Przemiany mikrostruktury proszku w czasie wysokocisnieniowego zageszczania

Proces zageszczania nanoproszków polikrystalicznych, mozna podzielic na piec etapów [53]:

1. Wyjsciowy materia skada sie z mieszaniny pojedynczych ziaren, ich ancuchów i aglomeratów. Stopien zageszczenia jest may i proces przebiega dzieki elastycznosci wiazan pomiedzy ziarnami. Na tym etapie wyjsciowa siec ziaren odksztaca sie elastycznie ale ziarna nie przemieszczaja sie wzgledem siebie.
2. Zageszczanie przyspiesza z powodu odksztacen kwazi-plastycznych. Siec ziaren deformuje sie i przebudowuje poprzez poslizgi i obroty ziaren. Przemieszczanie ziaren w nanoproszkach jest ograniczone duzymi siami tarcia ziaren. Opory spowodowane tarciem sa znaczne ze wzgledu na liczne punkty kontaktów miedzy ziarnami.
   To zachowanie moze byc porównane do przekroczenia granicy plastycznosci w ciaach staych. Nalezy jednak zaznaczyc, ze nie jest ono powodowane wasnosciami sieci krystalicznej czy jej defektów lecz wasnosciami powierzchni i granic ziaren.
3. Siec ziaren odksztaca sie elastycznie i plastycznie do momentu, kiedy nacisk osiaga wartosc krytyczna - ``granice pyniecia''. W tych warunkach cisnienia pekaja wiazania pomiedzy poszczególnymi ziarnami. Skadowa scinajaca przyozonego nacisku powoduje przemieszczenia ziaren i zapadanie duzych porów. Przebudowa struktury ziaren i makroskopowa deformacja porów zwieksza liczbe kontaktów miedzy ziarnami. Stykajace sie ziarna obracaja sie i slizgaja aby osiagnac minimum energii powierzchniowej.
4. Proszek stale zageszcza sie w miare postepu kwazi-plastycznej przebudowy ukadu ziaren. Zageszczanie przebiega wzglednie szybko dopóki materia nie osiagnie gestosci bliskiej wartosci teoretycznej.
5. Gesty i jednolity kompakt nanokrystaliczny jest sciskany dalej tak jak na to pozwalaja wasnosci mechaniczne jego sieci krystalicznej i granic ziaren. Stanowi on na tym etapie jednolity materia.

Pierwszy etap, który nie powoduje jeszcze przemieszczania ziaren a jedynie naprezenia ich sieci krystalicznej nastepuje dla badanych nanoproszków SiC i diamentu w cisnieniach ok.  0 - 0.2 GPa (tab. 3.5 i rys. 3.11b i c). W cisnieniu 0.6 GPa obserwuje sie pierwsze istotne zmiany struktury fraktalnej ziaren - jest to drugi etap zageszczania. We wszystkich badanych proszkach (tab. 3.5) stwierdzono zmniejszenie masowego wymiary fraktalnego D_M, co jest spowodowane zaamywaniem sie w tym cisnieniu wókien pozrastanych nanokrysztaów. Proszek gwatownie zmniejsza swoja objetosc. Trzeci etap zageszczania zaobserwowano w cisnieniu ok. 6 GPa. Zakonczony zostaje proces degradacji struktury fraktalnej. Proszek skada sie badz z osobnych ziaren badz z bardzo krótkich ich ancuchów, które przemieszczaja sie wzgledem siebie szukajac orientacji minimalizujacej energie powierzchniowa. Dla jednej z próbek SiC (rys. 3.11c) zaobserwowano niewielkie maksimum interferencyjne wskazujace na tworzenie sie periodycznej sieci ziaren w proszku. W czterech z szesciu próbek, w najwyzszym cisnieniu 6.3 GPa, nachylenie ultraniskokatowej czesci krzywej SAS byo wieksze niz w minimalnym cisnieniu (tab. 3.5). Jest to spowodowane tworzeniem sie z rozbitych fraktali gestych aglomeratów ziaren o rozmiarach kilkuset nm. Czwarty i piaty etap zageszczania nie zostay osiagniete dla przyozonych w eksperymencie cisnien.

Fraktalnosc struktury proszków nanokrystalicznych jest faktem waznym ze wzgledu na zastosowania. Wytrzymaa mechanicznie (nie degraduje sie do 2000 atmosfer!) siec obiektów o rozmiarach kwantowych pozwalajaca zwiazac (i uwolnic) na swojej powierzchni tyle gazu ile sama wazytypeset@protect @@footnote SF@gobble@opt Dla ziaren o srednicy 20Å. (czyli okoo 1 dm³ na kazdy gram nanoproszku) posiada wiele potencjalnych zastosowan. Jednym z nich jest bezpieczne, niskocisnieniowe przechowywanie materiaów pednych (np. wodoru). Wazna jest przy tym nie tylko powierzchnia aktywna ale i sama budowa fraktala (gestosc malejaca od centrum ziarna), która pozwala na szybkie uwalnianie duzego strumienia czastek. Innym przykadem zastosowan fraktalnych ziaren nanometrowych jest optoelektronika. Swiecacy na niebiesko porowaty krzem z wodorem zwiazanym na swojej powierzchni wywoa swego czasu duze poruszenie wsród fizyków szukajacych zróde niebieskiego swiata. Spiekanie z nanoproszków gestych, supertwardych i plastycznych ceramik wymaga ich zageszczania, a wiec znajomosci mechanizmu i warunków w jakich fraktale nanokrysztaów sie degraduja [1,54,55,56,57,58,59,60]. Pokazano, ze nastepuje to w izostatycznym cisnieniu rzedu kilku GPa.