Материалы, в структуру которых входят наночастицы,
проявляют повышенную прочность и твердость по сравнению с материалами,
состоящими из более крупных частиц. С помощью нового метода
изготовления материалов достигается микрокристаллическое состояние,
сохраняющееся в течение всего процесса обработки материала и
изготовления изделий
Алюминий – легкий и пластичный материал. Однако если его структура
образована наночастицами, он приобретает иные свойства: становится
более прочным и твердым, пригодным для изготовления деталей двигателей
и приспособленным выдерживать высокие температуры. Такой алюминий
превосходно подходит для изготовления облегченных деталей, упрочения
материалов и уменьшения толщины обшивок. И все эти свойства алюминия
обусловлены главным образом размером кристаллов в его структуре:
кристаллы должны быть намного меньше, чем в традиционно изготавливаемых
материалах. Здесь важную роль играет разработка процессов получения так
называемых «микрокристаллических структур».
Процесс изготовления наноматериала включает стадии прессования и
спекания, что связано с повышением температуры: в результате нагрева
кристаллы начинают расти, приводя к нарушению тонкой структуры
материала. Другими словами, традиционные технологии обработки приводят
к потере «нано-свойств» вследствие нагрева полупродукта.
Ученые из Фраунгоферовского Института промышленной инженерии и
прикладных материалов (Fraunhofer Institute for Manufacturing
Engineering and Applied Materials Research IFAM) в Дрездене нашли
решение этой технологической задачи.
 Слева
на рисунке изображена крупнокристаллическая структура алюминиевого
сплава, полученная традиционным методом; справа изображена
микрокристаллическая структура алюминиевого сплава.
«Целью нашей работы был поиск подхода, который позволил бы избежать
разрушения микрокристаллической структуры материала методами
традиционной обработки», – рассказывает руководитель проекта Ронни
Лешнер (Ronny Leuschner). Ученые разработали специальную
технологическую схему для производства алюминиевых и других
наноматериалов. «В первую очередь мы научились получать
микрокристалличекие алюминиевые сплавы, – рассказывает Лешнер –
Расплавленный металл мы подвергли быстрому охлаждению, фактически
заморозив его».
Быстрое охлаждение осуществляется с помощью метода «формования волокна из расплава» ("melt spinning”):
специальное распыляющее устройство подает расплав на охлаждаемый водой
крутящийся валик, в результате чего образуются однотипные полоски или
«хлопья», толщина которых не превышает нескольких микрометров. Попадая
на ролик, расплав быстро охлаждается и затвердевает. С помощью этой
системы можно получать килограммовые количества материала, который
выдерживает температуры, превышающие 1700 градусов по Цельсию.
«После однократного проведения процедуры затвердевания хлопья
материала можно подвергнуть прессованию и прочим видам обработки для
придания изделию необходимой формы», – объясняет Лешнер.
В течение последующей обработки «застывшая» микрокристаллическая
структура материала остается неповрежденной. Этот подход используется и
при искровом плазменном спекании (spark plasma sintering, SPS),
когда во время спекания или прессования материала на него подаются
высокочастотные импульсы электрического тока и спекаются края
кристаллов; при этом микрокристаллическая структура материала
сохраняется.
Полученные с помощью такого метода наноматериалы находят весьма
разнообразное применение: например, алюминиевые детали, являющиеся
высокопрочными, легкими, инертными к коррозии и износостойкими можно
применять для хранения водорода, термоэлектрических методов получения
энергии и в электрической инженерии.
Мария Костюкова | 
