blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2016-5-306-313blackmet-865Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КАК ОСНОВА СОЗДАНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ В ОБЛАСТИ МЕТАЛЛУРГИИ. ЧАСТЬ 2. ПОРОШКОВЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫFUNDAMENTAL INVESTIGATIONS AS THE BASIS OF CREATION OF NEW MATERIALS AND TECHNOLOGIES IN METALLURGY. PART 2. POWDER NANOMATERIALSЛеонтьевЛ. И.Leont’evL. I.

академик РАН, советник, д.т.н., профессор, главный научный сотрудник

Dr. Sci. (Eng.), Professor, Academician, Adviser of the Russian Academy of Sciences, Chief Researcher

lleontev@imet.ac.ruАлымовМ. И.AlymovM. I.

член-корр. РАН, д.т.н., профессор, директор ИСМАН 

orresponding Member of Russian Academy of Sciences, Dr. Sci. (Eng.), Professor, Director of ISMAN

Президиум РАН (119991, Россия, Москва, Ленинский пр., 32а); Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (119049, Россия, Москва, Ленинский пр., 4); Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119991, Россия, Москва, Ленинский пр., 49)РоссияScientific Council on Metallurgy and Metal Science of Russian Aca- demy of Sciences (Department of Chemistry and Material Sciences), Moscow, Russia National University of Science and Technology “MISIS” (MISIS), Moscow, Russia Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Aca- demy of Sciences, Moscow, RussiaRussian FederationИнститут металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН (119991, Россия, Москва, Ленинский пр., 49); Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН) (142432, Россия, Московская обл., Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, д. 8)РоссияBaikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Aca- demy of Sciences, Moscow, Russia Institute of Structural Macrokinetics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (ISMAN), Chernogolovka, Moscow Region, RussiaRussian Federation201629062016595306313Copyright © Леонтьев Л.И., Алымов М.И., 20162016Леонтьев Л.И., Алымов М.И.Leont’ev L.I., Alymov M.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/865

Представлен обзор результатов исследований способов получения нанопорошков и консолидированных порошковых наноматериалов. Проанализированы особенности различных способов получения нанопорошков, приведены свойства нанопорошков. Рассмотрены методы консолидации нанопорошков прессованием, спеканием и спеканием под давлением. Приведены свойства консолидированных порошковых наноматериалов и рассмотрены перспективные области их применения в качестве конструкционных, функциональных и высокоэнергетических материалов. 

The paper presents a review of the investigation results in the field of nanopowder and consolidated powder nanomaterials. The features of the various powder fabrication methods are described and analyzed, as well as the produced nanopowders properties. The different methods of nanopowder consolidation (consolidation, sintering, sintering under pressure) are considered. The properties of such consolidated nanomaterials are listed and some perspective directions of their usage (as the engineering, functional and high-energetic materials) are pointed out. 

порошковая металлургиянанопорошкидисперсностьпроизводительностьконсолидацияпрочностьплотностьприменениеpowder metallurgynanopowdersdispersivityproductivityconsolidationstrengthdensityapplicationReferencesОсновы нанотехнологии / Н.Т. Кузнецов, В.М. Новоторцев, В.А. Жабрев, В.И. Марголин В.И. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. – 397 с.Kuznetsov N.T., Novotortsev V.M., Zhabrev V.A., Margolin V.I. Osnovy nanotekhnologii [Basics of nanotechnology]. Moscow: BINOM. Laboratoriya znanii, 2014, 397 p. (In Russ.).Алымов М.И. Порошковая металлургия нанокристаллических материалов. – М.: Наука, 2007. – 169 с.Alymov M.I. Poroshkovaya metallurgiya nanokristallicheskikh materialov [Powder metallurgy of nanocrystalline materials]. Moscow: Nauka, 2007, 169 p. (In Russ.).Алымов М.И., Шустов В.С., Устюхин А.С., Евстратов Е.В. Соотношение между качеством нанопорошков и производительностью методов их получения // Композиты и наноструктуры. 2012. No 3. С. 5 – 9.Alymov M.I., Shustov V.S., Ustyukhin A.S., Evstratov E.V. Correlation between the quality of nanopowders and productivity rate for fabrication technology of them. Kompozity i nanostruktury. 2012, no. 3, pp. 5–9. (In Russ.).Леонтьев Л.И., Григорович К.В., Костина В.М. Фундаментальные исследования как основа создания новых материалов и технологий в области металлургии. Часть 1 // Изв. вуз. Черная Металлургия. 2016. No 1. С. 11 – 22.Leont’ev L.I., Grigorovich K.V., Kostina V.M. Fundamental investigations as the basis of creation of new materials and technologies in metallurgy. Part 1. Izvestiya VUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2016, vol. 59, no. 1, pp. 11–22. (In Russ.).Закоржевский В.В., Боровинская И.П. Синтез субмикронных частиц AlN в режиме горения // Неорганические материалы. 2015. Т. 51. No 6. С. 1 – 6.Zakorzhevskii V.V., Borovinskaya I.P. Combustion Synthesis of Submicron AlN Particles. Inorganic Materials. 2015, vol. 51, pp. 566–571.Чевыкалова Л.А., Келина И.Ю., Михальчик И.Л. и др. Керамический материал на основе отечественных композиционных порошков нитрида кремния, полученных методом СВС // Новые огнеупоры. 2014. No 10. С. 31 – 36.Chevykalova L.A., Kelina I.Yu., Mikhal’chik I.L., Plyasunkova L.A., Arakcheev A.V., Zakorzhevskii V.V., Loryan V.E. Ceramic material on the base of domestic silicon nitride composite powders obtained by self-propagating high-temperature suspension (SHS) method. Novye ogneupory. 2014, no. 10, pp. 31–36. (In Russ.).Borovinskaya I.P., Ignat’eva T.I., Semenova V.N., Chemagina E.A. Aluminum oxynitride by SHS in chemical furnace // International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2015. Vol. 24. No. 3. P. 142 – 147.Borovinskaya I.P., Ignat’eva T.I., Semenova V.N., E. A. Chemagina E.A. Aluminum oxynitride by SHS in chemical furnace. International Journal of Self-Propagating High-Temperature Synthesis. 2015, vol. 24, no. 3, pp. 142–147.Боровинская И.П., Баринова Т.В., Игнатьева Т.И. CВC ультрадисперсных и наноразмерных порошков СВС Si3N4. Влияние добавок неорганических и органических соединений на микроструктуру, морфологию и фазовый состав продуктов // Российские нанотехнологии. 2015. Т. 10. No 9 –10. С. 74 – 83.Borovinskaya I.P., Barinova T.V., Ignat’eva T.I. SHS of ultrafine and nanosized Si3N4 powders. Influence of inorganic and organic additives on product microstructure, morphology and phase composition. Nanotechnologies in Russia. 2015, vol. 10, Issue 9, pp. 763–776.Mukasyan A.S., Rogachev A.S., ArunaS.T. Combustion synthesis in nanostructured reactive systems // Advanced Powder Technology. 2015. No. 26(3). Р. 954 – 976.Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Aruna S.T. Combustion synthesis in nanostructured reactive systems. Advanced Powder Technology. 2015, vol. 26, Issue 3, pp. 954–976.Nanostructured materials: processing, properties and potential applications / Edited by Carl C. Koch. USA, Noyes Publications, 2002. – 612 p.Nanostructured materials: processing, properties and potential applications. Koch Carl C. ed. Norwich, NY: Noyes Publications, 2002, 612 p.Hayashi K., Eto H. Pressure-Sintering of iron, cobalt, nickel and copper ultrafine powders and the crystal grain size and hardness of the compacts // J. Japan Inst. Metals. 1989. Vol. 53. No. 2. Р. 221 – 226.Hayashi K., Eto H. Pressure-Sintering of iron, cobalt, nickel and copper ultrafine powders and the crystal grain size and hardness of the compacts. J. Japan Inst. Metals. 1989, vol. 53, no. 2, pp. 221–226.Бербенцев В.Д., Алымов М.И., Бедов С.С. Консолидация нанопорошков методом газовой экструзии // Российские нанотехнологии. 2007. No 7 – 8. С. 116 – 120.Berbentsev V.D., Alymov M.I., Bedov S.S. Nanopowder consolidation by gas extrusion method. Rossiiskie nanotekhnologii. 2007, no. 7–8, pp. 116–120. (In Russ.).Ваганов В.Е., Аборкин А.В., Алымов М.И., Бербенцев В.Д. Современное состояние и перспективы развития высокотемпературной газовой экструзии для получения прутков тонкого сечения труднодеформируемых сплавов, в том числе в наноструктурированном состоянии. Металлы. 2015. No 5. С. 67 – 74.Vaganov V.E., Aborkin A.V., Alymov M.I., Berbentsev V.D. State of the Art and the Prospects of High-Temperature Gas Extrusion to Produce Thin-section Rods Made of Hard-to-Deform, Including Nanostructured, Alloys. Russian Metallurgy (Metally). 2015, no. 9, pp. 732–738.Langlois C., Hytch M.J., Langlois P. etc. Synthesis and microstructure of bulk nanocrystalline copper // Metallurgical and Materials Transactions A. 2005. Vol. 36A. P. 3451 – 3460.Langlois C., Hytch M.J., Langlois P., Lartigue-Korinek S., and Champion Y. Synthesis and microstructure of bulk nanocrystalline copper. Metallurgical and Materials Transactions A. 2005, vol. 36A, pp. 3451–3460.Бажин П.М., Столин А.М., Алымов М.И., Чижиков А.П. Особенности получения длинномерных изделий из керамического материала с наноразмерной структурой методом СВС-экструзии // Перспективные материалы. 2014. No 11. С. 73 – 80.Bazhin P.M., Stolin A.M., Alymov M.I., Chizhikov A.P. Peculiarities of the production of elongated items from a ceramic material with nanoscale structure by the SHS extrusion method. Inorganic Materials: Applied Research. 2015, vol. 6, no. 2, pp. 187–192.Griffith A.A. The phenomena of rupture and flow in solids // Phil. Trans. Roy. Soc. (London). 1921. A221. P.163 – 198.Griffith A.A. The phenomena of rupture and flow in solids. Phil. Trans. Roy. Soc. (London). 1921, A221, pp. 163–198.Lashmore D.S., Jesser W.A., Schladitz D.M. etc. Microstructural investigation of polycrystalline iron whiskers // J. Appl. Phys. 1977. Vol. 48. Р. 478 – 481.Lashmore D.S., Jesser W.A., Schladitz D.M., Schladitz H.J., Wilsdorf H.G.F. Microstructural investigation of polycrystalline iron whiskers J. Appl. Phys. 1977, vol. 48, pp. 478–481.Лякишев Н.П., Алымов М.И. Получение и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. – М.: ЭЛИЗ, 2007. – 148 с.Lyakishev N.P., Alymov M.I. Poluchenie i fiziko-mekhanicheskie svoistva ob”emnykh nanokristallicheskikh materialov [Production and physic-mechanical properties of bulk nanocrystalline materials]. Moscow: ELIZ. 2007, 148 p. (In Russ.).Солнцев К.А. ИМЕТ РАН: развитие работ в области наноматериалов и нанотехнологий // Нанотехнологии. Экология. Производство. 2010. No 4. С. 4 – 6.Solntsev K.A. IMET of RAS: investigations in nanomaterials and nanotechnologies. Nanotechnologies. Ecology. Production. 2010, no. 4, pp. 4–6.Andrievski R.A., Khatchoyan A.V. Nanomaterials in extreme environments. Fundamentals and applications // Springer Series in Materials Science. 2016. Vol. 230.Andrievski R.A., Khatchoyan A.V. Nanomaterials in extreme environments. Fundamentals and applications. Springer Series in Materials Science, 2016, vol. 230.Цветков Ю.В., Самохин А.В., Николаев А.В. Плазменные процессы в металлургии и обработке материалов. – В кн.: Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН – 75 лет: Сб. науч. тр. / Под ред. К.А. Солнцева. – М.: Интерконтакт Наука, 2013. С. 512 – 528.Tsvetkov Yu.V., Samokhin A.V., Nikolaev A.V. Plasma processes in metallurgy and material treatment. In: Institut metallurgii i materialovedeniya im. A.A. Baikova RAN – 75 let. Sb. nauchnykh trudov [Institute metallurgy and material science A.A. Baikov RAS – 75 years. Proc.]. Solntsev K.A. ed. Moscow: Interkontakt Nauka, 2013, 792, pp. 512–528. (In Russ.).Zaitsev A.A., Vershinnikov V.I., Konyashin I. etc. Cemented carbides from WC powders obtained by the SHS method // Materials Letters. 2015. Vol. 158. No. 1. P. 329 – 332.Zaitsev A.A., Vershinnikov V.I., Konyashin I., Levashov E.A., Borovinskaya I.P., Ries B. Cemented carbides from WC powders obtained by the SHS method. Materials Letters. 2015, vol. 158, no. 1, pp. 329–332.Щербаков В.А., Грядунов А.Н., Сачкова Н.В., Самохин А.В. СВС-компактирование керамических композитов на основе боридов титана и хрома // Письма о материалах. 2015. Т. 5. Вып. 1. С. 20 – 23.Shcherbakov V.A., Gryadunov A.N., Sachkova N.V., Samokhin A.V. Combustion synthesis of composites based on titanium and chromium borides. Pis’ma o materialakh. 2015, vol. 5, Issue 1, pp. 20–23. (In Russ.).Алымов М.И., Евстратов Е.В., Анкудинов А.Б. и др. Получение, структура и свойства пористых материалов на основе титана // Физика и химия обработки материалов. 2015. No 12. С. 70 – 75.Alymov M.I., Evstratov E.V., Ankudinov A.B., Zelenskii V.A., Golosova O.A., Kolobova A.Yu. Preparation, structure and properties of the porous materials based on titanium. FKhOM. 2015, no. 12, pp. 70–75. (In Russ.).Алымов М.И., Бакунова Н.В., Баринов С.М. и др. Особенности уплотнения при прессовании нанопорошков гидроксиапатита // Российские нанотехнологии. 2011. No 5 – 6. С. 50 – 52.Alymov M.I., Bakunova N.V., Barinov S.M., Belunik I.A., Fomin A.S., Ievlev V.M., Soldatenko S.A. Specific features of the densification of hydroxyapatite nanopowders upon pressing. Nanotechnologies in Russia. 2011, vol. 6, Issue 5–6, pp 353–356.Mukasyan A. S., Lin Ya-Cheng, RogachevA. S., Moskovskikh D.O. Direct combustion synthesis of silicon carbide nanopowder from the elements // Journal of the American ceramic society. 2013. Vol. 96. Issue 1. P. 111 – 117.Mukasyan A.S., Lin Ya-Cheng, Rogachev A.S., Moskovskikh D.O. Direct combustion synthesis of silicon carbide nanopowder from the elements. Journal of the American ceramic society. 2013, vol. 96, Issue 1, pp. 111–117.Kurchatov I.M., Laguntsov N.I., Uvarov V.I., Kurchatova O.V. Asymmetric gas transport: composite porous ceramic membranes // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Vol. 10. No. 20. P. 40939 – 40945.Kurchatov I.M., Laguntsov N.I., Uvarov V.I., Kurchatova O.V. Asymmetric gas transport: composite porous ceramic membranes. International Journal of Applied Engineering Research. 2015. vol. 10, no. 20, pp. 40939-40945.Shevchenko V.Ya., Mackay A.L. Geometrical principles of the self-assembly of nanoparticles // Glass physics & Chemistry. 2008. Vol. 34. No. 1. P. 8 – 15.Shevchenko V.Ya., Mackay A.L. Geometrical principles of the self-assembly of nanoparticles. Glass physics & Chemistry. 2008, vol. 34, no. 1, pp. 8–15.Зайцев А.А., Сентюрина Ж.А., Погожев Ю.С. и др. Получение литых электродов из наномодифицированного высокобористого сплава на основе алюминида никеля для изготовления сферических гранул методом центробежного распыления // Изв. вуз. Цветная металлургия. 2015. No 4. С. 15 – 24.Zaitsev A.A., Sentyurina Zh.A., Pogozhev Yu.S., Levashov E.A., Sanin V.N., Yukhvid V.I., Andreev D.E., Mikhailov M.A., Kaplanskii Yu.Yu. Fabrication of cast electrodes from nanomodified nickel aluminide-based high-boron alloy to fabricate spherical powders using the plasma rotating electrode process. Izvestiya VUZov. Tsvetnaya metallurgiya. 2015, no. 4, pp. 15–24. (In Russ.).Ударно-волновой синтез в твердых смесях / С.А. Зелепугин, А.Ю. Долгобородов, О.В. Иванова, А.С. Зелепугин. – Томск: Изд-во Института оптики атмосферы СО РАН, 2012. – 230 с.Zelepugin S.A., Dolgoborodov A.Yu., Ivanova O.V., Zelepugin A.S. Udarno-volnovoi sintez v tverdykh smesyakh. Monografiya [Shockwave sintering in solid mixtures. Monograph]. Tomsk: Izd-vo Instituta optiki atmosfery SO RAN, 2012, 230 p. (In Russ.).Имховик Н.А., Селиванов В.В., Симонов А.К. и др. Об исследованиях по разработке за рубежом новых высокоплотных реактивных материалов («High-DensityReactiveMaterials») и их применению в боеприпасах повышенного могущества действия // Вооружение и экономика. 2014. No 1 (26). С. 53 – 63.Imkhovik N.A., Selivanov V.V., Simonov A.K., Sergeeva A.I., Yashin V.B. About the abroad development research of new “HighDensity Reactive Materials” and its appliance in high-lethality ammunition. Vooruzhenie i ekonomika. 2014, no. 1 (26), pp. 53–63. (In Russ.).Ультрадисперсные и наноразмерные порошки: создание, строение, производство и применение / Под ред. акад. В.М. Бузника. – Томск: Изд-во НТЛ, 2009. – 192 с.Ul’tradispersnye i nanorazmernye poroshki: sozdanie, stroenie, proizvodstvo i primenenie [Ultrafine and nanosized powders: synthesis, structure, production and application]. Buznik V.M. ed. Tomsk: Izd-vo NTL, 2009, 192 p. (In Russ.).Advanced Energetic Materials. Committee on Advanced Energetic Materials and Manufacturing Technologies. National Research Council. 2004.Advanced Energetic Materials. Committee on Advanced Energetic Materials and Manufacturing Technologies. National Research Council. 2004.Ames R.G. A standardized evaluation technique for reactive warhead fragments // 23-rd International Symposium on Ballistics. – Tarragona, Spain. 16 – 20 April, 2007.Ames R.G. A standardized evaluation technique for reactive warhead fragments. Proceedings of the 23-rd International Symposium on Ballistics, Tarragona, Spain, 16–20 April, 2007.Wang Haifu, Liu Zongwei, Wang Hui, Yu Weiming. Impact initiated characteristics of reactive material fragments // Proceedings of the 2007 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics. – Xi’an, Shaanxi, China. October 23 – 26, 2007.Wang Haifu, Liu Zongwei, Wang Hui, Yu Weiming. Impact initiated characteristics of reactive material fragments. Proceedings of the 2007 International Autumn Seminar on Propellants, Explosives and Pyrotechnics. Xi’an, Shaanxi, China, October 23–26, 2007.Rosencrantz S.D. Characterization and modeling methodology of polytetrafluoroethylene based reactive materials for the development of parametric models. Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Engineering, B.S., University of Washington, 1998. Wright State University, 2007.Rosencrantz S.D. Characterization and modeling methodology of polytetrafluoroethylene based reactive materials for the development of parametric models. Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science in Engineering, B.S., University of Washington, 1998. Wright State University, 2007.Mr. Steven Nicolich Chief, Presented by: Dr. Rao Surapaneni, Energetic materials to meet warfighter requirements: An overview of selected US Army RDECOM-ARDEC Energetic Materials Programs // Proceedings of the 42nd Annual Armament Systems: Gun and Missile Systems Conference, 2007.Mr. Steven Nicolich Chief, Presented by: Dr. Rao Surapaneni, Energetic materials to meet warfighter requirements: An overview of selected US Army RDECOM-ARDEC Energetic Materials Programs. The Proceedings of the 42nd Annual Armament Systems: Gun and Missile Systems Conference, 2007.Daniels A., Baker E., Ng K. A unitary demolition warhead // Mines, demolition and non-lethal weapons conference, 2003.Daniels A., Baker E., Ng K. A unitary demolition warhead. Mines, demolition and non-lethal weapons conference, 2003.Gotzmer C., Amato B., Kim S. Applications overview of reactive materials // National Capital Region Energetics Symposium, La Plata, MD, April 27 – 28, 2009.Gotzmer C., Amato B., Kim S. Applications overview of reactive materials. National Capital Region Energetics Symposium, La Plata, MD, April 27–28, 2009.Zhang F., Donahue L., Wilson W.H. The Effect of charge reactive structural metal cases on air blast. 14th IDS, 2010.Zhang F., Donahue L., Wilson W.H. The Effect of charge reactive structural metal cases on air blast. 14th IDS, 2010.Bless S., Russell R., Pantoya M. Advanced energetic materials for agent defeat: Impact-driven reactions in biocidal reactive materials for WMD applications. AnnualProgressReport -HDTRA1-08-1-0013, 2009.Bless S., Russell R., Pantoya M. Advanced energetic materials for agent defeat: Impact-driven reactions in biocidal reactive materials for WMD applications. Annual Progress Report – HD-TRA1-08-1-0013, 2009.Каблов Е.Н., Кондрашов С.В., Юрков Г.Ю. Перспективы использования углеродсодержащих наночастиц в связующих для полимерных композиционных материалов // Российские нанотехнологии. 2013. Т. 8. No 3 – 4. С. 24 – 42.Kablov E.N., Kondrashov S.V., Yurkov G.Yu. Prospective applications of carbon-containing nanoparticles in binders for polymer composite materials. Nanotechnologies in Russia. 2013, vol. 8, no. 3–4, pp. 163–185.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.