Твердотельный материал

1 Область техники Изобретение относится к способам обработки твердотельных материалов, в том числе сталей, конструкционных сплавов, полупроводниковых материалов, диэлектриков, ферритов,пьезокерамических материалов и т.д., с целью придания им улучшенных характеристик. Оно может быть использовано также для обработки деталей (изделий). Предшествующий уровень техники Одним из известных направлений обработки твердотельных материалов с целью улучшения их характеристик является обеспечение наличия в поверхностном слое материала тех или иных примесей, улучшающих определенные характеристики материала, в частности,его прочность. Известен твердотельный материал (Авторское свидетельство СССР 1220104), приповерхностный слой которого содержит дополнительно примесь золота. Недостатком этого материала является недостаточная прочность, обусловленная отсутствием регулярного упорядочивания кристаллической решетки приповерхностных областей. Известен твердотельный материал"Технология литья под давлением", М.: Металлургия, 1996 г., с. 187), приповерхностный слой которого содержит дополнительно примеси азота либо бора, углерода, серы, хрома, алюминия. Недостатком этого материала является также отсутствие регулярного упорядочивания кристаллической решетки приповерхностных областей. Известен пьезокерамический материал(Авторское свидетельство СССР 1172906) на основе твердого раствора окислов циркония,свинца и бария, в приповерхностном слое которого содержится повышенная концентрация свинца (на 0,5-0,8 об.%), что приводит к образованию дополнительных приповерхностных центров кристаллизации. Однако и этот материал имеет недостаточную прочность, обусловленную отсутствием регулярного упорядочивания кристаллической решетки монокристаллических зерен в поверхностных слоях. Раскрытие изобретения Одной из задач изобретения является повышение прочности материала за счет пространственного упорядочивания исходной кристаллической структуры материала в его приповерхностных слоях. Другой задачей, решаемой настоящим изобретением, является улучшение такой характеристики материала, как величина акустических потерь, принципиально значимой для пьезокерамических материалов. Указанные задачи решаются благодаря созданию принципиально новой структуры 2 приповерхностного слоя твердотельного материала. Эта структура представляет собой образованные в поверхностном слое материала поры наномерного сечения диаметром до 200 нм и размещенные в порах нити нанометрового сечения (до 200 нм), из другого или того же самого материала. В качестве исходного материала для получения материала с указанной структурой поверхностного слоя может быть использован любой твердотельный кристаллический, керамический материал (в том числе твердые композитные смеси). Исходный материал может быть проводящим (например, медь, никель, титан,сталь), полупроводящим (например, кремний,арсенид галлия). Формирование структуры "вложенная в нанопору нанонить" позволяет существенно уменьшить уровень акустических потерь твердотельного материала и повысить его прочность за счет пространственного упорядочивания кристаллической структуры вдоль границ структур"вложенная в нанопору нанонить". Для пьезоактивных материалов указанный эффект приводит к увеличению количества доменов, вектор поляризации которых ориентирован нормально к поверхности структуры "вложенная в нанопору нанонить". В качестве материала нитей для пьезокерамики целесообразно использовать такие металлы как серебро, золото, платина или медь. Объектом изобретения является также способ обработки твердотельного материала,заключающийся в формировании в его поверхностном слое указанной структуры "вложенная в наноструктуру нанонить". При этом формирование нанопор может быть осуществлено электроэрозионной обработкой поверхности заготовки материала, а их заполнение нанонитями путем локального ионного осаждения материала нитей. Объектом изобретения является также и способ обработки готовых деталей (изделий) из твердотельных материалов, путем формирования в поверхностном слое указанной структуры"вложенная в нанопору нанонить". Примеры осуществления изобретения Пример 1. Пьезокерамика с вложенными в поры металлическими нитями. На одном из торцов пьезокерамической заготовки, изготовленной по стандартной технологии (спрессованная пьезокерамическая шихта со связующим прошла обжиг при температуре 1450 С и плавно охлаждена), методом электроэрозии с помощью первого зонда с диаметром острия примерно 20 нм, изготовленного из сульфоиодида сурьмы (SSbI), при подаче импульсов отрицательной полярности формируют нанопоры (шаг обработки - 600 нм, модифицирующее напряжение - 4 В; время обработки каждой поры - 400 нc). Затем с помощью второго 3 зонда из серебра (диаметр острия 10 нм) при подаче импульсов положительной полярности методом локального ионного осаждения в сформированных нанопорах формируют нанонити из Ag (шаг обработки -600 нм; модифицирующее напряжение 2 В; время обработки каждой поры 600 нc). Позиционирование первого и второго зондов осуществляется при помощи сканирующего туннельного микроскопа. Концентрация пор составляла в среднем 3 поры на мкм 2. Обработанная описанным методом пьезокерамическая пластина была подвергнута исследованию на прочность (на разрыв). Она составила 3100 н/мм 2, в то время как прочность аналогичной пластины, не прошедшей указанной обработки, равнялась 2200 н/мм 2. Коэффициент электромеханической связи,обратно пропорциональный величине акустических потерь в материале, увеличился с 0,71 до 0,85. Пример 2. Металл с вложенными в поры полупроводниковыми нитями. Исходный материал - вольфрам. На поверхности вольфрама на глубину 100-1000 нм сформированы поры сечением 10-200 нм. Поры заполнены нитями длиной 100-1000 нм сечением 10-200 нм. Концентрация пор составляет в среднем 3 поры на мкм 2. Материал нитей кремний. Прочность исследованной вольфрамовой проволоки без использования структуры "вложенная в нанопору нанонить" составила 3600 н/мм 2. При использовании структуры "вложенная в нанопору нанонить" после обработки прочность составила 4400 н/мм 2. Коэффициент акустических потерь в материале при этом снизился в среднем на 20%. Пример 3. Металл со вложенными в поры диэлектрическими нитями. Исходный материал - вольфрам. На поверхности вольфрама на глубину 100-1000 нм сформированы поры сечением 10-200 нм. Поры заполнены нитями длиной 100-1000 нм сечением 10-200 нм. Концентрация пор составляет в среднем 3 поры на мкм 2. Материал нитей - сера. Прочность исследованной вольфрамовой проволоки без использования структуры "вложенная в нанопору нанонить" составила 3600 н/мм 2. При использовании структуры "вложенная в нанопору нанонить" после обработки прочность составила 4100 н/мм 2. Коэфициент акустических потерь в материале при этом снизился в среднем на 20%. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ. 1. Способ обработки заготовки твердотельных материалов, заключающийся в образовании в поверхностном слое материала заготовки пор диаметром до 200 нм и заполнении ука 002900 4 занных пор нитями из иного или того же самого материала, что и материал заготовки. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в каждую пору помещают несколько нанонитей. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что поры в материале образуют путем электроэрозионной обработки, а заполнение их осуществляют путем локального ионного осаждения материала нитей. 4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что обрабатываемый материал представляет собой керамический материал, а материал для заполнения пор представляет собой металл. 5. Способ по п.4, отличающийся тем, что обрабатываемый материал представляет собой пьезокерамику. 6. Способ по п.5, отличающийся тем, что материал для заполнения пор представляет собой серебро. 7. Способ по п.5, отличающийся тем, что материал для заполнения пор представляет собой золото. 8. Способ по п.5, отличающийся тем, что материал для заполнения пор представляет собой платину. 9. Способ по п.5, отличающийся тем, что материал для заполнения пор представляет собой медь. 10. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что обрабатываемый материал представляет собой металл, а материал для заполнения пор представляет собой полупроводниковый материал. 11. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что обрабатываемый материал представляет собой металл, а материал для заполнения пор представляет собой диэлектрический материал. 12. Способ обработки деталей, включающий в себя образование пор, по меньшей мере, в поверхностном слое материала, из которого изготовлена обрабатываемая деталь, причем указанные поры имеют размер до 200 нм,заполнение указанных пор нитями из иного или того же самого материала, что и материал детали. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что поры в материале детали образуют путем электроэрозионной обработки, а заполнение их осуществляют путем локального ионного осаждения материала нитей. 14. Способ по любому из пп.12-13, отличающийся тем, что обрабатываемая деталь выполнена из керамики, а материал для заполнения пор представляет собой металл. 15. Способ по п.13, отличающийся тем, что обрабатываемая деталь выполнена из пьезокерамики. 16. Способ по п.14, отличающийся тем, что материал для заполнения пор представляет собой серебро. 17. Способ по п.15, отличающийся тем, что материал для заполнения пор представляет собой золото. 18. Способ по п.15, отличающийся тем, что материал для заполнения пор представляет собой платину. 19. Способ по п.15, отличающийся тем, что материал для заполнения пор представляет собой медь. 20. Способ по любому из пп.12-13, отличающийся тем, что обрабатываемая деталь выполнена из металла, а материал для заполнения пор представляет собой полупроводниковый материал. 21. Способ по любому из пп.12-13, отличающийся тем, что обрабатываемая деталь выполнена из металла, а материал для заполнения пор представляет собой диэлектрический материал. 22. Твердотельный материал, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в поверхностном слое материала сформированы поры диаметром от 10 до 200 нм, а в них помещены нити из другого материала. 23. Твердотельный материал, отличающийся тем, что, по меньшей мере, в поверхностном слое материала сформированы поры диа 6 метром от 10 до 200 нм, а в них помещены нити из того же материала. 24. Материал по п.22 или 23, отличающийся тем, что поры имеют глубину от 100 до 1000 нм. 25. Материал по п.24, отличающийся тем,что он представляет собой керамический материал, а нити, заполняющие поры, выполнены из металла. 26. Материал по п.25, отличающийся тем,что он представляет собой пьезокерамику. 27. Материал по п.26, отличающийся тем,что нити, заполняющие поры, выполнены из серебра. 28. Материал по п.26, отличающийся тем,что нити, заполняющие поры, выполнены из золота. 29. Материал по п.26, отличающийся тем,что нити, заполняющие поры, выполнены из платины. 30. Материал по п.26, отличающийся тем,что нити, заполняющие поры, выполнены из меди. 31. Материал по п.22, отличающийся тем,что он представляет собой металл, а нити, заполняющие поры, выполнены из полупроводникового материала. 32. Материал по п.22, отличающийся тем,что он представляет собой металл, а нити, заполняющие поры, выполнены из диэлектрического материала.