नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री

एक स्फटिक (एनसी) सामग्री केवल कुछ नैनोमीटर के क्रिस्टलीय आकार के साथ एक polycrystalline सामग्री है। ये सामग्रियां बिना किसी लंबी दूरी के क्रम और पारंपरिक मोटे दाने वाली सामग्री के बिना अनाकार सामग्री के बीच की खाई को भरती हैं। परिभाषाएं अलग-अलग होती हैं, लेकिन नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री को आमतौर पर 100 एनएम से नीचे क्रिस्टलीय (अनाज) आकार के रूप में परिभाषित किया जाता है। 100–500 एनएम से अनाज के आकार को आमतौर पर अल्ट्राफाइन अनाज माना जाता है।

एक्स-रे विवर्तन का उपयोग करके एनसी नमूने के अनाज के आकार का अनुमान लगाया जा सकता है। बहुत छोटे दाने के आकार वाली सामग्री में, विवर्तन चोटियों को चौड़ा किया जाएगा। यह चौड़ीकरण स्केरर समीकरण (~50 एनएम तक लागू), एक पाउडर विवर्तन#आकार और तनाव विस्तारण|विलियमसन-हॉल प्लॉट, का उपयोग करके एक क्रिस्टलीय आकार से संबंधित हो सकता है। या अधिक परिष्कृत तरीके जैसे वॉरेन-एवरबैक विधि या विवर्तन पैटर्न के कंप्यूटर मॉडलिंग। क्रिस्टलीय आकार को सीधे ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके मापा जा सकता है।

संश्लेषण

नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री को कई तरीकों से तैयार किया जा सकता है। तरीकों को आम तौर पर पदार्थ की स्थिति के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है, जो नैनोक्रिस्टलाइन अंतिम उत्पाद बनाने से पहले सामग्री के संक्रमण के माध्यम से होता है।

सॉलिड-स्टेट प्रोसेसिंग

ठोस-अवस्था प्रक्रियाओं में सामग्री को पिघलाना या वाष्पित करना शामिल नहीं होता है और आमतौर पर अपेक्षाकृत कम तापमान पर किया जाता है। ठोस अवस्था प्रक्रियाओं के उदाहरणों में एक उच्च-ऊर्जा बॉल मिल और कुछ प्रकार की गंभीर प्लास्टिक विरूपण प्रक्रियाओं का उपयोग करके यांत्रिक मिश्रधातु शामिल हैं।

तरल प्रसंस्करण

पिघल कताई जैसी प्रक्रिया का उपयोग करके तरल से तेजी से ठोसकरण द्वारा नैनोक्रिस्टलाइन धातुओं का उत्पादन किया जा सकता है। यह अक्सर एक अनाकार धातु का उत्पादन करता है, जिसे क्रिस्टलीकरण तापमान से ऊपर एनीलिंग (धातु विज्ञान) द्वारा एक नैनोक्रिस्टलाइन धातु में परिवर्तित किया जा सकता है।

वाष्प-चरण प्रसंस्करण

MOCVD जैसी वाष्प जमाव प्रक्रियाओं का उपयोग करके नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री की पतली फिल्मों का उत्पादन किया जा सकता है।

समाधान प्रसंस्करण

कुछ धातुओं, विशेष रूप से निकल और निकल मिश्र धातुओं को विद्युत का उपयोग करके नैनोक्रिस्टलाइन फ़ॉइल में बनाया जा सकता है।

यांत्रिक गुण

नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री उनके मोटे दाने वाली किस्मों के सापेक्ष असाधारण यांत्रिक गुण दिखाती है। क्योंकि नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री में अनाज की सीमाओं का आयतन अंश 30% जितना बड़ा हो सकता है, नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री के यांत्रिक गुण इस अनाकार अनाज सीमा चरण से काफी प्रभावित होते हैं। उदाहरण के लिए, लोचदार मापांक को नैनोक्रिस्टलाइन धातुओं के लिए 30% और नैनोक्रिस्टलाइन आयनिक सामग्री के लिए 50% से अधिक कम दिखाया गया है। ऐसा इसलिए है क्योंकि अनाकार कण सीमा क्षेत्र क्रिस्टलीय अनाज की तुलना में कम घने होते हैं, और इस प्रकार प्रति परमाणु की मात्रा अधिक होती है, $\Omega$. अंतर-परमाणु क्षमता को मानते हुए, $U(\Omega )$, अनाज की सीमाओं के भीतर वैसा ही है जैसा कि थोक अनाज, लोचदार मापांक में होता है, $E\propto \partial ^{2}U/\partial \Omega ^{2}$, थोक अनाज की तुलना में अनाज सीमा क्षेत्रों में छोटा होगा। इस प्रकार, मिश्रण के नियम के माध्यम से, एक नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री के थोक क्रिस्टलीय रूप की तुलना में कम लोचदार मापांक होगा।

नैनोक्रिस्टलाइन धातु

नैनोक्रिस्टलाइन धातुओं की असाधारण उपज शक्ति अनाज की सीमा को मजबूत करने के कारण होती है, क्योंकि अव्यवस्था की गति को अवरुद्ध करने के लिए अनाज की सीमाएं बेहद प्रभावी होती हैं। उपज तब होती है जब एक अनाज की सीमा पर अव्यवस्था ढेर के कारण तनाव आसन्न अनाज में विस्थापन की पर्ची को सक्रिय करने के लिए पर्याप्त हो जाता है। जैसे-जैसे दानों का आकार घटता जाता है, यह गंभीर तनाव बढ़ता जाता है, और इन भौतिकी को अनुभवजन्य रूप से हॉल-पेच संबंध द्वारा ग्रहण किया जाता है,

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

कहाँ $\sigma _{y}$ उपज तनाव है, $\sigma _{0}$ एक सामग्री-विशिष्ट स्थिरांक है जो अन्य सभी सुदृढ़ीकरण तंत्रों के प्रभावों के लिए जिम्मेदार है, $K$ एक सामग्री-विशिष्ट स्थिरांक है जो अनाज के आकार को मजबूत करने के लिए धातु की प्रतिक्रिया के परिमाण का वर्णन करता है, और $d$ औसत अनाज का आकार है। इसके अतिरिक्त, क्योंकि नैनोक्रिस्टलाइन अनाज एक महत्वपूर्ण संख्या में अव्यवस्थाओं को समाहित करने के लिए बहुत छोटा है, नैनोक्रिस्टलाइन धातु नगण्य मात्रा में तनाव-सख्त हो जाती है,और इस प्रकार नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री को पूर्ण प्लास्टिसिटी के साथ व्यवहार करने के लिए माना जा सकता है।

जैसे-जैसे दाने का आकार घटता जाता है, एक महत्वपूर्ण दाने का आकार पहुँच जाता है, जिस पर अंतर-कणीय विकृति, यानी अनाज की सीमा खिसकना, इंट्राग्रेनुलर अव्यवस्था गति की तुलना में अधिक ऊर्जावान रूप से अनुकूल हो जाती है। इस महत्वपूर्ण अनाज के आकार के नीचे, जिसे अक्सर "रिवर्स" या "उलटा" हॉल-पेट शासन के रूप में संदर्भित किया जाता है, अनाज के आकार में कोई और कमी सामग्री को कमजोर कर देती है क्योंकि अनाज सीमा क्षेत्र में वृद्धि से अनाज की सीमा फिसलने में वृद्धि होती है। चेंड्रॉस और आर्गिबे ने चिपचिपा प्रवाह के रूप में अनाज की सीमा फिसलने का मॉडल तैयार किया और इस शासन में सामग्री की उपज शक्ति को भौतिक गुणों के रूप में संबंधित किया

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

कहाँ $L$ संलयन की तापीय धारिता है, $\rho _{L}/M$ अनाकार चरण में परमाणु मात्रा है, $T_{m}$ पिघलने का तापमान है, और $f_{g}$ द्वारा दिए गए अनाज बनाम अनाज की सीमाओं में सामग्री का आयतन अंश है $f_{g}=(1-\delta /d)^{3}$, कहाँ $\delta$ अनाज सीमा मोटाई है और आमतौर पर 1 एनएम के क्रम में है। हॉल-पेट संबंध के साथ इस रेखा के प्रतिच्छेदन द्वारा धातु की अधिकतम शक्ति दी जाती है, जो आम तौर पर एक दाने के आकार के आसपास होती है $d$ = बीसीसी और एफसीसी धातुओं के लिए 10 एनएम।

अनाज की सीमाओं के एक बड़े मात्रा अंश से जुड़ी बड़ी मात्रा में इंटरफैसिअल ऊर्जा के कारण, नैनोक्रिस्टलाइन धातुएं ऊष्मीय रूप से अस्थिर होती हैं। निम्न-पिघलने वाली धातुओं (अर्थात अल्युमीनियम, विश्वास करना और लेड) के नैनोक्रिस्टलाइन नमूनों में, परिवेश के तापमान के संपर्क में आने के 24 घंटों के बाद नमूनों के दाने का आकार 10 से 20 एनएम तक दोगुना देखा गया।यद्यपि उच्च गलनांक वाली सामग्री कमरे के तापमान पर अधिक स्थिर होती है, नैनोक्रिस्टलाइन फीडस्टॉक को एक मैक्रोस्कोपिक घटक में समेकित करने के लिए अक्सर सामग्री को विस्तारित अवधि के लिए ऊंचे तापमान पर उजागर करने की आवश्यकता होती है, जिसके परिणामस्वरूप नैनोक्रिस्टलाइन माइक्रोस्ट्रक्चर का मोटा होना होगा। इस प्रकार, तापीय रूप सूक्ष्म रूप से स्थिर नैनोक्रिस्टलाइन मिश्र धातु मिश्र धातु काफी इंजीनियरिंग रुचि के हैं। प्रयोगों से पता चला है कि पारंपरिक माइक्रोस्ट्रक्चरल स्थिरीकरण तकनीक जैसे कि विलेय पृथक्करण के माध्यम से अनाज की सीमा तय करना या विलेय सांद्रता में वृद्धि कुछ मिश्र धातु प्रणालियों में सफल साबित हुई है, जैसे कि Pd-Zr और Ni-W।

नैनोक्रिस्टलाइन सिरेमिक

जबकि मिट्टी के पात्र के यांत्रिक व्यवहार में अक्सर दोष होते हैं, यानी अनाज के आकार के बजाय सरंध्रता, उच्च घनत्व वाले सिरेमिक नमूनों में अनाज के आकार की मजबूती भी देखी जाती है। इसके अतिरिक्त, नैनोक्रिस्टलाइन सिरेमिक्स को बल्क सिरेमिक्स की तुलना में अधिक तेजी से सिंटर करने के लिए दिखाया गया है, जिससे उच्च घनत्व और बेहतर यांत्रिक गुण होते हैं,हालांकि उच्च दबावों और ऊंचे तापमानों के लिए विस्तारित एक्सपोजर को पूर्ण घनत्व के हिस्से को सिंटर करने के लिए आवश्यक नैनोस्ट्रक्चर के मोटे होने का परिणाम हो सकता है।

नैनोक्रिस्टलाइन सामग्री से जुड़ी अनाज की सीमाओं का बड़ा मात्रा अंश सिरेमिक सिस्टम में दिलचस्प व्यवहार का कारण बनता है, जैसे अन्यथा भंगुर सिरेमिक में सुपरप्लास्टी ग्रेन बाउंड्री का बड़ा वॉल्यूम अंश कोबल रेंगना के माध्यम से परमाणुओं के एक महत्वपूर्ण विसारक प्रवाह की अनुमति देता है, जो नैनोक्रिस्टलाइन धातुओं में ग्रेन बाउंड्री स्लाइडिंग विरूपण तंत्र के अनुरूप है। क्योंकि विसारक रेंगना दर के रूप में $d^{-3}$ और रेखीय रूप से ग्रेन बाउंड्री डिफ्यूसिविटी के साथ, ग्रेन के आकार को 10 माइक्रोन से 10 एनएम तक रिफाइन करने से विसरणीय रेंगने की दर में परिमाण के लगभग 11 ऑर्डर बढ़ सकते हैं। यह सुपरप्लास्टिक सिरेमिक घटकों के प्रसंस्करण के लिए अमूल्य साबित हो सकता है, क्योंकि सामग्री को बनाने के बाद अतिरिक्त थर्मल उपचार के माध्यम से एक पारंपरिक, मोटे अनाज वाली सामग्री में परिवर्तित किया जा सकता है।

प्रसंस्करण

जबकि फ़ॉइल, पाउडर और तारों के रूप में नैनोक्रिस्टलाइन फीडस्टॉक्स का संश्लेषण अपेक्षाकृत सीधा है, नैनोक्रिस्टलाइन फीडस्टॉक्स की प्रवृत्ति ऊंचे तापमान के विस्तारित जोखिम पर मोटे होने का मतलब है कि इन फीडस्टॉक्स को बल्क में समेकित करने के लिए कम तापमान और तेजी से घनत्व तकनीक आवश्यक है। अवयव। इस संबंध में कई तरह की तकनीकें क्षमता दिखाती हैं, जैसे स्पार्क प्लाज्मा सिंटरिंग या अल्ट्रासोनिक योगात्मक निर्माण, हालांकि व्यावसायिक स्तर पर थोक नैनोक्रिस्टलाइन घटकों का संश्लेषण अस्थिर रहता है।

यह भी देखें

• नैनोक्रिस्टल
• नैनोकण
• क्वांटम डॉट

संदर्भ

• A. Inoue; K. Hashimoto, eds. (2001). Amorphous and nanocrystalline materials : preparation, properties, and applications. Berlin: Springer. ISBN 3540672710.