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