A felületi módosítás nanotechnológiája - nanotechnológia 3 - grigoriev technológiák
7. A felületi módosítás nanotechnológiája
7.1 Felszíni nanostrukturálás
A felszíni nanoszerkezet technológiái, azaz - a struktúrák tömörített anyagának felületi rétege, amelynek jellemző skála kisebb, mint
100 nm, az utóbbi években különösen gyorsan fejlődtek. A felszíni nanostruktúrák létrehozására használt módszerek sokfélesége is gyorsan bővül.
Az anyagok volumetrikus nanostrukturálása, azaz a nanostrukturált kompaktok létrehozása technológiai szempontból összetett folyamat, amely nagy termelési költségekkel párosul. Ezért különösen vonzó a felszíni nanostrukturáló technológiák fejlesztése, amelyek megvalósítása sokkal egyszerűbb és kevesebb kiadást igényel. Ugyanakkor a felszíni nanoszerkezettel rendelkező termékek teljesítményjellemzői sok esetben kevéssé különböznek a nanostrukturált kompaktok tulajdonságaitól. Ilyen esetek közé tartozik a dörzsölő felületek edzésének és súrlódásgátló kezelése. fokozott korrózióállóság stb.
Nem is megoldotta a problémát a feltételek megteremtése a nanostrukturált termékek nagy méretek vagy a bonyolult geometriájú alkatrészek, nanoszerkezetű anyagok nem működik hatékonyan magas hőmérsékleten, lehetetlen, hogy csatlakoztassa a hegesztés vagy forrasztás azt jelenti, anélkül, hogy jelentősen csökkenti a mechanikai tulajdonságokat.
Az Institute of Strength Fizikai és Anyagtudományi SB RAS (Tomszk) fejleszt egy új tudományos irány - Fiz anyagokat. Végzett vizsgálatok ebben az irányban azt mutatták, hogy jelentős növekedése szolgáltatás tulajdonságai a szerkezeti anyagokat (kifáradási szilárdság, kúszási szilárdság, hőállóság, kopásállóság) érhető el képezve egy nanostrukturált állapotban a felületi réteg a strukturális és szerszám anyagokat. A deformálható szilárd egy többszintű, hierarchikusan önszerveződő rendszer, amelyben a felületi réteg fontos funkcionális alrendszer. Ha nanostrukturált, akkor a műanyag deformáció vékony felületi rétegben lokalizálható. A határfelületen különbségek miatt a mechanikai, fizikai-kémiai, termikus és egyéb jellemzői a felületi réteg és a szubsztrátum, amelynek quasiperiodic oszcilláló feszültségjel egy időszak oszcilláció. egyenlő a nanograin méretével. Ennek eredményeképpen egy feszültség-deformálódott állapot keletkezik egy "sakktábla" formájában, amelynek húzó és nyomó feszültségei vannak. Fajlagos értékeit a feszültségek és alakváltozások és azok eloszlása függ a vastagsága a felületi réteg és a különbség a tulajdonságok a tulajdonságait a szubsztrát.
Külső ciklikus terhelés esetén a műanyag deformáció csak a nanostrukturált felületi rétegben terjed. És a hibák áramlása elterjedt a nanostruktúra sejtjein a húzófeszültségekkel, anélkül, hogy veszélyes helyet teremtene a műanyag deformációjának és a kristály belsejébe való behatolás nélkül. Ez jelentősen növeli az anyag fáradási szilárdságát.
A jelenleg rendelkezésre álló módszerek nanostrukturálása felület lehet három csoportba sorolhatók: felszíni nanozakalka (PNZ), időszakos felület nanostrukturálása (nano-PPP) és a felületi deformációs nanostrukturálása (PDN).
A felületi nanoméret egy olyan technika, amelyben egy rendezetlen nanoszerkezet alakul ki a felszíni rétegben a képződő amorf szerkezet gyors hűtésével és az azt követő hegesztésével.
Ismeretes, hogy olvadék nagy hűtési sebesség (körülbelül 10 június K / s) kialakulását és a növekedést az új gócképződés lelassult, és egy bizonyos kritikus érték, és végleg leáll. A kristályszerkezet nem alakul ki. Ugyanakkor, ha a hűtési sebesség nem haladja meg a kritikus értéket, az anyag lesz a nanoszerkezetű állapotban. Bizonyos esetekben lehetőség van arra, hogy egy ellenőrzött anyag áthaladását az amorf fázisban, hogy a kristály, hogy megkapjuk a kívánt tulajdonságokat (különösen a növekedés kopásállóság). Így először fojtja a felületi réteg anyag átkerül az amorf állapotban, majd hőkezelést végzünk, ami az anyag gabonatermesztés és a felületi réteg az anyag áthalad az amorf állapotból a nanostruktúra.
Az anyag nanoméretű fűtését nagyfrekvenciás lézersugárzás, plazma kezelés végezheti. nagyfrekvenciás indukció, elektronsugarakkal való besugárzás.
Az Institute of High Current Electronics, az SB RAS, akadémikus G. Mesyats vezetésével az elektron-ion-plazma technológiák létrehozására irányuló munka két évtizede folyamatban van. Egy példa a gyakorlati használat D ISE RAS - technológia nanostrukturálása a fémek és ötvözetek felületi alacsony energiájú pulzált elektronsugárral [73].
Az elektronsugár felületi módosításának elve meglehetősen egyszerű. Az expozíció a nagy áramerősségű impulzus a elektron nyaláb impulzust eredményez fűtési, olvasztó és átkristályosítással ultragyors vékony felületi réteg a fém termék, mert a termék maga is gyakorlatilag hideg. Az így módosított felületi réteg szerez nanokristályos szerkezetű, egyedülálló tulajdonságai: van egy kisebb felületi érdessége, amely lehetővé teszi a használatát elektronsugár kezelés helyett mechanikai polírozás termékek. A többfázisú szerkezet nanokristályos állapotú rétege megvédi a felületet a korróziótól. Feldolgozása a vágószerszám az impulzus elektronnyaláb telepítés lehetővé teszi a kapott anyag nagyszilárdságú, nagy ütésállóság és a termikus ciklus. A kifejlesztett technológia lehetővé teszi a szerszám felületének módosítását, még egy ilyen tűzálló anyagból is. mint a volfrámkarbid, miközben a szerszám élettartama megduplázódik.
Felületi periodikus nanostrukturálása (nano-PPP) - a folyamat létrehozása a rezonáns és nem rezonáns felületének hatása alatt periodikus nanostruktúrák femptosekundnogo nano- vagy lézersugárzás.
Az utóbbi években kifejlesztettek egy technológiát a fém felület nanostrukturálására femtoszekundum (1 fs = 10 -15 s) polarizált sugárzás hatására.
Pontosabban, a kísérleti vizsgálatok azt mutatták, [74], hogy az intézkedés alapján egy sor lézersugárzás impulzusokat és fs nm bekövetkezik mikro- és nanostrukturálása volfrám felületén. Az így kapott, rendszeresen ismétlődő rezonáns struktúrák két tipikus térbeli skála: 500 nm (miatt interferencia a beeső fény felületi plazmon) és 30 nm (lásd a 7. ábrát .76 ..). Scale 500 nm jellemző a központi régióban a felület a skála 30 nm - perifériás régiókban.
Ábra 7,7 .76 Jellemző középső (bal) és perifériás (jobb) felületek
volfrám által femtoszekundumos impulzusok által besugárzott
Kísérleti ütemezés (. Ábra .77 7) van felépítve adatok alapján a függőség a küszöbérték impulzusok száma N *, kialakításához szükséges időszakos felszíni struktúrák (PPP) Q. Van N * - kapott impulzusok számát indítására a kialakulását mikroszerkezetek, amely lehetővé teszi a kalorimetriás mérések kimutatására a anizotrópiája abszorpciós kapacitás - a különbség a felszívódását p - és s -polarized sugárzás. Az 1 / N * érték a PPS kialakulásának sebességét jellemzi. Az 1. ábrából. 7 .77 azt jelenti, hogy, mivel a J / cm 2 és legfeljebb J / cm 2, van szuperlineáris növekedése a képződési sebességét a rezonáns mikroszerkezetek és nagy energiasűrűség - gyors csökkenése.
Ábra 7,7 .77 A volfrám felületén lévő 1 / N * periodikus rezonáns mikrostruktúrák növekedési sebességének függése a befolyásoló sugárzás energiasűrűségén Q
Jelenleg nagy gyakorlati érdekű az új nanostrukturációs módszerek fizikai alapjainak fejlesztése számos csúcstechnikai anyag felszínén, azaz egydimenziós és kétdimenziós domborművek létrehozása, jellemző jellemzőkkel, amelyek 100 nm-nél kisebbek.
A probléma megoldása a vákuum ultraibolya (VUV) által nanosekundus sugárzás hatására létrejövő lézer által kiváltott felületi instabilitás alkalmazásával valósítható meg. Közelebbről, a felület közvetlen lézeres nanoszerkezetét egy 157 nm hullámhosszú F2 lézerrel lehet végrehajtani.
A közvetlen lézeres nanostrukturálása a felület módosítását profil legegyszerűbb - egyetlen lézersugarat, nem pedig kettő (információk létrehozásához interferencia minta), és használata nélkül rögzítési struktúrák mellett a lézersugár a tű egy atomi erő és alagút mikroszkóp, mint volt néhány először a nanostrukturálással foglalkozik. Tanulmányok kimutatták, hogy kétféle felületi instabilitás létezik - "rezonáns" és "nem rezonáns". A „nem-rezonáns” típusú instabilitás számíthat fejlődését felületi dombormű nanoperiodami folyamatok számára, mint a lézerrel indukált párolgás és lerakódás hiányában olvadék Amikor anyagok használatával jellemző az alacsony hődiffúziós (10 -2 -10 -3 cm 2 / s) és magas együttható abszorpciót (10 6 cm-es sorrendben) adott 157 nm-es hullámhosszon. Ilyen anyagok közé tartozik a grafit, egyes polimerek és kerámiák.
Felszíni deformáció nanoszerkezet (PDN). A helyi műanyag deformáció PDN-alkalmazása nanoméretű értékekkel és periodicitással. amelyet a munkadarab felső rétegében kialakítanak egy szilárd és sima eszköz (labda, tárcsa, görgő vagy más formájú) bizonyos érintkezési kölcsönhatásai miatt a kezelendő felületen. A PDN módszerei közé tartozik többek között a megerõsítés erõsítése.