казань, Черноголовка, Сыктывкар, Киев, 
Донецк, Севастополь, Минск, Ереван, Херцег Нови, Дрезден, Колорадо Спрингс, Рио-де-Жанейро, Ейн Геди, Цукуба, Бангалор, 
Харбин, Лиссабон, Варшава, Барселона, Салоники и др.). 

Предисловие 
Авторские обзоры и статьи, относящиеся к области наноструктурного материаловедения, публиковались в таких журналах, как 
Успехи физических наук, Успехи химии, Физика твердого тела, 
Физика металлов и металловедение, Российский химический 
журнал, Российские нанотехнологии, Известия РАН Серия физическая, Наноструктурное материаловедение, Материаловедение, Композиты и наноструктуры, Joиrnal Materials Scieпce, 
Materials Scieпce Fоrит, Sиrface & Coatiпgs Techпology, Reviews 
оп Advaпced Materials Scieпce, Joиrпal of Nапо Research, и других физико-химико-материаловедческих изданиях, у каждого из 
которых своя отдельная аудитория. Поэтому вполне очевидна и 
необходимость изложения предлагаемых основ наноструктурного материаловедения в объединенном и обобщенном виде. 
В конце предисловия, введения и каждой главы этой монографии приведен список использованной литературы; цитирование 
носит выборочный характер, преимущественно относясь к последним 5-6 годам, поскольку информационный поток в области 
нанотехнологии и наноматериалов чрезвычайно велик (см. П
риложение !) и кажется целесообразным осветить лишь последние 
публикации. 
Следуя [1], изложение основных проблем наноструктурного 
материаловедения будет сосредоточено в основном применительно к консолидированным наноматериалам на основе металлов, сплавов, интерметаллидов, тугоплавких соединений и частично полупроводников; полимеры рассматриваются в ограниченном объеме. Аудитория (студенты, аспиранты, преподаватели, 
исследователи и инженеры), для которой написана эта книга, может быть довольно широкой, включая как специалистов-нанотехнологов, так и собственно физиков, химиков, материаловедов, 
биологов, механиков, медиков, технологов и др. 
Автор признателен многим своим друзьям и коллегам за поддержку в проведении исследований и подготовке статей, обзоров 
и докладов. Особенно хочется поблагодарить С.М. Алдошина, 
А.Г. Алексенко, М.В. Алфимова, М.И. Алымова, М.А. Ананяна, 
М.В. Астахова, А.Л. Бучаченко, Р.З. Валиева, В.Н. Варюхина, 
А.А. Винокурова, П.А. Витязя, Н.Н. Герасименко, А.М. Глезера, 
Ю.И. Головина, В.В. Гольцова, С.В. Добаткина, И.А. Домашнева, 
В.К. Егорова, А.Е. Ермакова, В.М. Иевлева, Г.В. Калинникова, 

Предисловие 
7 
В.В. и С.В. Ключаревых, Ю.Р. Колобова, Т.Е. Константинову, 
И.И. Коробова, Е.А. Левашева, В.А. Лавренко, А.Г. Лапина, 
Ю.В. Левинского, А.Г. Мержанова, Ю.В. Мильмана, Ю.С. Нечаева, Н.И. Носкову, И.А. Овидько, С.С. Орданьяна, А.Д. Панасюк, 
В.Е. Панина, Л.Н. Патрикеева, В.Ф. Петрунина, А.Д. Помогайло, 
А.В. Рагулю, В.Ф. Разумова, Г.Б. Сергеева, В.В. Скорохода, 
ИЛ. Суздалева, Б.П. Тарасова, Д.И. Тетельбаума, Ю.Д. Третьякова, В.Н. Троицкого, Л.И. Трусова, В.С. Урбановича, С.А. Фирстова, А.В. Хачояна, В.Н. Чувильдеева, Е.Ф. Шеку, С.П. Шилкина, 
Д.В. Штанского, а также зарубежных коллег А. Beitollahi, 
А. Cavaleiro, R. Chaim, G.-M. Chow, М. Dariel, Z. Dashevsky, 
J. и М. Desmaison, М. Edirisinghe, N. Frage, Н. Gleiter, У. Gogotsi, 
Н. Hahn, J. De Hosson, Zh.-Q. Ни, L. Hultman, V. Krstic, К. Lu, 
К. Ма, М. Мауо, S. Milonjic, Ch. Mitterer, М. Muhammed, 
А. Mukherjee, J. Musil, М. Ristich, М.С. Roco, V. Teixeira, 
Th. Tsakalakos, D. Uskokovich, S. и М. Veprek, S. Zhang и 
V. Zhitomirsky за неизменный интерес и эффективную помощь. 
Следует также с благодарностью отметить субсидирование наших работ в 2005-201 1  гг. со стороны РФФИ (инициативные научные проекты № 05-03-32248, 06-03-90566 БНТС, 08-03-001 05 и 
1 1 -02-9247 1 ,  6 аналитических обзоров и 6 тревел-грантов) и программ фундаментальных исследований Президиума РАН № 7 
«Разработка методов получения химических веществ и создание 
новых материалов» и № 22 «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов». 
Автор надеется, что монография будет способствовать расширению и углублению исследований в области наноструктурного 
материаловедения. 
Литература к предисловию 
1. Андриевский Р.А. , Рагуля А.В. Наноструктурные материалы. 
Учеб. пособие для высш. учеб. заведений. - М.: Изд. центр 
«Академия», 2005. 
2. Головин Ю.И Введение в нанотехнику. - М.: Машиностроение, 2007. 
3. Рагуля А.В. , Скороход В.В. Консолидированные наноструктурные материалы. - Киев: Наукова Думка, 2007. 

Предисловие 
4. Валиев Р.З. , Александров ИВ. Объемные наноструктурные 
металлические материалы: получение, структура, свойства. - М.: Академкнига, 2007). 
5. Алымов МИ Порошковая металлургия нанокристаллических материалов. - М.: Наука, 2007. 
6. Суздалев ИП. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов (2-е изд.) - М.: Либроком, 2009. 
7. Г
усев А.И Нан 
о 
материалы, наноструктуры, нанотехнологии 
(2-е изд.). - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. 
8. Наноструктурные материалы. Под ред. Р. Ханника, А. Хилла. - М.: Техносфера, 2009. 
9. Рыжонков Д.И , Лёвина В.В. , Дзидзигури Э.Л. Наноматериалы. Учебное пособие (2-е изд.) - М.: БИНОМ. Лаборатория 
знаний, 2010. 
10. Елисеев А.А. , Л
укашин А.В. Функциональные наноматериалы. Под ред. Ю.Д. Третьякова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. 
1 1 .  Родунер Э. Размерные эффекты в наноматериалах. Пер. с 
англ. под ред. Р.А. Андриевского. - М.: Техносфера, 2010. 
12. Наноструктурные 
покрытия. 
Под ред. А. Кавалейро 
и Д. де Хоссона. Пер. с англ. под ред. Р.А. Андриевского. -
М.: Техносфера, 201 1 .  
1 3 .  
Пул мл. ЧП., Оуэне Ф.Дж. Нанотехнологии (5-е изд.). Пер. 
с англ. под ред. Ю.И. Головина - М.: Техносфера, 2010. 
14. Nanomaterials. Handbook ( 
ed. У Gogotsi). - Боса Raton: CRC 
Press, Taylor & Francis Group, 2006. 
15. Нанонаука и нанотехнологии. Энциклопедия систем жизнеобеспечения / Ред.: Ч Бай, 0.0.Аваделькарим, СП.Капица. - М.: ЮНЕСКО, EOLSS, Магистр-Пресс, 2009. 
1 6. Nanostructured Materials (ed. G. Wilde). - Kideigton Oxford: 
Elsevier, 2009. 
1 7. Справочник Шпрингера по нанотехнологиям. Под ред. 
Б. Бхушана. Пер. с англ. - М.: Техносфера, 2010. 

ВВЕДЕНИЕ 
Прежде чем приступать к рассмотрению основ наноструктурного 
материаловедения, обсудим некоторые общие вопросы, относящиеся к терминологии, особенностям современной науки о материалах, мульти- и междисциплинарному характеру нанотехнологии 
и 
наноматериалов, 
новым тенденциям 
конвергентных 
технологий. 
«Нано или не нано» - под таким названием в 2007 г. была 
опубликована статья автора этой книги [В. 1 ], посвященная вопросу, волновавшему многих ученых. Дискуссия на эту тему не 
прекращается и по сей день, особенно в связи с проблемами выделения грантов и оформления патентов, хотя многие общенаучные термины также не имеют четких определений. В американской литературе нанонауку определяют как совокупность знаний 
о свойствах вещества в нанометровом масштабе, а нанотехнологию - как умение целенаправленно создавать объекты (с заранее 
заданными размерами, составом и структурой) в диапазоне размеров приблизительно 1-100 нм [В.2]. Королевское общество Великобритании определяет нанотехнологию как создание, аттестацию, получение и применение структур, устройств и систем с 
контролируемыми размерами и формой нанометрового масштаба. 
В отечественной литературе нанотехнологические термины и 
определения подробно обсуждаются в ряде источников (см., например, [В.3-В .6]). Предложены различные варианты определения нанотехнологий и отмечается, что этот термин, как и многие 
другие пока не имеет однозначного определения. Термин <<Нанотехнология» носит характер собирательного понятия. Часто в его 
смысл вкладывают и технологию, и фундаментальную науку, что 
создает трудности для однозначной трактовки. Наиболее удачными кажутся следующие определения, использованные в Программе развития наноиндустрии в Российской Федерации до 
20 1 5  г. [В.4] : 
• 
нанотехнологии - это технологии, направленные на создание и (или) эффективное практическое использование нано

Введение 
объектов и (или) наносистем с заданными свойствами и характеристиками; 
• нанообъект - это объект, линейный размер которого хотя бы 
в одном направлении имеет величину порядка 1-100 нм; 
• наносистема (в том числе наноматериал, наноустройство) -
это система, которая в качестве структурных элементов содержит нанообъекты, определяющие ее основные свойства и 
характеристики. 
Для общности и взаимосвязи многочисленных терминов в области нанотехнологии и нанонауки также используется понятие 
нанообъекта, который определяется [В.7] как вещество, материал, 
компонент, устройство или система с характерным размером, по 
крайней мере в одном измерении, в примерном интервале от долей нанометра до 1 00 нм. Нижний предел этого интервала определяется размерами атомов и молекул, а верхний не несет никакой физической или химической нагрузки и является чисто 
условным. Тогда нанотехнологию можно определить как технологию нанообъектов. Нанонаука - это наука о нанообъектах, наноматериал представляет собой материал на основе нанообъектов 
(одно-, двух- или трехразмерных; изолированных или скрепленных; кристаллических, аморфных или пористых), нанофизика -
физика нанообъектов, нанобиология - биология нанобъектов и 
т. д. Такое определение позволяет, с одной стороны, избежать 
множественности определений для терминов в сфере «нано», а с 
другой стороны, объединяет эти термины с классическими энциклопедическими определениями науки, технологии, материаловедения, физики, химии и т. д. Однако формирование понятийного аппарата в нанотехнологии и нанонауке все еще продолжается, и далее будет использоваться терминология, наиболее часто 
употребляемая в международной и отечественной научной литературе в этих областях. Под наноструктурными (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанофазными, нановолокнистыми 
и т. д.) материалами будем понимать такие материалы, в которых 
основные структурные элементы (кристаллиты, волокна, поры, 
слои и др.) не превышают по размерам Ā100 нм, по крайней мере 
в одном направлении. 
Начиная с 2005 г., Институт проблем материаловедения Национальной Академии наук Украины (один из ведущих в мире материаловедческих центров, которому автор обязан своим становлением как научного работника) выпускает международный жур