Material nanocristalino

Un material nanocristalino ( NC ) es un material policristalino con un tamaño de cristalito de solo unos pocos nanómetros . Estos materiales llenan el vacío entre los materiales amorfos sin ningún orden de largo alcance y los materiales convencionales de grano grueso. Las definiciones varían, pero el material nanocristalino se define comúnmente como un tamaño de cristalito (grano) inferior a 100 nm. Los tamaños de grano de 100 a 500 nm generalmente se consideran granos "ultrafinos".

El tamaño de grano de una muestra de NC se puede estimar mediante difracción de rayos X. En materiales con tamaños de grano muy pequeños, los picos de difracción se ensancharán. Este ensanchamiento se puede relacionar con un tamaño de cristalito utilizando la ecuación de Scherrer (aplicable hasta ~50 nm), un diagrama de Williamson-Hall ^[1] o métodos más sofisticados como el método de Warren-Averbach o el modelado por computadora del patrón de difracción. El tamaño de cristalito se puede medir directamente utilizando microscopía electrónica de transmisión ^[1] .

Síntesis

Los materiales nanocristalinos se pueden preparar de varias maneras. Los métodos se clasifican generalmente en función de la fase de la materia por la que pasa el material antes de formar el producto final nanocristalino.

Procesamiento de estado sólido

Los procesos de estado sólido no implican la fusión o evaporación del material y, por lo general, se realizan a temperaturas relativamente bajas. Entre los ejemplos de procesos de estado sólido se incluyen la aleación mecánica mediante un molino de bolas de alta energía y ciertos tipos de procesos de deformación plástica severos .

Procesamiento de líquidos

Los metales nanocristalinos se pueden producir mediante una rápida solidificación a partir del líquido mediante un proceso como el hilado por fusión . Esto suele producir un metal amorfo, que se puede transformar en un metal nanocristalino mediante un recocido por encima de la temperatura de cristalización.

Procesamiento en fase de vapor

Se pueden producir películas delgadas de materiales nanocristalinos utilizando procesos de deposición de vapor como MOCVD . ^[2]

Procesamiento de soluciones

Algunos metales, en particular el níquel y las aleaciones de níquel , pueden transformarse en láminas nanocristalinas mediante electrodeposición . ^[3]

Propiedades mecánicas

Los materiales nanocristalinos muestran propiedades mecánicas excepcionales en relación con sus variedades de grano grueso. Debido a que la fracción de volumen de los límites de grano en materiales nanocristalinos puede ser tan grande como 30%, ^[4] las propiedades mecánicas de los materiales nanocristalinos están significativamente influenciadas por esta fase de límite de grano amorfo. Por ejemplo, se ha demostrado que el módulo elástico disminuye en un 30% para metales nanocristalinos y más del 50% para materiales iónicos nanocristalinos. ^[5] Esto se debe a que las regiones de límite de grano amorfo son menos densas que los granos cristalinos y, por lo tanto, tienen un mayor volumen por átomo, . Suponiendo que el potencial interatómico, , es el mismo dentro de los límites de grano que en los granos a granel, el módulo elástico, , será menor en las regiones de límite de grano que en los granos a granel. Por lo tanto, a través de la regla de mezclas , un material nanocristalino tendrá un módulo elástico menor que su forma cristalina a granel. ${\displaystyle \Omega }$ ${\displaystyle U(\Omega )}$ ${\displaystyle E\propto \partial ^{2}U/\partial \Omega ^{2}}$

Metales nanocristalinos

La excepcional resistencia a la fluencia de los metales nanocristalinos se debe al fortalecimiento de los límites de grano , ya que estos son extremadamente eficaces para bloquear el movimiento de las dislocaciones. La fluencia se produce cuando la tensión debida a la acumulación de dislocaciones en un límite de grano se vuelve suficiente para activar el deslizamiento de las dislocaciones en el grano adyacente. Esta tensión crítica aumenta a medida que disminuye el tamaño del grano, y esta física se captura empíricamente mediante la relación Hall-Petch,

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+Kd^{-1/2},}$

donde es la tensión de fluencia,  es una constante específica del material que tiene en cuenta los efectos de todos los demás mecanismos de fortalecimiento, es una constante específica del material que describe la magnitud de la respuesta del metal al fortalecimiento del tamaño del grano, y es el tamaño de grano promedio. ^[6] Además, debido a que los granos nanocristalinos son demasiado pequeños para contener una cantidad significativa de dislocaciones, los metales nanocristalinos experimentan cantidades insignificantes de endurecimiento por deformación , ^[5] y, por lo tanto, se puede suponer que los materiales nanocristalinos se comportan con una plasticidad perfecta. ${\displaystyle \sigma _{y}}$ ${\displaystyle \sigma _{0}}$ ${\displaystyle K}$ ${\displaystyle d}$

A medida que el tamaño de grano continúa disminuyendo, se alcanza un tamaño de grano crítico en el que la deformación intergranular, es decir, el deslizamiento de los límites de grano, se vuelve más favorable energéticamente que el movimiento de dislocación intragranular. Por debajo de este tamaño de grano crítico, a menudo denominado régimen Hall-Petch "inverso" o "inverso", cualquier disminución adicional en el tamaño de grano debilita el material porque un aumento en el área del límite de grano da como resultado un mayor deslizamiento del límite de grano. Chandross y Argibay modelaron el deslizamiento del límite de grano como un flujo viscoso y relacionaron la resistencia a la fluencia del material en este régimen con las propiedades del material como

${\displaystyle \tau ={\bigg (}L{\frac {\rho _{L}}{M}}{\bigg )}{\bigg (}1-{\frac {T}{T_{m}}}{\bigg )}f_{g},}$

donde es la entalpía de fusión , es el volumen atómico en la fase amorfa, es la temperatura de fusión y es la fracción de volumen de material en los granos frente a los límites de grano, dada por , donde  es el espesor del límite de grano y típicamente del orden de 1 nm. La resistencia máxima de un metal está dada por la intersección de esta línea con la relación Hall-Petch, que típicamente ocurre alrededor de un tamaño de grano de = 10 nm para metales BCC y FCC. ^[4] ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle \rho _{L}/M}$ ${\displaystyle T_{m}}$ ${\displaystyle f_{g}}$ ${\displaystyle f_{g}=(1-\delta /d)^{3}}$ ${\displaystyle \delta }$ ${\displaystyle d}$

Debido a la gran cantidad de energía interfacial asociada con una gran fracción de volumen de límites de grano, los metales nanocristalinos son térmicamente inestables. En muestras nanocristalinas de metales de bajo punto de fusión (es decir, aluminio , estaño y plomo ), se observó que el tamaño de grano de las muestras se duplicaba de 10 a 20 nm después de 24 horas de exposición a temperaturas ambiente. ^[5] Aunque los materiales con puntos de fusión más altos son más estables a temperatura ambiente, la consolidación de la materia prima nanocristalina en un componente macroscópico a menudo requiere exponer el material a temperaturas elevadas durante períodos prolongados de tiempo, lo que dará como resultado un engrosamiento de la microestructura nanocristalina. Por lo tanto, las aleaciones nanocristalinas térmicamente estables son de considerable interés en ingeniería. Los experimentos han demostrado que las técnicas tradicionales de estabilización microestructural, como la fijación de límites de grano a través de la segregación de solutos o el aumento de las concentraciones de solutos, han demostrado ser exitosas en algunos sistemas de aleación, como Pd-Zr y Ni-W. ^[7]

Cerámica nanocristalina

Si bien el comportamiento mecánico de la cerámica a menudo está dominado por defectos, es decir, porosidad, en lugar del tamaño del grano, también se observa fortalecimiento del tamaño del grano en muestras de cerámica de alta densidad. ^[8] Además, se ha demostrado que las cerámicas nanocristalinas se sinterizan más rápidamente que las cerámicas a granel, lo que genera densidades más altas y propiedades mecánicas mejoradas, ^[5] aunque la exposición prolongada a las altas presiones y temperaturas elevadas requeridas para sinterizar la pieza a la densidad completa puede resultar en un engrosamiento de la nanoestructura.

La gran fracción de volumen de los límites de grano asociados con los materiales nanocristalinos provoca un comportamiento interesante en los sistemas cerámicos, como la superplasticidad en cerámicas que de otro modo serían frágiles. La gran fracción de volumen de los límites de grano permite un flujo difusional significativo de átomos a través de la fluencia de Coble , análoga al mecanismo de deformación deslizante del límite de grano en los metales nanocristalinos. Debido a que la tasa de fluencia difusional escala como y linealmente con la difusividad del límite de grano, refinar el tamaño de grano de 10 μm a 10 nm puede aumentar la tasa de fluencia difusional en aproximadamente 11 órdenes de magnitud. Esta superplasticidad podría resultar invaluable para el procesamiento de componentes cerámicos, ya que el material puede convertirse nuevamente en un material convencional de grano grueso a través de un tratamiento térmico adicional después del conformado. ^[5] ${\displaystyle d^{-3}}$

Tratamiento

Si bien la síntesis de materias primas nanocristalinas en forma de láminas, polvos y alambres es relativamente sencilla, la tendencia de las materias primas nanocristalinas a volverse más gruesas tras una exposición prolongada a temperaturas elevadas significa que se necesitan técnicas de densificación rápida y a baja temperatura para consolidar estas materias primas en componentes a granel. Una variedad de técnicas muestran potencial a este respecto, como la sinterización por plasma de chispa ^[9] o la fabricación aditiva por ultrasonidos ^[10] , aunque la síntesis de componentes nanocristalinos a granel a escala comercial sigue siendo insostenible.

Véase también

• Nanopartícula
• Punto cuántico

Referencias

• A. Inoue; K. Hashimoto, eds. (2001). Materiales amorfos y nanocristalinos: preparación, propiedades y aplicaciones. Berlín: Springer. ISBN 3540672710.

1. Anandkumar, Mariappan; Bhattacharya, Saswata; Deshpande, Atul Suresh (23 de agosto de 2019). "Síntesis y caracterización a baja temperatura de soles de nanopartículas de óxido de fluorita multicomponente de fase única". RSC Advances . 9 (46): 26825–26830. doi : 10.1039/C9RA04636D . ISSN  2046-2069. PMC 9070433 . 
2. Jiang, Jie; Zhu, Liping; Wu, Yazhen; Zeng, Yujia; He, Haiping; Lin, Junming; Ye, Zhizhen (febrero de 2012). "Efectos del dopaje con fósforo en nanocristales de ZnO mediante deposición química en fase de vapor de compuestos orgánicos metálicos". Materials Letters . 68 : 258–260. doi :10.1016/j.matlet.2011.10.072.
3. Giallonardo, JD; Erb, U.; Aust, KT; Palumbo, G. (21 de diciembre de 2011). "La influencia del tamaño de grano y la textura en el módulo de Young del níquel nanocristalino y las aleaciones de níquel-hierro". Revista filosófica . 91 (36): 4594–4605. doi :10.1080/14786435.2011.615350. S2CID  136571167.
4. Chandross, Michael; Argibay, Nicolas (marzo de 2020). "Resistencia máxima de los metales". Physical Review Letters . 124 (12): 125501–125505. doi : 10.1103/PhysRevLett.124.125501 . PMID  32281861.
5. abcdeGleiter, Herbert (1989). "Materiales nanocristalinos". Progresos en Ciencia de Materiales . 33 (4): 223–315. doi : 10.1016/0079-6425(89)90001-7 .
6. Cordero, Zachary; Knight, Braden; Schuh, Christopher (noviembre de 2016). "Seis décadas del efecto Hall-Petch: un estudio de los estudios de fortalecimiento por tamaño de grano en metales puros". International Materials Reviews . 61 (8): 495–512. doi :10.1080/09506608.2016.1191808. hdl : 1721.1/112642 . S2CID  138754677.
7. Detor, Andrew; Schuh, Christopher (noviembre de 2007). "Evolución microestructural durante el tratamiento térmico de aleaciones nanocristalinas". Journal of Materials Research . 22 (11): 3233–3248. doi :10.1557/JMR.2007.0403.
8. Wollmershauser, James; Feigelson, Boris; Gorzkowski, Eduardo; Ellis, persecución; Gosami, Ramasis; Qadri, Syed; Tischler, José; Kub, Fritz; Everett, Richard (mayo de 2014). "Un límite de dureza ampliado en nanocerámicas a granel". Acta Materialia . 69 : 9–16. doi :10.1016/j.actamat.2014.01.030.
9. Cha, Seung; Hong, Soon; Kim, Byung (junio de 2003). "Comportamiento de sinterización por plasma de chispa de polvos de carburo cementado nanocristalinos WC–10Co". Ciencia e ingeniería de materiales: A . 351 (1–2): 31–38. doi :10.1016/S0921-5093(02)00605-6.
10. Ward, Austin; French, Matthew; Leonard, Donovan; Cordero, Zachary (abril de 2018). "Crecimiento de grano durante la soldadura ultrasónica de aleaciones nanocristalinas". Revista de tecnología de procesamiento de materiales . 254 : 373–382. doi : 10.1016/j.jmatprotec.2017.11.049 .