Разработка новых материалов и технологии их получения является объективной необходимостью технического и социального развития общества. Новые материалы принято называть материалами XXI века. Без них нельзя представить существенные достижения ни в одном из важных направлений развития науки и техники. Роль новых материалов с каждым годом возрастает. По оценке американских экспертов, в ближайшие 20 лет 90 % современных материалов будут заменены принципиально новыми, что приведет к технической революции практически во всех отраслях техники.

По опубликованным данным, сегодня наиболее быстро развивающимися секторами науки являются медико-биологические исследования, далее следуют информационные технологии и третье место занимают новые материалы. В 1998 году расходы только на эти исследования в США значительно превышали расходы на оборону и космические исследования.

В настоящее время в России в области металловедения работает 41 научная школа в системах Академии наук, вьюшего образования и отраслевых институтов. Исследования, ведущиеся в области новых материалов, охватываются также Федеральной подпрограммой Министерства промышленности, науки и технологий.

В рамках межвузовской научно-технической программы Минобразования РФ Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники выполняются подпрограммы Новые материалы . Головной организацией является Московский государственный институт стали и сплавов (технологический университет).

Для ознакомления научно-технической общественности с содержанием подпрограммы, ее научными и практическими результатами было принято решение написать настоящую книгу. В выполнении подпрограммы принимают участие 59 вузов из 28 городов РФ. По восьми разделам выполняется 123 проекта. Подпрограмма нацелена на достижение конкретных результатов использования научно-технического потенциала вузов для решения основных государственных региональных и отраслевых проблем технического прогресса в области новых материалов в рамках президентских и федеральных программ.

Высшая школа России обладает в настоящее время наибольшим научным потенциалом. Она традиционно занимает ведущие позиции в разработке основополагающих исследований и совместно с отраслевыми институтами и промышленными предприятиями концентрирует усилия на тех направлениях исследований, которые позволяют перейти от фундаментальных исследований к технологиям получения новых материалов.

Особое внимание уделено наноматериалам и нанотехнологиям, которые являются наиболее приоритетными для всего технического прогресса XXI века.

В книге приводятся конкретные примеры взаимодействия ученых и научных коллективов различной подчиненности, которые связаны исследованиями по решению поставленных задач. Это было хорошо продемонстрировано на конференциях, проведенных в рамках подпрограммы осенью 2001 года с целью оценки полноты и уровня выполнения проектов.

Следует отметить, что выполнение подпрограммы оказывает сильное влияние на повышение качества преподавания, привлечения студентов к творческой исследовательской работе. С выполнением подпрограммы связано дальнейшее развитие материально-технической, информационной баз и развитие научных школ системы высшего образования. В частности, достижением подпрограммы является созданный в МИСиС Межвузовский научно-исследовательский Центр коллективного пользования Металлургия и металловедение . Центр располагает первоклассным оборудованием, которое позволяет анализировать все объекты выполняемых исследований: металлы и сплавы, диэлектрики, композиты, керамику, сверхтвердые материалы, органические полимерные материалы и др.

Настоящая книга характеризуется рядом особенностей. В тематическом плане она в основном отражает содержание подпрограммы, которая полностью отвечает приоритетным направлениям развития науки, технологии и техники. Ряд разделов (полимеры и композиты, материалы для микро- и наноэлектроники, металлы и сплавы со специальными свойствами, синтетические сверхтвердые материалы) соответствуют перечню критических технологий РФ.

Цель книги - дать анализ современного состояния новых материалов и научных исследований в этой области, показать перспективы их развития и взаимосвязь в рамках выполняемой подпрограммы, а также роль высшей школы в решении обсуждаемой проблемы. По каждому из разделов наряду с общими вопросами, свойствами материалов и технологией их производства указываются наиболее перспективные научно-исследовательские направления в этой области.

Книга Новые материалы является коллективным трудом ученых, представляющих научные школы Московского государственного института стали и сплавов, МАТИ-РГТУ им. К.Э.Циолковского, НИИ Перспективных материалов и технологий при Московском государственном институте электроники и математики, ГНУ Научный центр порошкового материаловедения Пермского ГТУ, Волгоградского государственного технического университета, Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна, Института химических проблем микроэлектроники (Москва), Башкирского государственного университета (Уфа).

Авторы будут признательны за замечания и предложения по настоящей работе.

НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1. Нанопорошки: получение и свойства

1.2. Объемные наноструктурные материалы

1.3. Производство и коммерциализация наноматериалов

в последние годы отмечается быстрый рост научного, промышленного и коммерческого интереса к новому классу материалов, появление которого отразило стремление к миниатюризации в практике построения различных объектов. Эти материалы, обладающие необычной атомно-кристаллической решеткой и демонстрирующие уникальные свойства, в России получили название ультрадисперсных материалов (УДМ), или ультрадисперсных систем (УДС), а в западной литературе - нанос-труктурных материалов (НСМ).

В настоящее время обе эти терминологии равноправны и к этому новому классу относят материалы с размером морфологических элементов менее 100 нм. По геометрическим признакам эти элементы можно разделить на нольмерные атомные кластеры и частицы, одно- и двухмерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы.

Общепринято, что под УД или наноматериалами подразумеваются или намеренно сконструированные, или природные материалы, в которых один или более размеров лежат в диапазоне нанометров. К данной категории относятся также так называемые нано-нано композиты, которые содержат более чем одну фазу, но все фазы менее 100 нм. Большое разнообразие типов УДМ при общности их размерного признака позволяет объединить их одним термином - наноматериаты. В настоящее время уже широко используются ультрадисперсные порошки (УДП), занимающие в США более 90% рынка УДМ, нановолокна и нанопроволоки, нанопленки и нанопокрытия, и начинают получать все большее применение объемные наноматериалы - нанокристаллические и нанозернистые (с размером зерен менее 100 нм).

Представление о нанокристадлах было введено в научную литературу в 80-х годах XX века X. Гляйтером (Германия) и независимо от него активно развивалось в России И. Д. Мороховым с сотрудниками.

В бывшем СССР, а ныне в России большую роль в исследовании свойств наноматериштов, в разработке новых видов, технологий получения и использования (нанотехнологий) сыграла высшая школа. Начиная с 1985 г. в этих работах принимало участие более 30 вузов, в том числе такие московские вузы как МИСиС, МИФИ, МГУ, МХТИ, МАМИ, МГИ, МИХМ, МОПИ, УДН, МАТИ, МФТИ, МИТХТ и др. Эти работы продолжаются.

Актуальность проблемы производства нано- или ультрадисперсных (УД) материалов определяется особенностью их физико-химических свойств, позволяющих создавать материалы с качественно и количественно новыми свойствами для использования на практике [1-5]. Это связано с тем, что для материала таких малых размеров приобретает большее значение квантовая механика, а это существенным образом изменяет механические, оптические и электрические свойства вещества.

Первые исследования наноматериалов [1-5] показали, что в них изменяются, по сравнению с обычными материалами, такие фундаментальные характеристики, как удельная теплоемкость, модуль упругости, коэффициент диффузии, магнитные свойства и др. [1, 6-9]. Следовательно, можно говорить о наноструктурном состоянии твердых тел, принципиально отличном от обычного кристаллического или аморфного.

Анализ теоретических и экспериментальных исследований, выполненных к концу 70-х годов, позволил сделать вывод об особом УД состоянии твердых тел, отличном от традиционных и аморфных материалов, и дать определение этого понятия на основе физической природы. В этом случае к нано- или УД материалам относят среды или материалы, которые характеризуются настолько малым размером морфологических элементов, что он соизмерим с одной или несколькими фундаментальными физическими величинами этого вещества (изменение периодов кристаллической решетки и др.).

По мере того как размер зерен или частиц становится все меньше и меньше, все большая доля атомов оказывается на границах или свободных поверхностях. Так, при размере структурных единиц 6 нм и толщине поверхностного слоя в один атом, почти половина атомов будет находиться на поверхности. Так как доля поверхностных атомов в УД материалах составляет десятки процентов, ярко проявляются все особенности поверхностных состояний, и разделение свойств на объемные* и поверхностные приобретает, в какой-то мере, условный характер. Развитая поверхность оказывает влияние как на решеточную, так и на электронную подсистемы.

Появляются аномалии поведения электронов, квазичастиц (фононов, плазмонов, магнонов) и других элементарных возбуждений, которые влекут за собой изменения физических свойств УД систем, по сравнению с массивными материалами.

Поведение УД материалов часто определяется процессами на границе частиц или зерен. Например, нанокерамика может деформироваться Пластически достаточно заметно за счет скольжения по границам. Эта