Наноструктурированная пленка
Наноструктурированная пленка — это пленка, полученная в результате инженерии наномасштабных особенностей, таких как дислокации , границы зерен , дефекты или двойникование . В отличие от других наноструктур, таких как наночастицы , сама пленка может иметь толщину до нескольких микрометров, но обладает большой концентрацией наномасштабных особенностей, однородно распределенных по всей пленке. Как и другие наноматериалы, наноструктурированные пленки вызвали большой интерес, поскольку они обладают уникальными свойствами, не встречающимися в объемном, ненаноструктурированном материале того же состава. В частности, наноструктурированные пленки стали предметом недавних исследований из-за их превосходных механических свойств, включая прочность , твердость и коррозионную стойкость по сравнению с обычными пленками того же материала. [1] Примерами наноструктурированных пленок являются те, которые производятся инженерией границ зерен, такие как нанодвойниковая сверхтонкозернистая медь или двухфазное наноструктурирование, такие как кристаллические металлические и аморфные металлические стеклянные нанокомпозиты. [2]
Синтез и характеристика
Наноструктурированные пленки обычно создаются с помощью магнетронного распыления из соответствующего материала мишени. [3] Пленки могут быть элементарными по своей природе, образованными распылением из чистой металлической мишени, такой как медь, или состоящими из составных материалов. Различные параметры, такие как скорость распыления, температура подложки и прерывания распыления, позволяют создавать пленки с различными наноструктурированными элементами. Контроль над нанодвойникованием, подгонка определенных типов границ зерен и ограничение движения и распространения дислокаций были продемонстрированы с использованием пленок, полученных с помощью магнетронного распыления. [4]
Методы, используемые для изучения наноструктурированных пленок, включают просвечивающую электронную микроскопию , сканирующую электронную микроскопию , дифракцию обратно рассеянных электронов , измельчение сфокусированным ионным пучком и наноиндентирование . [1] [2] Эти методы используются, поскольку они позволяют визуализировать наномасштабные структуры, включая дислокации, двойникование, границы зерен, морфологию пленки и атомную структуру.
Свойства материала
Наноструктурированные пленки представляют интерес из-за их превосходных механических и физических свойств по сравнению с их обычным эквивалентом. Было обнаружено, что элементарные наноструктурированные пленки, состоящие из чистой меди, обладают хорошей термической стабильностью из-за того, что нанодвойниковая пленка имеет более высокую долю границ зерен. [1] В дополнение к обладанию более высокой термической стабильностью, было обнаружено, что медные пленки, которые были сильно нанодвойникованы, имеют лучшую коррозионную стойкость, чем медные пленки с низкой концентрацией нанодвойников. [5] Контроль доли зерен в материале с присутствующими нанодвойниками имеет большой потенциал для менее дорогих сплавов и покрытий с хорошей степенью коррозионной стойкости.
Было показано, что составные наноструктурированные пленки, состоящие из кристаллических ядер MgCu 2 , инкапсулированных аморфными стекловидными оболочками из того же материала, обладают почти идеальной механической прочностью. [2] Было обнаружено, что кристаллические ядра MgCu 2 , обычно размером менее 10 нм, существенно укрепляют материал, ограничивая движение дислокаций и зерен. Было также обнаружено, что ядра вносят вклад в общую прочность материала, ограничивая движение полос сдвига в материале. Эта наноструктурированная пленка отличается как от кристаллических металлов, так и от аморфных металлических стекол, оба из которых демонстрируют такие поведения, как обратный эффект Холла-Петча и размягчение полос сдвига, которые не позволяют им достичь идеальных значений прочности. [2]
Приложения
Наноструктурированные пленки с превосходными механическими свойствами позволяют использовать ранее непригодные материалы в новых приложениях, что открывает возможности для развития областей, где покрытия широко используются, таких как аэрокосмическая промышленность, энергетика и другие области техники. [6] Масштабируемость производства наноструктурированных пленок уже была продемонстрирована, и прогнозируется, что повсеместное распространение методов напыления в промышленности будет способствовать внедрению наноструктурированных пленок в существующие приложения. [4]
Смотрите также
Ссылки
- ^ abcd Чжао, Ифу; Ферниш, Тимоти Аллен; Касснер, Майкл Эрнест; Ходж, Андреа Мария (2012). «Термическая стабильность высоконанодвойниковой меди: роль границ зерен и текстуры». Журнал исследований материалов . 27 (24): 3049–3057. doi :10.1557/jmr.2012.376. ISSN 0884-2914.
- ^ abcd Ву, Ге; Чан, Ка-Ченг; Чжу, Линьли; Сан, Лиган; Лу, Цзянь (2017). «Двухфазное наноструктурирование как путь к высокопрочным магниевым сплавам». Nature . 545 (7652): 80–83. doi :10.1038/nature21691. PMID 28379942. S2CID 4463565.
- ^ Поляков, Михаил Н.; Чукаджорн, Тонджай; Мекленбург, Мэтью; Шух, Кристофер А.; Ходж, Андреа М. (2016-04-15). "Распыленные наноструктуры Hf–Ti: исследование сегрегации и высокотемпературной стабильности". Acta Materialia . 108 : 8–16. doi : 10.1016/j.actamat.2016.01.073 .
- ^ ab Hodge, AM; Wang, YM; Barbee Jr., TW (2006-08-15). «Крупномасштабное производство нанодвойниковой, ультрамелкозернистой меди». Materials Science and Engineering: A . 429 (1–2): 272–276. doi :10.1016/j.msea.2006.05.109.
- ^ Чжао, Y.; Ченг, IC; Касснер, ME; Ходж, AM (апрель 2014 г.). «Влияние нанодвойников на коррозионное поведение меди». Acta Materialia . 67 : 181–188. doi :10.1016/j.actamat.2013.12.030.
- ^ Лу, Л.; Чэнь, С.; Хуан, С.; Лу, К. (2009-01-30). «Раскрытие максимальной прочности в нанодвойниковой меди». Science . 323 (5914): 607–610. doi :10.1126/science.1167641. ISSN 0036-8075. PMID 19179523. S2CID 5357877.
