Методы и техника получения ультрадисперсных материалов (нанокристаллических и новых структурных модификаций)

В зависимости оттого, какой используется способ получения нанокристаллических материалов: нанокристаллизация аморфных сплавов, плазменное, лазерное, электровзрывное и термическое испарение, механическое легирование в высокоэнергерических мельницах (аттриторах), компактирование нанопорошка или интенсивная пластическая деформация, может формироваться зеренная структура с различной степенью структурной неравновесности, широким спектром разориентаций.
Существует несколько критериев, которые необходимо учитывать при выборе методов получения наноструктурных материалов. Оптимальные методы должны удовлетворять следующим требованиям:
— получение ультрадисперсных (нанокристаллических, квазикристаллических) материалов необходимых размеров, формы и структуры без потери необходимых наноструктурных особенностей;
— производство достаточно большого количества нанокристаллического материала по приемлемой стоимости;
— воспроизводимость продукта и возможность эффективной организации контроля.
Для производства наноразмерных порошков существенной является возможность контроля агломерации частиц и распределения части и по размерам. Необходимо принимать во внимание также вопросы безопасности обращения с ультрадисперсными порошками. Впервые нанокристаллические материалы были получены методом конденсации из паровой фазы.
Один из наиболее распространенных методов получения ультрадисперсных порошков - плазмохимический синтез. Главным условием является протекание реакции влачи от равновесия и высокая скорость образования частиц при малой скорости их роста.
Это достигается увеличением скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит конденсация из паровой фазы, благодаря чему уменьшается размер образующихся частиц, а также подавляется их рост путем слияния при столкновениях.
При плаэмохимическом синтезе используется низкотемпературная (4000—8000 К) азотная, аммиачная, углеводородная, аргоновая плазма дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысокочастотного разрядов. Характеристики получаемых порошков зависят от используемого сырья, технологии синтеза и типа плазмы; обычно это монокристаллические порошки с размером частиц от 10 до 100—200 нм.
К плазмохимическому синтезу достаточно близко примыкает газофазный синтез с лазерным нагревом паровой среды. Для этого метода характерно контролируемое гомогенное зародышеобразование и отсутствие загрязнения. Размер нанокристаллических частиц уменьшается при увеличении плотности мощности лазерного излучения в результате повышения температуры и скорости нагрева газов-реагентов.
Газофазный синтез с применением лазерного излучения для формирования плазмы, в которой протекает химическая реакция, оказался эффективным способам получения ультрадисперсных порошков в виде молекулярных мастеров.
В настоящее время существует множество разнообразных методов получения нанокристаллических материалов. Они включают методы закалки расплава и методы формирования наноструктур в твердом состоянии. Табл. 17.1 обобщает различные методы, применимые для получения ультрадисперсных материалов.

Для получении нанокристаллических металлических сплавов, высокопрочных сплавов применяются методы быстрой закалки расплава, в частности RSR-методы (спиннигование и газовое распыление).
Эти технологии сочетают получение быстрозакаленных сплавов при высокоскоростном охлаждении расплава и последующую термомеханическую обработку.
Методы с использованием жидкой фазы, такие, как золь-гель, гидротермический и метод электроосаждении, требуют выполнения большого количества технологических операции, включая предварительный нагрев, смешивание, химические реакции, фильтрацию, очистку, сушку, прокаливание при получении ультрадисперсного порошка. Эти операции достаточно длительные и могут привести к загрязнению.
Методы механического измельчения (механического легирования), интенсивной пластической деформации основаны на относительно простых операциях, однако для проведения процесса измельчения и многократного повторения операций требуется длительное время. Кроме того, эти операции сопровождаются загрязнением материала. Для получения массивного изделия эти порошки обычно подвергают горячему компактированию. Интенсивное измельчение является дорогостоящим и ограничивает получение ультрадисперсных порошков. Наноструктурные пленки, многослойные и функциональные градиентные покрытия не могут быть получены твердофазными методами.