Materiały nanokrystaliczne cieszą się coraz większą popularnością, a zwłaszcza metale, ze względu na wyjątkowe własności, które są niemożliwe do otrzymania w materiałach o klasycznej mikrostrukturze.
Badania nad otrzymywaniem i własnościami materiałów nanokrystalicznych dostarczają coraz lepszych wyników, co rzutuje na ich ogromne zainteresowanie. Główną zaletą stali nanokrystalicznych jest możliwość osiągnięcia bardzo wysokiej wytrzymałości poprzez rozdrobnienie ziarna, bez stosowania dużej ilości dodatków stopowych. Pierwsze próby uzyskania metali o strukturze nanokrystalicznej, opierały się na procesie parowania metali w atmosferze gazów obojętnych przy ciśnieniu 0,1 MPa. Następnie cząstki metalu krzepły na zimnym podłożu tworząc krystality rzędu nanometrów.
Metody wytwarzania metali nanokrystalicznych ulegają ciągłemu doskonaleniu. Obecnie znane są dwie metody otrzymywania stali nanokrystalicznych, a mianowicie poprzez walcowanie na zimno z dodatkową obróbką cieplną a także spiekanie proszków. Ze względu na własności jakie chcemy nadać materiałowi finalnemu, otrzymywanie metali możemy podzielić dwutorowo. Pierwsza droga to dążenie do uzyskania struktury kryształu idealnego, co nie pozwala na otrzymanie materiału o znacznych rozmiarach. Na obecną chwilę granica wytrzymałości takich materiałów metalicznych jak np. wiskersy żelaza wynosi niewiele ponad 10 GPa. Drugi kierunek to uzyskiwanie materiałów metalicznych o maksymalnie zdefektowanej strukturze, znacznej ilości dyslokacji w jednostce objętości, dużej liczbie wakansów, co według znanej zależności Halla-Petcha zwiększa wytrzymałość wraz ze wzrostem rozdrobnienia struktury. Biorąc pod uwagę czynnik ekonomiczny, obecnie niewiele jest metod o stosunkowo niskich kosztach gwarantujących stabilną strukturę materiału nanokrystalicznego, który dodatkowo będzie stosowany w skali przemysłowej. Pomimo tego zakłady przemysłowe podejmują próby opracowywania nowych metod, czego rezultatem jest osiągnięcie odpowiedniej technologii a następnie materiału nanokrystalicznego znajdującego zastosowanie w przemyśle zbrojeniowym. Japoński czołg Type10, znajdujący się w czołówce najnowocześniejszych czołgów na świecie, dysponuje pancerzem zbudowanym ze stali nanokrystalicznej.
Japoński czołg Type10
Idąc dalej w kierunku przemysłu zbrojeniowego, podczas ostatniej edycji targów MSPO w Kielcach które odbywały się 2-5 września 2013, Wojskowe Zakłady Mechaniczne S.A. w Siemianowicach Śląskich zaprezentowały nową technologię, a właściwie nanotechnologię stosowaną w pancerzu popularnych w Afganistanie Rosomaków. Firma przedstawiła opancerzenie wykonane ze stali nanokrystalicznej które pozwoliło zredukować masę o 35% w porównaniu do pancerze tradycyjnego przy zachowaniu korzystnych własności mechanicznych oraz termicznych. Kolejną innowacją jest opancerzenie z nanoceramiki umożliwiające redukcję masy aż o 47%, czyli znacznie więcej niż nanostal, jednakże przy kilkukrotnym zwiększeniu grubości płyty. Oba warianty obronne zostały wykonane metodą spiekania proszków. Tego rodzaju pancerz gwarantuję znacznie lepszą ochronę przeciw pociskom kumulacyjnym oraz kinetycznym.
Porównanie dwóch płyt opancerzenia. Po lewej płyta ze stali nanokrystalicznej, po prawej nanoceramika. Fot: Aaron Rokosz
Podobnie jak telefony komórkowe były wykonane na potrzeby wojska, tak teraz nanomateriały podbijają rynek zbrojeniowy. Czy już wkrótce zagoszczą w domach zwykłych ludzi? Jeśli tak, to w jakiej formie?
Źródła:
[1] Stainless Steel by Dominic Sayers, CC BY 2.0, flickr.com
[2] Tank type10, Autor: Los688 (praca własna) [CC0], commons.wikimedia.org
[3] JÓZEF PADUCH, ROMAN KUZIAK, HANNA KRZTOŃ, JANUSZ POŚPIECH, OTRZYMYWANIE I WŁAŚCIWOŚCI NANOMATERIAŁÓW NA OSNOWIE ŻELAZA, Vol. 27 nr 1, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 2007
[4] http://www.defence24.pl/news_mspo-nanopancerze-dla-rosomaka | 21.10.2013
[5] Bartosz Sułkowski, Stale nanokrystaliczne, Stal Metale & Nowe Technologie, 5-6 2013 maj- czerwiec
[6] Raport MSPO 2, 2-5 września 2013, Agencja Lotnica ALTAIR przy współpracy z TARGI KIELCE SA.
[7] Fotografia płyt opancerzenia udostępniona dzięki uprzejmości portalu dziennikzbrojny.pl, Autor: Aaron Rokosz.