URSS.ru - Издательская группа URSS. Научная и учебная литература
Об издательстве Интернет-магазин Контакты Оптовикам и библиотекам Вакансии Пишите нам
КНИГИ НА РУССКОМ ЯЗЫКЕ


 
Вернуться в: Каталог  
Обложка Азаренков Н.А., Береснев В.М., Погребняк А.Д., Колесников Д.А. Наноструктурные покрытия и наноматериалы: Основы получения. Свойства. Области применения: Особенности современного наноструктурного направления в нанотехнологии
Id: 166333
 
417 руб.

Наноструктурные покрытия и наноматериалы: Основы получения. Свойства. Области применения: Особенности современного наноструктурного направления в нанотехнологии. Изд.стереотип.

URSS. 2013. 368 с. Мягкая обложка. ISBN 978-5-397-04035-8.

 Аннотация

В настоящем пособии приведена классификация наноразмерных структур, проанализированы их свойства. Обобщены сведения о проявлении размерных эффектов в физических, механических, термических и других свойствах наноструктурных материалов. Рассмотрены основные методы получения изолированных наночастиц, ультрадисперсных порошков, компактных нанокристаллических, нанопористых и аморфных материалов, фуллеренов, нанотрубок, а также наноструктурных покрытий. Кратко описаны методы исследований наноструктурных материалов. Изложены современные представления о формировании наноструктурных, нанокомпозитных покрытий, полученных ионно-плазменными методами осаждения. Описаны также растровый и просвечивающий позитронный микроскопы для исследования профилей вакансионных дефектов на глубине и сканирования вблизи поверхности. Изложены принципы ближнеполевой СВЧ-диагностики наноматериалов и сверхпроводников. Показаны возможности применения наноструктурных материалов и покрытий в технике.

Книга предназначена для студентов, аспирантов и научных работников.


 Оглавление

ПРЕДИСЛОВИЕ
Литература
РАЗДЕЛ 1. ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
 1.1. Общие сведения о наноразмерных структурах
 1.2. Механические свойства
 1.3. Термодинамические свойства
 1.4. Электрические свойства
 1.5. Магнитные свойства
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 2. НАНОПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 3. АМОРФНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
 3.1. Свойства аморфных металлических систем
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 4. ФУЛЛЕРЕНЫ, ФУЛЛЕРИТЫ, НАНОТРУБКИ
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 5. НАНОКОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 6. МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
 6.1. Порошковая металлургия получения наноматериалов
 6.2. Получение аморфных материалов
 6.3. Методы с использованием интенсивной пластической деформации
 6.4. Тонкопленочные технологии модификации поверхности
  6.4.1. Методы физического осаждения из паровой фазы (РVD)
  6.4.2. Методы химического осаждения из паровой фазы (CVD)
 6.5. Методы получения фуллеренов, нанотрубок
 6.6. Пучки заряженных частиц низких и средних энергий в нанотехнологиях
  6.6.1. Особенности прохождения ускоренных заряженных частиц в веществе
  6.6.2. Зондовые системы формирования пучков заряженных частиц
  6.6.3. Взаимодействие ускоренных заряженных частиц с резистивными материалами
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 7. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
 7.1. Методы структурного и химического анализа нанообъектов
 7.2. Механические испытания твердых тел на нанотвердость
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 8. СТРУКТУРА, СВОЙСТВА НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЕНОК И ПОКРЫТИЙ
 8.1. Формирование нанокристаллических покрытий
  8.1.1. Роль энергии в формировании наноструктурных пленок
 8.2. Особенности формирования нанокристаллических покрытий
  8.2.1. Влияние ионной бомбардировки на формирование покрытий
  8.2.2. Процесс смешивания
  8.2.3. Многослойные покрытия с наноструктурой
  8.2.4. Нанокомпозитные покрытия
 8.3. Нанокристаллические покрытия с высокой твердостью
 8.4. Механические свойства нанокристаллических покрытий
 8.5. Влияние температуры на свойства нанокристаллических покрытий
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 9. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕДЛЕННЫХ ПОЗИТРОНОВ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ МАТЕРИАЛОВ
 9.1. Источник позитронов и замедление
 9.2. Системы наведения пучка позитронов
 9.3. Методики измерений
  9.3.1. Получение профилей дефектов
  9.3.2. Профили имплантации позитронов
 9.4. Расчет профилей дефектов по глубине
 9.5. Позитронная микроскопия и микрозондирование
 9.6. Принципы получения позитронных пучков
 9.7. Экспериментальные результаты, полученные с помощью импульсного пучка
 9.8. Сканирующий позитронный микроскоп
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 10. БЛИЖНЕПОЛЕВАЯ СВЧ-ДИАГНОСТИКА МАТЕРИАЛОВ И СРЕД
 10.1. Применение ближнеполевой СВЧ-диагностики для анализа наноматериалов
 10.2. Диагностика сверхпроводящих материалов с помощью ближнеполевого микроволнового микроскопа
  10.2.1. Принципы работы
  10.2.2. Характеристики микроскопа
  10.2.3. Изображения
  10.2.4. Ограничения для микроскопа
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 11. ПОЛУЧЕНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФУЛЛЕРЕНОВ, НАНОТРУБОК, ГРАФЕНА И КУБАНА
 11.1. Аномальная термическая устойчивость кубана C8H8
 11.2. Фуллерены и нанотрубки
  11.2.1. Успешное применение углеродных нанотрубок в биологии и медицине
 11.3. Новые результаты по исследованию графенов
 11.4. Графеновые пленки в качестве электродов
 11.5. Полевая эмиссия электронов из вертикально ориентированных графенов
  Литература к разделу
РАЗДЕЛ 12. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРНЫХ НИТРИДНЫХ ПОКРЫТИЙ
 12.1. Введение
 12.2. Влияние ионной бомбардировки и легирования на свойства нанокристаллических пленок CrN
 12.3. Влияние дефектной структуры и процессов диффузии на термическую стабильность сверхтвердых покрытий на основе TiN
 12.4. Физико-механические и химические свойства Cr-Al-N, Сr-Si-N и Cr-Al-Si-N покрытий
 12.5. Фазовый состав, напряженное состояние и механические характеристики системы Ti-Zr-Si-N. Влияние конденсации и постконденсационной термической обработки
 12.6. Моделирование самоорганизации нанокомпозитов nc-TiN/a-Si3N4 из твердых Ti1-xSixNy растворов
 12.7. Использование кластерного подхода для описания структурных преобразований при концентрационном расслоении
 12.8. Структура и свойства многослойных покрытий на основе AlN/CrN
 12.9. Структура и свойства нанокомпозитных комбинированных покрытий на основе Ti-Cr-N/Ni-Cr-B-Si-Fe
 12.10. Комбинированные нанокомпозитные покрытия
 12.11. Области применения наноструктурных покрытий
 12.12. Заключение
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 13. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ТЕХНИКЕ
 13.1. Нанокристаллические покрытия в промышленности
 13.2. Применение наноструктур для создания элементов приборных устройств
 13.3. Области применения микро- и наноразмерных структур, созданных с помощью сфокусированных пучков заряженных частиц
 13.4. Потенциальные возможности применения углеродных нанотрубок
 13.5. Био-нанотехнологии. Искусственные материалы
 13.6. Нанофильтрование как новый способ очистки питьевой воды
 13.7. Промышленное применение сверхтвердых покрытий
  13.7.1. Получение и свойства сверхтвердых композитов
 Литература к разделу
РАЗДЕЛ 14. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В ВОЕННОЙ ОБЛАСТИ И ИНДУСТРИИ
 14.1. Радиационная, химическая и биологическая защита войск
 14.2. Индивидуальные средства защиты военнослужащих
  Литература к разделу
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ

 ПРЕДИСЛОВИЕ

В последние годы исследование субмикронных, нано- и кластерных материалов получило быстрое развитие благодаря существующим и/или потенциальным применениям во многих технологических областях, таких как электроника, катализ, магнитное сохранение данных, структурные компоненты и т.п.

Субмикронные и нанокристаллические металлические и керамические материалы в настоящее время широко применяются в качестве конструкционных элементов и функциональных слоев в современных микроэлектронных устройствах, деталях авиакосмической техники, в качестве твердых износостойких покрытий обрабатывающей промышленности. Чтобы удовлетворить технологические требования в указанных областях, размер структурных элементов необходимо уменьшить до субмикронного или нанометрового масштаба. При уменьшении размера структурного элемента до нанометрового диапазона материалы демонстрируют отличные от массивного новые физико-механические свойства. Изучение наноразмерных структур (наноструктур) относится к направлению нанотехнологии. Важными составляющими этого научно-технического направления являются разработка и изучение наноструктурных материалов (далее -- наноматериалов), исследование свойств полученных наноструктур в различных условиях. По размерной шкале материалы, имеющие размер зерна от 0,3 до 0,04 мкм, относятся к субмикрокристаллическим [1 -- 18]. Материалы, состоящие из структурных единиц меньших, чем указаны выше, относятся к наноматериалам.

Под наноматериалами (нанокристаллическими, нанокомпозитными, нанофазными и т.д.) принято понимать материалы, структурные элементы (зерна, кристаллиты, волокна, слои, поры) которых не превышают нанотехнологической границы -- 100 нм (1 нм = 109 м), по крайней мере, в одном пространственном направлении. Сами наноматериалы по размерам структурных единиц и числу атомов в них условно делятся на нанокластеры и нанокристаллы.

Нанокластеры, в свою очередь, делятся на малые (с числом атомов 3 -- 12, 100% поверхностных атомов, без внутренних слоев), большие (с числом атомов 13 -- 150, 92 -- 63 % поверхностных атомов, 1 -- 3 внутренних слоя), гигантские нанокластеры (с числом атомов 151 -- 22000, 63 -- 15 % поверхностных атомов, 4 -- 18 внутренних слоя). Условно верхняя граница кластера соответствует такому числу атомов, при котором добавление еще одного атома уже не меняет физико-химические свойства кластеров. Как показали теоретические расчеты, подтвержденные экспериментальными исследованиями, для кластеров, содержащих менее 300 атомов, наиболее стабильной должна быть икосаэдрическая форма. Увеличение числа атомов в кластере приводит к быстрому росту энергии упругой деформации, которая пропорциональна объему, следствием чего является дестабилизация икосаэдрической структуры в пользу развития гранецентрированной кубической решетки.

Большие по числу атомов структурные единицы с размером 3 -- 40 нм относятся к нанокристаллам. Нанокристаллические материалы имеют разнообразные формы и обладают уникальными химическими, физическими и механическими свойствами. Выбор такого размерного критерия обусловлен тем, что верхний предел (максимальный размер элементов) для наноструктур должен быть связан с неким критическим параметром: длиной свободного пробега носителей в явлениях переноса, размерами доменов/доменных стенок, диаметром петли Франка-Рида для скольжения дислокаций, длиной волны де Бройля и т.п. Наличие комплекса новых качеств и свойств наноструктурных систем свидетельствует о существовании особого конденсированного состояния вещества, которое реализуется в наноструктурных средах. Получение наноструктурных материалов на основе различных металлов и сплавов в настоящее время осуществляют специально разработанными технологическими методами.

За последние годы в области физики и технологии наноструктурных материалов достигнуты определенные успехи. В частности, важный этап развития исследований наноструктурных материалов связан с систематическим изучением микропроцессов, протекающих на межфазных границах при получении наноструктурных систем. Это позволило предложить методики расчета оптимальных технологических параметров перспективных способов формирования наноструктурных материалов.

В ряде изданий, монографий и статей [19 -- 30] изложены сведения о технологии, структуре, свойствах и применении наноматериалов и наноструктур, однако там приведено лишь описание отдельных представителей классов и не отражены в полной мере особенности современного наноструктурного направления нанотехнологии в целом. Чем же обуславливается современный интерес к нанотехнологии вообще и к исследованию наноструктур в частности?

С одной стороны, методы нанотехнологии позволяют получать принципиально новые материалы, которые найдут применение как компактные и функциональные материалы новых технологий. Это первостепенно важно в связи с созданием новой элементной базы для выпуска наноустройств будущего, независимо от физических принципов их функционирования.

С другой стороны, нанотехнологии являются весьма широким междисциплинарным направлением, объединяющим специалистов в области физики, химии, материаловедения, биологии, технологии, направлений в области интеллектуальных/самоорганизующихся систем, высокотехнологичной компьютерной техники и т.д. Наконец, решение проблем нанотехнологии, в первую очередь исследовательских, выявило множество пробелов как в фундаментальных, так и в технологических знаниях. Все вышеперечисленное способствует концентрации внимания научно-инженерного сообщества в этом направлении.

Во многих технологически продвинутых странах (США, Объединенная Европа, Япония, Китай, Россия) приняты и активно претворяются в жизнь национальные программы, предусматривающие интенсивное развитие различных научно-технических разработок, относящихся к области нанотехнологии и наноструктур.

Если говорить о наноматериалах, то принято выделять несколько основных разновидностей.

Консолидированные материалы -- компакты, пленки и покрытия из металлов, сплавов и соединений, получаемые методами, например, порошковой технологии, интенсивной пластической деформации, контролируемой кристаллизации из аморфного состояния и разнообразными приемами нанесения пленок и покрытий. Нанополупроводники, нанополимеры и нанобиоматериалы могут быть в изолированном и частично в смешанном (консолидированном) состоянии. Фуллерены и нанотрубки стали объектами изучения с момента открытия (Н. Крото, Р. Керлу, Р. Смолли, 1985) новой аллотропной формы углерода -- кластеров С_60 и С_70, названных фуллеренами. Более пристальное внимание новые формы углерода привлекли к себе, когда были обнаружены углеродные нанотрубки в продуктах электродугового испарения графита (С. Ишима, 1991). Наночастицы и нанопорошки представляют собой квазинульмерные структуры различного состава, размеры которых не превышают, в общем случае, нанотехнологической границы. Различие состоит в том, что наночастицы имеют возможный изолированный характер, тогда как нанопорошки -- обязательно совокупный. Похожим образом нанопористые материалы характеризуются размером пор, как правило, менее 100 нм.

Супрамолекулярные структуры -- это наноструктуры, получаемые в результате так называемого нековалентного синтеза с образованием слабых (ван-дер-ваальсовых, водородных и др.) связей между молекулами и их ансамблями.

Наноматериалы -- не один "универсальный" материал, а обширный класс множества различных материалов, объединяющий их различные семейства с практически интересными свойствами. Заблуждением является и то, что наноматериалы -- это просто очень мелкие, "нано"-частицы. На самом деле, многие наноматериалы являются не отдельными частицами, они могут представлять собой сложные микрообъекты, которые наноструктурированы на поверхности или в объеме. Такие наноматериалы можно рассматривать в качестве особого состояния вещества, так как свойства материалов, образованных с участием структурных элементов с наноразмерами, не идентичны свойствам объемного вещества.

Итак, наноматериалы характеризуются несколькими основными чертами, ставящих их вне конкуренции по сравнению с другими веществами, находящими практическое использование в деятельности человека.

Во-первых, все наноматериалы действительно состоят из очень мелких частиц, которые нельзя увидеть невооруженным глазом. Это -- суперминиатюризация, приводящая к тому, что на единице площади можно разместить больше функциональных наноустройств, что жизненно важно, скажем, для наноэлектроники или для достижения очень плотной магнитной записи информации до 10 Тиррабит на 1 квадратный сантиметр.

Во-вторых, наноматериалы обладают большой площадью поверхности, ускоряющей взаимодействие между ними и средой, в которую они помещены. Например, каталитически активные материалы позволяют в десятки, тысячи и даже миллионы раз ускорить химические или биохимические реакции.

Интересное применение -- разложение воды для водородной энергетики на водород и кислород в присутствии наночастиц диоксида титана, который всем нам известен, как компонент титановых белил. Нанофильтры позволяют отсеять бактерии или эффективно поглотить примеси или токсины.

В-третьих, наноматериалы уникальны по своим физико-механическим свойствам тем, что такое вещество находится в особом, "наноразмерном", состоянии. Изменения основных характеристик обусловлены не только малостью размеров, но и проявлением квантовомеханических эффектов при доминирующей роли поверхностей раздела. Эти эффекты наступают при таком критическом размере, который соизмерим с так называемым корреляционным радиусом того или иного физического явления (например, с длиной свободного пробега электронов, фононов, длиной когерентности в сверхпроводнике, размерами магнитного домена или зародыша твердой фазы и др.). Это делает, в частности, полупроводниковые материалы идеальными элементами совершенных энергосберегающих лазерных и светоизлучающих элементов. А индивидуальные углеродные нанотрубки обладают прочностью, в десятки раз превышающей прочность лучшей стали, при этом они во много раз выигрывают и по своей удельной массе. Все эти признаки вполне объясняют тот факт, что даже грамм наноматериала может быть более эффективен, чем тонна обычного вещества, и что их производство -- вопрос не количества, не тонн или километров, а качества человеческой мысли, "ноу-хау" (английское know how -- "знаю как").

Нанотехнологии -- чрезвычайно сложная профессиональная междисциплинарная область, объединяющая на равных усилия химиков, физиков, материаловедов, математиков, медиков, специалистов в области вычислительных методов и др. В области наноматериалов удивительным образом переплетены как глубоко фундаментальные научные основы, так и аспекты практического использования человеческих знаний.

В предлагаемом учебном пособии изложены основные сведения о получении, структуре, свойствах и применении современных наноматериалов.

В первом разделе даны общие понятия о наноматериалах, изложены сведения об особенностях структуры, влиянии размерных эффектов на ее формирование и физико-механические свойства.

Во втором и третьем разделах приведены сведения о структуре и свойствах нанопористых и аморфных материалов.

В четвертом разделе рассмотрены некоторые свойства фуллеренов и нанотрубок.

Нанокомпозитам на основе полимеров посвящен пятый раздел.

В шестом разделе рассмотрены методы и технологии получения наноматериалов.

Новейшим физическим методам исследования наноматериалов посвящен седьмой раздел.

В восьмом разделе рассмотрены механические и термические свойства нанокристаллических пленок и нанокомпозитных покрытий, полученных физическими методами осаждения.

В девятом разделе описывается позитронная микроскопия дефектов в полупроводниках и других материалах. Представлены принципы работы просвечиающего и растрового позитронного микроскопа и микрозонда.

Десятый раздел посвящен ближнеполевой СВЧ-диагностике материалов, включая использование микроволновой микроскопии в нанотехнологиях.

В одинадцатом разделе описано получение и использование фуллеренов, нонотрубок, графена и кубана.

Двенадцатый раздел посящен исследованию физико-химических свойств наноструктурных нитридных покрытий.

Тринадцатый раздел посвящен применению нанокристаллических материалов в технике.

Четырнадцатый раздел посвящен применению наноматериалов в военной технике

За труд рецензирования монографии авторы признательны профессору Проценко И. E. (Сумской государственный университет), профессору Багмуту А. Г. (Национальный технический университет "Харьковский политехнический институт"), профессору Русакову В.С. (Московский государственный университет).

За помощь в подготовке монографии к печати авторы благодарны сотрудникам Научного физико-технологического центра МОНМС и НАН Украины П. В. Турбину и А. А. Дробышевской. На разных стадиях работы над монографией ее материал обсуждался с сотрудниками Сумского института модификации поверхности и Сумского государственного университета А. П. Шипиленко, С. Н. Братушка, М. В. Кавериным и многими другими которым авторы выражают благодарность.


 Об авторах

Николай Алексеевич АЗАРЕНКОВ

Доктор физико-математических наук, профессор, член-корреспондент НАН Украины. Заслуженный деятель науки и техники Украины, заведующий кафедрой материалов реакторостроения, проректор по научно-педагогической работе Харьковского национального университета им.В.Н.Каразина. Специалист в области нелинейной физики плазмы, автор и соавтор более 300 научных работ.

Вячеслав Мартынович БЕРЕСНЕВ

Доктор технических наук, профессор кафедры материалов реакторостроения Харьковского национального университета им.В.Н.Каразина, автор 2 монографий, 2 учебных пособий и более 200 печатных научных трудов в области физического материаловедения покрытий, физики модификации поверхности.

Александр Дмитриевич ПОГРЕБНЯК

Профессор кафедры физической и наноэлектроники Сумского государственного университета, директор Сумского института модификации поверхности. Специалист в области модификации материалов пучками заряженных частиц и потоков плазмы, создания и исследования многокомпонентных наноструктурных покрытий. Автор 165 научных работ, в том числе 5 книг; имеет 65 авторских свидетельств и патентов разных стран.

Дмитрий Александрович КОЛЕСНИКОВ

Кандидат технических наук, заведующий лабораторией электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа Центра коллективного пользования Белгородского государственного университета (национального исследовательского университета). Научные интересы: жаростойкие и износостойкие покрытия, синтез новых материалов в условиях сверхвысоких давлений, электронная микроскопия, композиционные керамические и металлокерамические материалы, имплантаты для стоматологии и ортопедии. Автор свыше 50 научных работ.

 
© URSS 2016.

Информация о Продавце