Системно-технологический анализ процессов и факторов, определяющих формирование свойств наноструктурированных материалов

4. Маланов С.В. Психологические механизмы мышления человека: мышление в науке и учебной деятельности : учеб. пособие. Воронеж : изд-во НПО «МОДЭК». - 2004. - 480 с.

5. Гурина Р.В., Червон С.В. Введение в теорию гравитации и космологию: учебное пособие по астрономии и космологии. - Ульяновск.: УлГУ, 1998. - 94 с.

6. Русский космизм. Антология философской мысли. - М.: Педагогика-Пресс, 1993. - 368 с.

7. Вернадский В.И. Научная мысль как планетарное явление. - М.: Наука, 1991. - 55 с.

УДК 53 ББК В 3

С.Ф. Забелин, А.А. Васильев, К.С. Забелин

Системно-технологический анализ процессов и факторов, определяющих формирование свойств наноструктурированных материалов

Предложен новый подход к анализу нанотехнологий (НТ) и наноструктурированных материалов (НСМ). Разработана методика системно-технологического анализа процессов синтеза НСМ и факторов, определяющих формирование их свойств. Установлены критерии классификации НТ и НСМ. Морфологическое описание структурного строения НСМ позволило выявить основные критерии: химический состав, форма и размер кристаллитов, границы разделов, дефекты кристаллической решетки, а также учет методов их получения.

Ключевые слова: нанотехнологии, нанострук-турированные материалы, системный анализ.

S.F. Zabelin, A.A. Vassiljev, K.S. Zabelin

System and Technologic Analysis of Processes and Factors Determining Nanopatterned Materials Properties

A new approach to the analysis of nanotechnologies and nanopatterned materials is presented in the article. The authors worked out the methodology of system and technologic analysis of the nanopatterned materials synthesis and the factors determining their properties.

The classification criteria of nanotechnologies and nanopatterned materials are stated in the article. The major criteria are chemical composition, habit and size of crystallites, boundary line, crys-tal-lattice defect.

Key words: nanotechnologies, nanopatterned materials, system analysis.

Разрозненность междисциплинарных знаний и результатов разработок по нанотехнологиям [9; 10] существенно затрудняет внедрение новейших достижений в производство, дальнейшее совершенствование нанотехнологий и синтез более эффективных наноматериалов. Назрела проблема создания отдельных специализированных производств или даже отрасли промышленного производства в машиностроении, готовых к осуществлению технологических процессов и методов научных разработок по нанонауке с использованием наноструктурированных материалов (НСМ). Однако для этого необходимо рассмотреть и решить два основных аспекта проблемы:

— проведение технического перевооружения технологической базы машиностроительного производства (оборудование, оснастка, инструмент, рекомендации, методики, технологические операционные карты, сертификаты и другие документы);

— организацию подготовки квалифицированных специалистов, владеющих достаточными знаниями и имеющими опыт и навыки работы на прецизионном оборудовании (зон-довая сканирующая и электронная микроскопия, микроконтактные методы неразрушающего контроля и управления процессами).

С другой стороны, решение проблемы создания нового класса материалов и наноструктурных технологий (НСТ) требует организации нового научно-технологического направления в нанонауке - материаловедения и технологии НСМ [3]. Создание нового направления и специализированной отрасли промышленности НСМ и НСТ ставит задачу разработки систем стандартизации и сертификации в этой области, которую нельзя решить без базовых определений, систематизации и классификации НСМ. Поэтому необходимо сформировать методологические подходы к решению основных задач данного направления и сформулировать основные его положения: предмет и объекты изучения и разработок, цель и задачи научного направления и технологии.

Базой научных основ этого направления являются фундаментальные знания классических дисциплин: физики, химии, материаловедения и технологии металлов, сопромата и биологии. Особого внимания заслуживают закономерности квантовой теории, основ кристаллографии, теории дефектов структурного строения, положений физикохимии поверхности и теорий трения и износа, основ молекулярной химии и биологии, теорий прочности и разрушения материалов и др. Необходима также подготовка по математическому и компьютерному моделированию, навыкам работы с использованием электронных и зондовых сканирующих методов исследований, атомному дизайну и ряду методик физикохимического анализа.

Учитывая, что наука о НСМ и НСТ еще достаточно молода, основные понятия и определения еще не устоялись, предлагаем следующее рабочее определение.

НСМ называются объекты и материалы с качественно новыми свойствами, полученными за счет уменьшения (диспергирования) структурных элементов до размеров наночастиц (меньше 100 нм), в которых проявляются атомно-молекулярная структура вещества и квантовые закономерности его поведения; НСТ — совокупность методов получения, изменения состояния и диагностики НСМ и использования их в технологиях изготовления изделий [4].

Если рассматривать междисциплинарную область знаний как единое научное направление, то предметом изучения будут закономерности и особенности физико-химических процессов в объектах и структурах, элементы которых имеют размеры нанометрового диапазона, с целью управления отдельными атомами, молекулами, наносистемами при создании новых наноструктур и материалов со специальными физико-химическими, механическими и эксплуатационными свойствами.

Наряду с научными разработками не менее важными являются проблемы разработки технологических методов получения НСМ и практического использования наноструктур при изготовлении деталей, полуфабрикатов и готовых изделий.

Следовательно, для достижения главной цели этого направления нанонауки необходимо решить три основные задачи [5]:

— исследование и установление основных закономерностей физико-химических процес-

сов в НСМ, определяющих их конструкционные и функциональные свойства;

— разработка методов получения НСМ;

— разработка технологий, использующих НСМ для изготовления деталей и изделий.

За последние 10 лет разработаны сотни разнообразных НСМ конструкционного и функционального назначения в различных отраслях науки и производства и реализованы десятки способов их получения [1-10].

Например, для материаловедения наибольший интерес вызывают разработки объемных нанокристаллических и аморфных материалов [4; 5; 8], нанокристаллических ферромагнитных сплавов, фуллеренов и углеродных нанотрубок [3; 6], нанокомпозитов [7], тонкопленочных многослойных наноструктур [4; 5; 10] и т.д. Такие материалы интересны сочетанием ряда параметров, недостижимых для традиционных кристаллических структур; не менее важно и то, что в них проявляются новые физические явления, приводящие к существенному изменению их свойств [1; 2].

Сформированные из наночастиц и/или кластеров наноструктурированные материалы перспективны как для изучения физических и конструкционных свойств, так и для использования в новых технологиях, например, при разработке деталей и узлов машин из высокопрочных нанокристаллических и аморфных материалов, тонкопленочных гетероструктурных компонентов в микроэлектронике и оптотро-нике, магнитотвердых и магнитомягких материалов в электротехнике, нанопористых материалов в химической и нефтехимической промышленности (катализаторов, адсорбентов, молекулярных фильтров, мембран, сепараторов), микроэлектромеханических устройств (роботов, манипуляторов), топливных элементов, электроаккумуляторов и других преобразователей энергии, биосовместимых металлов и сплавов для трансплантации в живые организмы, лекарственных и биологических препаратов и др. [1-10]. Большое разнообразие НСМ, структурных образований в них и проявление ими различных свойств требуют их детальной систематизации и классификации.

Наиболее важным и востребованным является производство и использование высокопрочных конструкционных наноматериалов, в основном металлов и сплавов. Потребность в них хорошо известна, а материалоемкость изделий из них зависит от механических свойств: упругости, пластичности, прочности, вязкости

разрушения и др. [4]. Известно также, что механические свойства материалов определяются химическим составом и реальным структурным строением (т. е. наличием определенной кристаллической решетки или ее отсутствием). Например, высокие прочностные свойства материала можно получить двумя прямо противоположными способами (рис. 1) [1]: снижая концентрацию или плотность дефектов структуры (приближаясь к идеальному монокри-сталлическому состоянию), или, наоборот, увеличивая их, вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба пути используют в современном физическом металловедении и производстве.

Рис. 1. Зависимость прочности от плотности атомарных дефектов в материале

Первоначально исследования наноэффектов проводили на отдельных атомных агрегациях и изолированных кластерах, содержащих от нескольких атомов до нескольких их сотен, на малых частицах с размером более 1 нм и ультрадисперсных порошках. Затем, когда были созданы методы получения компактных (массивных) нанокристаллических веществ, обнаружили, что уменьшение размеров кристаллов ниже пороговой величины (100 нм) приводит к значительному изменению свойств. Стало ясно, что изучение свойств на-нодисперсных материалов требует учета не только их состава и структурного строения, но и их дисперсности. А с появлением различных методов получения НСМ (табл. 1) установлено, что при переходе в наносостояние закономерности изменения свойств материалов связаны не столько с уменьшением размеров частиц, сколько с наличием большого количества примесей (кислорода, азота, водорода), большой площадью границ раздела (межзеренных или межфазных границ) и их формой, нерав-новесностью структуры, а возможно, и с энергетическим состоянием НСМ.

Есть доказательства того, что с уменьшением зерен или частиц до нанометрового размера изменяются свойства веществ, но это изменение редко превышает 20—30 % [4]. Другим фактором является то, что сохранить малый размер зерен и достигнутый положительный эффект очень сложно. Необычные свойства наноматериалов обусловлены как особенностями отдельных частиц (кристаллитов), так и их коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами.

Следовательно, для достижения заданного уровня конструкционных и функциональных свойств НСМ необходимо учитывать не только их состав, структурное строение, дисперсность, но и условия их получения, а также особенности характера взаимодействия между наночастицами.

По мнению автора, ключом к пониманию причин изменения свойств в наноматериалах может служить сочетание термодинамического анализа состояния системы с рассмотрением кинетических факторов процессов, характеризующих это состояние. Физическая суть эффекта изменения свойств НСМ может характеризоваться такими процессами, как пластическая деформация, электросопротивление и диффузия в данной системе.

Таким образом, для оценки характера изменения свойств НСМ необходимы изучение и анализ механизмов этих процессов, их описание на основе термодинамики необратимых процессов, связи подвижности атомов и элементов со структурным строением, электронным состоянием и их кинетикой.

Таблица 1[5]

Методы получения НСМ Разновидность метода

Консолидация (компактирование) порошков Газофазовое осаждение и компактирование (Метод Глейтера) Прессование и спекание Одноосное прессование: — статическое в пресс-формах, штамповка; — динамическое магнитноимпульсное, взрывчатое; — вибрационное ультразвуковое; — изостатическое, гидро-, газостатическое, квазигидростатическое

ГИП — горячее изостатическое прессование ВТГЭ — высокотемпературная газовая экструзия Спекание: — без давления; — под давлением; — контролируемое; — электроразрядное; — микроволновое

Контролируемая кристаллизация и полимеризация Кристаллизация из аморфного состояния, закалка из расплава, обычные и высокие давления, однофазные, многофазные и композитные материалы

Интенсивная пластическая деформация Равноканальное угловое прессование Фазовый наклеп Деформация кручением в условиях высокого давления

Пленочные и приповерхностные тонкослоистые технологии Физическое осаждение из газовой фазы (молекулярно-лучевая эпитаксия) Химическое осаждение из газовой фазы Электроосаждение Ионно-лучевая имплантация Химико-термическое разложение Криохимическое

Исходя из анализа достаточно хорошо экспериментально изученных наноструктур и НСМ, их можно классифицировать, разделив на пять категорий (основой служит классификация ИМЕТиМ им. А. А. Байкова РАН [10], в которой наноматериалы делят на три категории).

Первая категория включает структурные образования в виде наноразмерных частиц — квантовые точки, квантовые диполи, кластеры и нанопроволоки. Квантовые точки и диполи — это агрегации, образованные группой атомов, их можно не только видеть, но и собирать из них образования в вице нанопроволоки.

Вторая категория включает материалы в виде наноразмерных частиц, тонких волокон и пленок, которые изолированы, нанесены на подложку или внедрены в матрицу. Материалы этой категории, полученные различными методами осаждения и конденсации, аэрозольными методами, используют, например, в элементах полупроводниковой техники и в качестве катализаторов в технологических процессах промышленной химии.

Третья категория включает материалы, в которых наноструктура ограничивается тонким поверхностным слоем массивного материала. Для получения такого слоя применяют различные методы, например, ионную имплантацию, лазерную обработку, термодеформационное или химико-термическое воздействие. Такие свойства поверхности, как коррозионная стойкость, твердость и износостойкость, трибологические свойства значительно улучшаются за счет создания в слое наноструктуры. Эти материалы используют в аэрокосмической, атомной и ряде других отраслей машиностроения.

Четвертая категория включает массивные материалы, атомная структура и/или химический состав которых изменяются по объему материала на атомном уровне: стекла, гели,

пересыщенные растворы или имплантированные материалы (полученные бомбардировкой ионами). Наиболее часто такие материалы получают путем охлаждения (закалкой) высокотемпературной равновесной структуры до низких температур.

Пятая категория включает массивные материалы, состоящие из наноразмерных блоков, которые могут отличаться атомной структурой, кристаллографической ориентацией и химическим составом, и областей между соседними блоками. Таким образом, эти материалы в отличие от материалов четвертой категории являются микроструктурно неоднородными.

При определении классификационных признаков наноструктур и структурного строения НСМ необходимо разделить подходы к анализу строения наночастиц и наноматериалов, имеющих зеренное строение.

Наиболее простое разделение НСМ связано с геометрическими параметрами их структуры. Материалы с характерным размером микроструктуры от 1 до 100 нм (в некоторых случаях до 40 нм) называются наноструктуриро-ванными (нанофазными, нанокристалличе-скими) материалами или супрамолекулярны-ми твердыми телами [2].

Если исходить из физических признаков классификации наноматериалов, то наибольший размер одной из структурных агрегаций (фрагментов) меньше либо равен размеру, характерному, например: для прочностных

свойств — размеру бездефектного кристалла; для электропроводности — длине свободного пробега электронов; для магнитных свойств — размеру однодоменного кристалла. Но по физической классификации наноматериалов предельные значения размеров структурных элементов различны для разных свойств и материалов. Например, в табл. 2 приведены расчетные значения размеров частиц и зерен, в которых отсутствуют призматические дислокационные петли и краевые дислокации [8]. Экспериментальные исследования структуры малых частиц методами просвечивающей электронной микроскопии показали отсутствие в них дислокаций. Косвенно это также подтверждается значительным возрастанием давлений прессования с уменьшением размера частиц порошков. Но дислокации в поликристаллах с когерентными границами зерен присутствуют и стабильны, что также подтвердили результаты субструктурных исследований. Например, в компактах из порошков палладия с размером частиц 20 нм и порошков молиб-

дена с размером частиц 10 нм обнаружены дислокации в объеме зерен [8]. Следовательно, размер бездефектных частиц значительно больше размера бездефектных зерен в поликристаллах и критерий "наноразмерносги" отличается для частиц и зерен, если следовать физической классификации.

Химический состав, атомное строение, форма и размеры кристаллов, также как и границ раздела, могут различаться и существенно влиять на свойства НСМ и, соответственно, могут являться классификационными признаками.

По форме кристаллитов НСМ делят на три группы: слоистые, волокнистые и равноосные (табл. 3), для которых толщина слоя, диаметр волокна или размер зерна меньше некоторого значения (100 нм) [8].

По химическому составу кристаллитов можно выделить четыре группы НСМ (табл. 3). Наиболее простой вариант, когда химический состав кристаллитов и границ раздела одинаков, например, слоистые кристаллические материалы или чистые металлы с нанокристал-лической равноосной структурой.

Таблица 3 [8]

•сема риетаплиіо* Состав ірис»аллтое и гранаяі РШИІІ единааоаый Состав фмсіілпігоа Фисталгаагоа различен расилмш диспергированы а матрице рахчмвго

Слшстм ш *777777.^- ш =

ш ШШ

Рииооемаа Ш № Щ И

Вторая группа представляет НСМ с кристаллитами различного химического состава, например многослойные структуры.

Для материалов третьей группы химический состав зерен и границ раздела различен, что характерно для металломатричных композитов, упрочняемых наноразмерными частицами.

Четвертую группу НСМ составляют материалы, в которых наноразмерные выделения

диспергированы в матрице другого химического состава. В эту группу материалов входят дисперсно-упрочняемые сплавы.

Значительно влияние на свойства НСМ границ раздела структурных составляющих. С уменьшением размера зерен объемная доля границ раздела ДУ возрастает и ее можно оценить по формуле [3]

ДУ = 1 - [(Б - 0 / Б]3 , (1) где Б — характерный размер, например размер зерна; Ь — толщина границ раздела (около 1 нм). Объемную долю границ зерен можно оценить по формуле

ДБгз = [3

Тогда объемную долю тройных стыков можно определить как разность

ДУтс = ДУ - ДУгз. (3) Рассчитанные по формулам (1)-(3) зависимости объемных долей границ раздела ДУ, границ зерен ДУГЗ и тройных стыков ДУтс размера зерна при толщине границы зерен 1 нм (рис. 2) показали, что с уменьшением размера зерна от 1 мкм до 2 нм объемная доля межзеренных компонентов увеличивается от 0,3 до 87,5 %. Объемные доли межзеренных и внутризерен-ных компонентов равны (т. е. составляют по 50 %) при размере зерна около 5 нм. Объемная доля тройных стыков значительно возрастает при размерах зерен менее 10 нм.

Уменьшение размера зерна значительно влияет на свойства материалов, например, установленная зависимость (рис. 2) позволяет объяснить аномальное падение твердости наноматериалов при уменьшении размера зерна ниже критического значения за счет изменения объемной доли тройных стыков [1].

Влияние состояния, формы и размеров границ зерен на механические свойства НСМ установлено прямым наблюдением методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения [8]. При этом показано, что структура границ зерен НСМ подобна структуре высокоугловых границ мелкодисперсных материалов. Важным фактором, определяющим деформационное поведение НСМ, являются внутренние напряжения, наличие которых обусловлено большим числом близко расположенных границ зерен и тройных стыков зерен, а также особенностями методов получения НСМ.

Сравнение соотношений (рис. 3) между прочностью и пластичностью для разных сталей показало, что сталь с нанокристалличе-ской структурой, полученной интенсивной пластической деформацией, обладает наилучшим соотношением по сравнению с другими сталями.

Таблица 2 [4]

Структура Дефект Размеры бездефектных частиц и зерен, нм

Си А1 т а - ¥е

Отдельные частицы Дислокационная петля 250 60 140 23

Зерна в поликристалле То же 38 18 16 3

Краевая дислокация 24 11 10 2

Рис. 2. Зависимость объемнои доли границ зерен от размера зерна

ю

Е Нанокристаллическая

{» в X 7 % сталь

1,- Высоко- Н иэкоуглеродистые

I О п прочные стали ^-^^стали

С

О 10 20 30 40

Относительное удлинение 6. %

Рис. 3. Соотношение прочности для различных сталей

Рис. 4. Факторы, влияющие на формирование свойств НСМ

Решение проблемы организации научнотехнологического направления исследований и внедрения результатов разработок по НСМ и НСТ требует определенного методологического подхода, включающего систематизацию знаний и объектов, классификацию структур и НСМ, учет взаимосвязи метода получения материала и его механических свойств, что в совокупности позволяет сформировать системное представление о них (рис. 4) [5].

Морфологическое описание структурного строения НСМ позволило выявить основные критерии их классификации: химический состав, атомное и электронное строение, форму и размер кристаллов, границы раздела структурных составляющих материала, дефекты кристаллического строения, а также необходимость учета метода и условий получения НСМ, влияющих на все вышеуказанные критерии. Таким образом, представленный в работе подход позволяет системно выбрать оптимальный вид и структурное строение НСМ, обеспечивающего требуемый уровень конст-

рукционных и функциональных свойств материала и изделия. Кроме того, физикохимические и технологические аспекты, рассмотренных материалов и структур при более детальном их изучении помогут специалистам, в дальнейшем совершенствовании технологий синтеза новых эффективных материалов.

Систематизация НСМ, их структурных образований и установление классификационных признаков обеспечат топографическое и морфологическое представление их строения, определение уровня достижения конструкционных и функциональных свойств и решение проблем синтеза более эффективных видов. В конечном счете, совокупность результатов этих мероприятий позволит разработать теоретические, методологические и технологические основы исследований и разработок и обеспечит условия внедрения в производство новых нанотехнологий и НСМ.

Список литературы

1. Алымов М. И. Зеленский В. А. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокри-сталлических материалов. М.: МИФИ, 2005. 52 с.

2. Андриевский Р. А. Наноструктурированные материалы - состояние разработок и перспективы // Перспективные материалы. 2001. № 6. С. 5-11.

3. Елецкий А.В. Фуллерены и углеродные нанотрубки // Успехи физ. наук. 2002. Т. 172. № .4. С. 401-438.

4. Забелин С. Ф., Алымов М. И. Металловедение и технология наноструктурированных материалов: учеб. пособие для вузов. Гриф УМО ВППО. Чита: ЗабГГПУ, 2007. 141 с.

5. Забелин С. Ф., Забелин К. С. Системный анализ и критерии классификации наноструктурированных материалов // Технология машиностроения. 2006. № 3. С. 5-10.

6. Золотухин И. В., Калинин Ю. Е. Замечательные качества углеродных нанотрубок // Природа. 2004. № 5. С. 20-27.

7. Калинин Ю. Е. Нанокомпозиты // Физхом. 2001. № 5. С. 14-20.

8. Лякишев Н. П., Алымов М. И., Добаткин С. В. Объемные наноматериалы конструкционного назначения // Металлы. 2003. № 3. С. 3-16.

9. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований / под ред. М. К. Роко, Р. С. Уильямса и П. Аливисатоса: пер. с англ. М.: Мир, 2002. 292 с.

10. Специализированная выставка нанотехнологий и материалов «КГГМЕХ — 2007» // Технология машиностроения. 2008. № 4. С. 87-91.

УДК 51

ББК Ч 486. 24/29

Н.А. Казачек

Курс по выбору «Числовые системы» в контексте государственных образовательных стандартов третьего поколения

Для обсуждения общественности представлены государственные образовательные стандарты третьего поколения, построенные на основе компетентностного подхода. В статье описаны возможности курса по выбору «Числовые системы» в формировании компетенций будущего учителя математики, выделенных в ГОС третьего поколения.

Ключевые слова: числовые системы, компетенция.

N.A. Kazachek

The "Numerical Systems" Elective Course in the Context of State Educational Standards of the Third Generation

The article represents state educational standards of the third generation based on the competence approach. The author describes the possibilities of the "Numerical systems" course in formation of future Mathematics teacher's competence, which are distinguished in SES of the third generation.

Key words: numerical systems, competence.

Дисциплина является обязательной единицей ГОС ВПО первого и второго поколений, в которых дается не только перечень дисциплин, но и определяются дидактические единицы и количество часов трудоемкости. Весь стандарт как социальный документ представ-

ляется как некий обязательный набор дисциплин, которому подчинены требования к учебно-методической обеспеченности, материально-технической обеспеченности и др.

Вероятно, предполагалось, что жесткая за-данность учебного плана, а также содержание образовательных программ, формируемых в соответствии с требованиями ГОС, позволят всем вузам одинаково и в полной мере реализовать эти требования.

Неудовлетворенность педагогической общественности и рынка труда современным состоянием российского образования, переход на двухуровневую систему высшего профессионального образования привели к проектированию новых ГОС на основе компетентно-стного подхода.

В макете предложенного для обсуждения общественности ГОС третьего поколения результаты обучения определяются через сформированные компетенции. Компетенция определяется здесь как способность применять знания, умения и личностные качества для успешной деятельности в определенной области.

Выпускник по направлению подготовки «Педагогическое образование» с квалификацией (степенью) «бакалавр» должен обладать следующими компетенциями:

общекультурными (ОК): владеет культурой мышления, способен к обобщению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1); способен анализировать мировоззренческие, социально и личностно значимые философские проблемы (ОК-2); способен понимать значение культуры как формы человеческого существования и руководствоваться в своей деятельности современными принципами толерантности, диалога и сотрудничества (ОК-3); способен использовать знания о современной естествен-