JP2019518132A - 溶融金属中のナノ構造の自己分散および自己安定化 - Google Patents

溶融金属中のナノ構造の自己分散および自己安定化 Download PDF

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Abstract

金属基ナノ複合材は、１）１つまたはそれを上回る金属を含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回るものを含む体積割合において、均一に分散され、基材中で安定化される、ナノ構造とを含む。いくつかの実施形態では、基材は、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、およびＺｎから選択される、１つまたはそれを上回る金属を含む。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲内の平均寸法を有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約１００ｎｍを上回る平均寸法を有する。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１６年３月３１日に出願された米国仮出願第６２／３１６，２７４号の利益を主張するものであり、該米国仮出願の内容は、その全体が参照により本明細書中に援用される。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎによって供与された第１４４９３９５号下における政府支援によって行われた。政府は、本発明におけるある権利を有する。
本開示は、概して、金属基中に分散されるナノ粒子を含むナノ複合材等のナノ複合材に関する。
金属基ナノ複合材は、時として、ナノ構造補強金属とも称され、機械的、電気的、熱的、および化学的性質を含む、望ましい性質を呈する、新種の材料である。その大きな表面対体積比率および金属基中における不良濡れ性に起因して、ナノ構造を均一に分散させることは、非常に困難であり得、均一ナノ構造分散を達成する際の本難点は、種々の用途のための金属基ナノ複合材の開発を妨げている。
この背景技術に照らして、本明細書に説明される実施形態を開発する必要性が生じた。
いくつかの実施形態による一側面では、金属基ナノ複合材は、１）１つまたはそれを上回る金属を含む、基材（もしくは１つまたはそれを上回る金属元素）と、２）ナノ複合材の約３％を上回るものを含む体積割合において、均一に分散され、基材中で安定化される、ナノ構造とを含む。
いくつかの実施形態では、基材は、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、およびＺｎから選択される、１つまたはそれを上回る金属を含む。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲内の平均寸法を有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約１００ｎｍを上回る平均寸法を有する。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、セラミックを含む。いくつかの実施形態では、セラミックは、遷移金属含有セラミックである。いくつかの実施形態では、遷移金属含有セラミックは、遷移金属炭化物、遷移金属ケイ化物、遷移金属ホウ化物、および遷移金属窒化物から選択される。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、元素形態における遷移金属を含む。いくつかの実施形態では、遷移金属は、Ｗである。
いくつかの実施形態では、ナノ複合材中のナノ構造の体積割合は、約５％またはそれを上回る。
いくつかの実施形態では、ナノ複合材中のナノ構造の体積割合は、約１０％またはそれを上回る。
いくつかの実施形態では、基材は、Ａｌを含み、ナノ構造は、遷移金属炭化物または遷移金属ホウ化物を含む。
いくつかの実施形態では、基材は、Ｆｅを含み、ナノ構造は、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、または遷移後金属酸化物を含む。
いくつかの実施形態では、基材は、Ａｇを含み、ナノ構造は、元素形態における遷移金属を含む。
いくつかの実施形態では、基材は、Ｃｕを含み、ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属炭化物を含む。
いくつかの実施形態では、基材は、Ｚｎを含み、ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属炭化物を含む。
いくつかの実施形態では、基材は、Ｔｉを含み、ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属ケイ化物を含む。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ａｌを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、遷移金属炭化物または遷移金属ホウ化物を含む。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ａｌを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ａｌの接触角θは、約９０°未満であって、
｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａａｌｕｍｉｎｕｍ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１５．６ｚＪであって、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａａｌｕｍｉｎｕｍは、ＡｌのＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであって、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ｆｅを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、または遷移後金属酸化物を含む。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ｆｅを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ｆｅの接触角θは、約９０°未満であって、
｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｉｒｏｎ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜２７．８ｚＪであって、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｉｒｏｎは、ＦｅのＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであって、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ａｇを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、元素形態における遷移金属を含む。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ａｇを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ａｇの接触角θは、約９０°未満であって、
｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｓｉｌｖｅｒ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１９．８ｚＪであって、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｓｉｌｖｅｒは、ＡｇのＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであって、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ｃｕを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属炭化物を含む。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ｃｕを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ｃｕの接触角θは、約９０°未満であって、
｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｃｏｐｐｅｒ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜２１．５ｚＪであって、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｃｏｐｐｅｒは、ＣｕのＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであって、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ｚｎを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属炭化物を含む。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ｚｎを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ｚｎの接触角θは、約９０°未満であって、
｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｚｉｎｃ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１２．３ｚＪであって、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｚｉｎｃは、ＺｎのＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであって、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ｔｉを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属ケイ化物を含む。
いくつかの実施形態による別の側面では、金属基ナノ複合材は、１）Ｔｉを含む、基材と、２）ナノ複合材の約３％を上回る体積割合において、基材中に分散される、ナノ構造とを含み、ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ｔｉの接触角θは、約９０°未満であって、
｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｔｉｔａｎｉｕｍ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜２９．５ｚＪであって、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｔｉｔａｎｉｕｍは、ＴｉのＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであって、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である。
いくつかの実施形態によるさらなる側面では、製造方法は、１）１つまたはそれを上回る金属（または１つまたはそれを上回る金属元素）を加熱し、溶融物を形成するステップと、２）約３％を上回るものを含む体積割合において、ナノ構造を溶融物の中に導入するステップと、３）溶融物を冷却し、その中に分散されるナノ構造を含む、金属基ナノ複合材を形成するステップとを含む。
いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る金属は、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、およびＺｎから選択される。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍの範囲内の平均寸法を有する。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約１００ｎｍを上回る平均寸法を有する。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、セラミック、元素形態における遷移金属、または合金形態における遷移金属を含む。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約５％またはそれを上回る体積割合において、溶融物の中に導入される。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約１０％またはそれを上回る体積割合において、溶融物の中に導入される。
本開示の他の側面および実施形態もまた、想定される。前述の概要および以下の詳細な説明は、本開示を任意の特定の実施形態に制限することが意味されず、単に、本開示のいくつかの実施形態を説明することが意図される。
本開示のいくつかの実施形態の本質および目的のより良好な理解のために、付随の図面と併せて検討される以下の詳細な説明に対する参照がなされるべきである。
図１は、液体金属中で相互作用する２つのナノ粒子のモデルである。 図２は、界面エネルギーＷが２つのナノ粒子間の距離Ｄに沿って変化する様子を示す。Ｓは、有効表面積であって、σｐｌは、ナノ粒子と液体金属との間の界面エネルギーであって、σｐは、ナノ粒子の表面エネルギーであって、ａは、液体金属の特性原子径である。 図３は、ナノ粒子が集塊を形成するための相互作用ポテンシャルである。 図４は、ナノ粒子擬似分散に関する相互作用ポテンシャルである。 図５は、ナノ粒子自己分散に関する相互作用ポテンシャルである。 図６は、Ａｌ基材の内側のＴｉＣナノ粒子のドメイン（斑点）と、１つのドメインの内側のＴｉＣナノ粒子（暗色）である。 図７は、液滴鋳造によって作製されたサンプルである。 図８は、（左）黒色断続線で丸で囲まれたＴｉＣナノ粒子の異なるドメインと、（右）粒界の内側の代表的ＴｉＣナノ粒子ドメインのより高い拡大図である。 図９は、Ｍｇ１８Ａｌ−１．２体積％ＴｉＣナノ複合材中の共晶相内のＴｉＣ分散である。 図１０は、ナノ粒子分散を定量的に分析するためのＩｍａｇｅＪ処理ＳＥＭ画像である。 図１１は、Ｍｇ１８Ａｌ−１．２体積％ＴｉＣナノ複合材中のＴｉＣナノ粒子相のサイズ分布である。 図１２は、Ｍｇ２９Ａｌ−１．９８体積％ＴｉＣナノ複合材の微小構造である。 図１３は、Ｍｇ２９Ａｌ−１．９８体積％ＴｉＣナノ複合材中のＴｉＣナノ粒子相のサイズ分布である。 図１４は、Ｍｇ４２Ａｌ−３体積％ＴｉＣナノ複合材の微小構造である。 図１５は、Ｍｇ４２Ａｌ−３体積％ＴｉＣナノ複合材中のＴｉＣナノ粒子相のサイズ分布である。 図１６は、Ｍｇ８８Ａｌ−７．５体積％ＴｉＣナノ複合材の微小構造である。 図１７は、Ｍｇ８８Ａｌ−７．５体積％ＴｉＣナノ複合材中のＴｉＣナノ粒子相のサイズ分布である。 図１８は、Ａｌ−１３体積％ＴｉＣサンプルのＳＥＭ画像である（暗色粒子：ＴｉＣ；明色基材：Ａｌ）。 図１９は、実験設定（ａ）Ｍｇ６Ｚｎ−１体積％ＳｉＣナノ複合材加工のための超音波処理および（ｂ）Ｍｇ中のナノ粒子を濃縮するための蒸発の概略である。 図２０は、Ｍｇ６Ｚｎ中の金属間相の中に押し込まれるナノ粒子である。 図２１（ａ）（ｂ）は、約５２度傾斜角度において、かつ異なる拡大率において入手されたＭｇ−１４体積％ＳｉＣサンプルのＳＥＭ画像であって、（ｃ）は、全体的サンプルを横断したナノ粒子の均一分布である。 図２２は、室温で凝固されたままのサンプルの機械的挙動である。（ａ）ナノ粒子なし（下）およびあり（上）の微小柱状の凝固されたままのサンプルのエンジニアリング応力歪み曲線であって、（ｂ）（ｃ）は、ナノ粒子なし（ｂ）およびあり（ｃ）の変形後サンプルの形態を示す、ＳＥＭ画像である。 図２３は、Ｆｅ基材中に分散されるＮｂＣナノ粒子のＳＥＭ画像である（明色粒子：ＮｂＣ；暗色基材：Ｆｅ）。 図２４は、Ａｌ−５体積％ＴｉＢ２サンプルのＳＥＭ画像である（暗色粒子：ＴｉＢ２；明色基材：Ａｌ）。 図２５は、Ａｇ−５体積％ＷサンプルのＳＥＭ画像である（暗色粒子：Ｗ；明色基材：Ａｇ）。
緒言：
ナノ複合材は、種々の用途のための機械的、電気的、熱的、および化学的性質等の望ましい性質を提供することができる。金属基ナノ複合材は、１つまたはそれを上回る金属の基材と、ナノ粒子、ナノ板状晶、およびナノファイバ等のナノ構造の形態における補強材とを含む。
凝固処理は、金属の溶融系処理（例えば、鋳造）であって、金属基ナノ複合材の生産のための有望かつ多用途の大量製造方法である。ナノ構造が、液体金属または半固体金属の中に混和され、溶融塩添加自己混和、機械的撹拌、または超音波処理を含む、種々の方法によって、分散される。ナノ構造と混合される液体金属は、次いで、金型の中に鋳込され、バルク金属基ナノ複合材を取得する。凝固処理は、複雑な形状を伴うバルク金属構成要素の経済的生産の潜在性をもたらす。しかしながら、液体金属中のナノ構造の凝集を緩和しながらの十分な装填レベルにおけるナノ構造の混和は、有意な課題を呈し得る。
ナノ複合材の内側の均一ナノ構造分散が、向上された性質を達成するために望ましい。金属基ナノ複合材の内側のナノ構造の最終分布は、ナノ構造の混和、溶融金属中のナノ構造の分散および安定化、ならびに凝固の間のナノ構造の押込に依存し得る。この点における努力にもかかわらず、産業生産のための溶融金属中のナノ構造の均一かつ安定化された分散を達成することは、課題のままである。セラミックナノ構造と溶融金属との間の不良濡れ性は、溶融金属からのナノ構造斥力をもたらし得る。ナノ構造表面上に付着される可能性として考えられる汚染および気泡は、本傾向を悪化させ得る。ナノ構造はまた、容易に凝集し、凝集体または集塊を溶融金属中に形成し、溶融金属の内側のナノ構造の安定および均一分散を取得することを困難にし得る。超音波キャビテーション処理が、溶融金属中のナノ構造の運動分散を取得するために使用されることができる。しかしながら、いったん超音波処理が停止すると、ナノ構造の初期均一分散は、安定せず、溶融金属の内側のナノ構造間の相互作用は、ナノ構造を再分散させ、凝集体を形成し得る。例えば、超音波処理の間に最初は溶融金属中で良好に分散される、ナノ粒子は、再凝集し、集塊を形成し得、これは、凝固の間、粒界および相界に押し込まれ得る。ナノ粒子間の有効斥力を伴わない場合、ナノ粒子は、溶融金属中の引力ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ力に起因して、集塊を容易に形成し、集塊形成につながり得る。
さらに、ナノ構造の安定化のための他の方略は、概して、溶融金属中で効果的ではない。例えば、軽量アルミニウム（Ａｌ）およびマグネシウム（Ｍｇ）等の溶融金属中では、処理温度は、約１，０００Ｋであり得る。立体力に関与する鎖有機分子は、そのような高温度では安定しない。さらに、溶融金属は、非常に伝導性であって、静電相互作用に基づいて、斥力の減退をもたらし得る。
溶融金属中のナノ構造分散：
溶融金属中のナノ構造間の相互作用
図１に示されるような例示的なモデルのナノ粒子溶融物系では、ナノ粒子は、静的金属溶融物中で均質に分布および分散されると仮定される。ナノ粒子溶融物系は、ナノ粒子装填が低いときにナノ粒子の希薄分散を伴う、溶融物と見なされ得る。モデルでは、液体金属中の２つの同一タイプのナノ粒子間の相互作用のみが、検討される。モデルを構築するための付加的仮定は、以下に列挙される。
半径Ｒを伴うナノ粒子は、実質的に球状であって、Ｄは、２つのナノ粒子間の間隙または距離である。
溶融物中の巨視的対流は、無視可能である。
ナノ粒子と金属溶融物との間の静電相互作用または二重層は、無視可能である。
ナノ粒子に関する浮力および重力は、無視可能である。
ナノ粒子と金属溶融物との間の化学反応は、無視可能である。
ガスフィルムまたは汚染は、ナノ粒子の表面上に存在しない。
前述の仮定に基づいて、３つの相互作用、すなわち、界面エネルギー、ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャル、およびＢｒｏｗｎｉａｎポテンシャルが、本モデルのナノ粒子溶融物系中で検討される。
界面エネルギー
２つのナノ粒子が、相互から離れた液体金属中で相互作用するとき、界面エネルギーは、以下のように説明され得る。
式中、Ｓｐｌは、ナノ粒子の表面積であって、σｐｌは、ナノ粒子と液体金属との間の界面エネルギーである。２つのナノ粒子が接近し、金属原子を圧搾し、それらの間の空隙を生成する場合、界面エネルギーは、以下となる。
式中、Ｓｐｐおよびσｐは、有効接触面積およびナノ粒子の表面エネルギーである。２つのナノ粒子が、接着接触に到達し、化学的にともに結合する（焼結が開始する）場合、２つのナノ粒子間に物理的界面は、存在しないであろう。本全体的エネルギー最小値は、０（または別のベースライン値）に設定されることができる。
したがって、２つのナノ粒子が、金属原子を圧搾し、それらの間に空隙を生成するために十分に接近すると、Ｇｉｂｂｓ自由エネルギーの変化が、以下のように説明され得る。
式中、Ｓは、有効接触面積である。ナノ粒子が、さらに接近し、ともに融合を開始する場合、Ｇｉｂｂｓ自由エネルギーのさらなる変化が、以下のように説明され得る。
界面エネルギーσｐが、正（常時、正）であるため、ΔＧ２は、負（常時、負）である。液体金属中の２つのナノ粒子に関する界面エネルギーの概略は、図２に示される。
σｐおよびσｐｌは、金属とナノ粒子表面との間に形成される、化学結合、主に、共有結合、金属結合、または両方によって影響され、これは、最大で約０．２〜０．４ｎｍの短特性長を有する。熱力学的に好ましい条件下、２つのナノ粒子間の距離が、化学結合の典型的特性長未満であるとき、接着が、開始されるであろう。本距離を超えると、化学結合による界面エネルギーへの寄与は、無視可能であると見なされ得る。それらの間に間隙Ｄを伴う、単位面積の２つの類似表面の相互作用ポテンシャルに関する一般式が、以下のように適用され得る。
式中、Ｄ０は、化学結合の長さであって、ａ０は、化学結合に関する特性減衰長（典型的には、約０．２〜０．４ｎｍ）、すなわち、この場合、Ｄ０の約２倍である。
における相互作用ポテンシャルは、界面エネルギーに起因するエネルギー障壁Ｗｂａｒｒｉｅｒを表すことができ、２Ｓ（σｐ−σｐｌ）として表されることができ、これは、Ｓσｌｃｏｓθに比例し、式中、σｌは、金属溶融物の表面張力であって、θは、ナノ粒子材料表面上の金属溶融物の接触角である。ナノ粒子と溶融金属との間の濡れが良好（より小さいθ）であるほど、ナノ粒子が相互に接触することを防止する、エネルギー障壁は、高くなる。接触角は、液滴法試験等の技法を通して導出されることができ、測定は、真空またはヘリウムもしくはアルゴン等の不活性ガス大気中で行われることができる。表１は、真空または不活性ガス中のセラミック上のいくつかの代表的金属に関する接触角の例示的値を示す。
ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャル
液体金属中の２つのナノ粒子間のｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャルは、比較的に広範囲である。ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャルによって誘発される引力は、ナノ粒子をともに集合させる。半径Ｒ１およびＲ２の２つの球体に関するｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャルは、以下によって判定される。
力は、以下によって判定される。
式中、Ａは、液体金属中のナノ粒子相互作用に関する系Ｈａｍａｋｅｒ定数である。Ｌｉｆｓｈｉｔｚ理論に基づいて、３成分系では、媒体３を横断した媒体１と２との間の非遅延Ｈａｍａｋｅｒ定数は、以下によって推定され得る。
式中、ε１、ε２、およびε３は、３つの媒体の静的誘電定数であって、ε（ｉν）は、虚周波数におけるεの値であって、
である。
室温およびそれを上回ると、周波数は、紫外線（ＵＶ）領域内にある。
系Ｈａｍａｋｅｒ定数Ａ１３２は、媒体３を通して相互作用する材料１および２に関して規定され、以下を通してＡ１１およびＡ２２に近似的に関連し得る。
式中、Ａ１１、Ａ２２、およびＡ３３は、真空を通したそれら自体との材料１、２、および３の相互作用である。
ナノ粒子金属系では、系Ｈａｍａｋｅｒ定数は、以下のように説明され得る。
故に、ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャルは、以下のように記述され得る。
したがって、２つの類似ナノ粒子間のｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャルは、負（常時、負の）であって、液体金属中の２つの同一ナノ粒子間のｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ力は、引力（常時、引力）である。
におけるｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャルは、エネルギー井戸Ｗｖｄｗｍａｘを表すことができ、以下のように表され得る。
Ｈａｍａｋｅｒ定数は、真空中での原子間力の顕微鏡検査測定、透過電磁スペクトルの測定、およびプラズマ周波数を抽出するための電子エネルギー損失スペクトルの測定等の技法を通して導出されることができる。例えば、Ｈａｍａｋｅｒ定数は、Ｌｅｅ、“Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈａｍａｋｅｒ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｍｅｔａｌｌｉｃ Ａｅｒｏｓｏｌｓ ｆｒｏｍ Ｅｘｔｅｎｓｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄａｔａ，”Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ ｏｎ Ｓｕｒｆａｃｅｓ １， ｐｐ．７７−９０，１９８８に記載されるように、周波数にわたる誘電定数の積分を通して導出されることができる。表２は、真空中のいくつかの代表的金属およびセラミックに関するＨａｍａｋｅｒ定数の例示的値を示す。
Ｂｒｏｗｎｉａｎポテンシャル
ナノ粒子は、小さく、熱変動下で無作為に移動するため、Ｂｒｏｗｎｉａｎポテンシャルが、検討されるべきである。モデルでは、２つのナノ粒子が相互に接近する方向に沿った変位が、検討される。等分配の法則は、Ｂｒｏｗｎｉａｎ運動の運動エネルギー／ポテンシャルが、１つのナノ粒子に関する１つの寸法においてｋＴ／２であることを示す。したがって、１つの寸法における２つのナノ粒子系に関するＢｒｏｗｎｉａｎ運動エネルギーは、ｋＴである。高温における液体金属中の２つのナノ粒子に関して、ｋＴは、ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャルと同等であり得、したがって、Ｂｒｏｗｎｉａｎポテンシャルは、ナノ粒子分散に重要な役割を果たし得る。
溶融金属中のナノ粒子分散に関する３つの例
液体金属中のナノ粒子分散に関するモデル系では、ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャル、界面エネルギー、およびＢｒｏｗｎｉａｎポテンシャルが、共存する。界面エネルギーは、２つのナノ粒子間の間隙が１つまたは２つの原子層に到達すると、優勢になり得る。ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ相互作用は、より長い距離（例えば、約０．４ｎｍ〜約１０ｎｍまたはそれを上回る）まで、本間隙の外側で優勢になり得る。ナノ粒子分散に関する３つの可能性として考えられる例は、モデル分析、すなわち、集塊、擬似分散、および自己分散から推測され得る。
集塊：図３は、ナノ粒子が集塊を形成するための相互作用ポテンシャルを示す。ＷｂａｒｒｉｅｒおよびＷｖｄｗｍａｘは、それぞれ、化学結合特性長におけるΔＧ１と、エネルギー井戸内の最大ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャルである。Ｗｂａｒｒｉｅｒが、小さく（例えば、ナノ粒子と液体金属との間の不良濡れ性に起因して、約１０ｋＴ未満）、ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャル井戸が、十分に深くない場合、ＢｒｏｗｎｉａｎポテンシャルｋＴは、ナノ粒子を接着接触させ、化学結合を形成し、それによって、ともに融合させ得る。ナノ粒子集塊が、したがって、以下の条件、すなわち、（１）Ｗｖｄｗｍａｘ＞−ｋＴ（または｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴ）および（２）Ｗｂａｒｒｉｅｒ＜ｋＴが当てはまるとき、液体金属中に形成されるであろう。
擬似分散：図４は、液体金属中のナノ粒子擬似分散に関する相互作用ポテンシャルを示す。Ｗｂａｒｒｉｅｒが、高い（例えば、ナノ粒子と液体金属との間の良好な濡れ性に起因して、約１０ｋＴを上回る）場合、ＢｒｏｗｎｉａｎポテンシャルｋＴは、ナノ粒子を接着接触のために障壁を通過させることができない。しかし、ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャル井戸が、深い場合、ナノ粒子は、井戸内に動力学的に捕捉され、別個のナノ粒子の集塊を擬似分散中に形成し得る。ナノ粒子は、したがって、擬似分散ドメイン中に形成され、高密度ナノ粒子は、金属原子の数層によって分離される。したがって、ナノ粒子擬似分散は、以下の条件、すなわち、（１）Ｗｖｄｗｍａｘ＜−ｋＴ（または｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＞ｋＴ）および（２）Ｗｂａｒｒｉｅｒ＞１０ｋＴが当てはまるとき、液体金属中に形成されるであろう。
自己分散：図５は、液体金属中のナノ粒子自己分散に関する相互作用ポテンシャルを示す。Ｗｂａｒｒｉｅｒが、高く（例えば、ナノ粒子と液体金属との間の良好な濡れ性に起因して、約１０ｋＴを上回る）、ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャル井戸が、深くない場合、ＢｒｏｗｎｉａｎポテンシャルｋＴは、ナノ粒子を接着接触のために障壁を通過させることができず、ナノ粒子は、井戸内に動力学的に捕捉されない。これは、ナノ粒子が、集塊または擬似分散ドメインを液体金属中に形成せずに移動し、したがって、自己分散を達成することを可能にするであろう。したがって、ナノ粒子自己分散は、以下の条件、すなわち、（１）Ｗｖｄｗｍａｘ＞−ｋＴ（または｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴ）および（２）Ｗｂａｒｒｉｅｒ＞１０ｋＴが当てはまるとき、液体金属中に形成されるであろう。モデルを通した自己分散機構の解明は、バルクナノ複合材の大規模凝固処理において、ナノ粒子の均一分散を実現するための強力なツールとしての役割を果たすことができる。
金属基ナノ複合材：
本開示のいくつかの実施形態は、高体積割合の均一に分散されたナノ構造を含む、金属基ナノ複合材と、そのようなナノ複合材の製造方法とを対象とする。均一に分散された高体積割合のナノ構造を含む、金属基ナノ複合材は、高性能構造材料またはそのような構造材料の加工のためのマスタ合金として使用されることができる。
いくつかの実施形態では、金属基ナノ複合材は、１つまたはそれを上回る金属の基材と、基材中に分散される、補強ナノ構造とを含む。好適な基材材料の実施例は、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、亜鉛（Ｚｎ）、前述の金属のうちの２つまたはそれを上回るものの合金、混合物、または他の組み合わせ、例えば、Ｔｉ−Ａｌ合金、Ａｌ−Ｍｇ合金、およびＭｇ−Ｚｎ合金、ならびに前述の金属のうちの１つまたはそれを上回るものと他の元素（例えば、鋼鉄の合金）との混合物、または他の組み合わせ（例えば、鉄−炭素合金または鉄−クロム−炭素合金）を含む。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、例えば、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の少なくとも１つの寸法を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討される、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、例えば、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の少なくとも１つの平均または中間寸法を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討され、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、縦横比約５またはそれ未満もしくは約３またはそれ未満もしくは約２またはそれ未満を有し、略球状または回転楕円体形状を有する、ナノ粒子を含むことができるが、他の形状および構成のナノ構造も、検討され、例えば、ナノファイバおよびナノ板状晶である。いくつかの実施形態のナノ粒子の場合、ナノ粒子は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ、例えば、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の少なくとも１つの寸法（例えば、有効直径であって、これは、有効半径の２倍である）または少なくとも１つの平均または中間寸法（例えば、平均有効直径であって、これは、平均有効半径の２倍である）を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討され、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。
いくつかの実施形態では、ナノ構造は、１つまたはそれを上回るセラミックを含むことができるが、他のナノ構造材料も、検討され、金属または他の伝導性材料を含む。好適なナノ構造材料の実施例は、金属酸化物（例えば、アルカリ土類金属酸化物、遷移後金属酸化物、および遷移金属酸化物、例えば、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸化物（ＴｉＯ２）、およびジルコニウム酸化物（ＺｒＯ２））、非金属酸化物（例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２））、金属炭化物（例えば、遷移金属炭化物、例えば、炭化チタン（ＴｉＣ）、炭化ニオブ（ＮｂＣ）、炭化クロム（Ｃｒ３Ｃ２）、炭化ニッケル（ＮｉＣ）、炭化ハフニウム（ＨｆＣ）、炭化バナジウム（ＶＣ）、炭化タングステン（ＷＣ）、および炭化ジルコニウム（ＺｒＣ））、非金属炭化物（例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ））、金属ケイ化物（例えば、遷移金属ケイ化物、例えば、ケイ化チタン（Ｔｉ５Ｓｉ３））、金属ホウ化物（例えば、遷移金属ホウ化物、例えば、ホウ化チタン（ＴｉＢ２）、ホウ化ジルコニウム（ＺｒＢ２）、ホウ化ハフニウム（ＨｆＢ２）、ホウ化バナジウム（ＶＢ２）、およびホウ化タングステン（Ｗ２Ｂ５））、金属窒化物（例えば、遷移金属窒化物）、金属（例えば、元素形態における遷移金属、例えば、タングステン（Ｗ））、前述のうちの２つまたはそれを上回るものの合金、混合物、または他の組み合わせ、ならびに前述のうちの１つまたはそれを上回るものと他の元素の合金、混合物、または他の組み合わせを含む。好適なナノ構造材料の特定の実施例は、遷移金属含有セラミックを含み、遷移金属の存在は、より大きなＨａｍａｋｅｒ定数を付与し、低減されたｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓポテンシャル井戸に関する金属基、例えば、遷移金属炭化物、遷移金属ケイ化物、遷移金属ホウ化物、遷移金属窒化物、および他の非酸化物、遷移金属含有セラミックのものにより密接に近似させることができる。
好適なナノ構造が、温度Ｔにおける凝固処理のための金属基中の自己分散に関して選択されることができ、これは、約（Ｔｍｅｌｔ＋２００Ｋ）に設定されることができ、Ｔｍｅｌｔは、基材材料の溶融温度であるが、約Ｔｍｅｌｔ超〜最大約（Ｔｍｅｌｔ＋２５０Ｋ）の範囲内の他の処理温度も、検討される。いくつかの実施形態では、ナノ構造の選択は、以下の条件、すなわち、（１）ナノ構造が、基材の溶融物との化学反応を殆どまたは全く受けないことと、（２）例えば、約９０°未満、例えば、約８８°またはそれ未満、約８５°またはそれ未満、約８０°またはそれ未満、約７５°またはそれ未満、約７０°またはそれ未満、約６０°またはそれ未満、約５０°またはそれ未満、約４０°またはそれ未満、もしくは約３０°またはそれ未満の処理温度Ｔにおけるナノ構造材料の表面に対する溶融物の接触角θによって特性評価されるような基材の溶融物によるナノ構造の良好な濡れ性と、
（３）｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴまたは｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｍａｔｒｉｘ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜ｋＴ
（式中、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｍａｔｒｉｘは、基材材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであるように設定されることができ、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である）とを満たし得る。
例えば、溶融温度約９３３Ｋを有するアルミニウム（または大部分の成分としてアルミニウムを伴うアルミニウム含有合金）の基材の場合、ナノ構造の選択は、処理温度Ｔ約１，１３３Ｋにおいて、以下の条件、すなわち、（１）ナノ構造が、アルミニウムの溶融物との化学反応を殆どまたは全く受けないことと、（２）例えば、約９０°未満、例えば、約８８°またはそれ未満、約８５°またはそれ未満、約８０°またはそれ未満、約７５°またはそれ未満、約７０°またはそれ未満、約６０°またはそれ未満、約５０°またはそれ未満、約４０°またはそれ未満、もしくは約３０°またはそれ未満の処理温度Ｔにおけるナノ構造材料の表面に対する溶融物の接触角θによって特性評価されるようなアルミニウムの溶融物によるナノ構造の良好な濡れ性と、
（３）｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴまたは｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａａｌｕｍｉｎｕｍ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１５．６ｚＪ
（式中、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａａｌｕｍｉｎｕｍは、アルミニウムのＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであるように設定されることができ、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である）とを満たし得る。アルミニウムにおける分散に関する好適なナノ構造材料の実施例は、他の遷移金属含有セラミックの中でもとりわけ、遷移金属炭化物（例えば、ＴｉＣ）および遷移金属ホウ化物（例えば、ＴｉＢ２）を含み、好適なナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の平均有効直径を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討され、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。
例えば、溶融温度約９２３Ｋを有する、マグネシウム（または大部分の成分としてマグネシウムを伴うマグネシウム含有合金）の基材の場合、ナノ構造の選択は、処理温度Ｔ約１１２３Ｋにおいて、以下の条件、すなわち、（１）ナノ構造が、マグネシウムの溶融物との化学反応を殆どまたは全く受けないことと、（２）例えば、約９０°未満、例えば、約８８°またはそれ未満、約８５°またはそれ未満、約８０°またはそれ未満、約７５°またはそれ未満、約７０°またはそれ未満、約６０°またはそれ未満、約５０°またはそれ未満、約４０°またはそれ未満、もしくは約３０°またはそれ未満の処理温度Ｔにおけるナノ構造材料の表面に対する溶融物の接触角θによって特性評価されるようなマグネシウムの溶融物によるナノ構造の良好な濡れ性と、
（３）｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴまたは｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｍａｇｎｅｓｉｕｍ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１５．５ｚＪ
（式中、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｍａｇｎｅｓｉｕｍは、マグネシウムのＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであるように設定されることができ、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である）とを満たし得る。マグネシウムにおける分散に関する好適なナノ構造材料の実施例は、他のセラミックの中でもとりわけ、非金属炭化物（例えば、ＳｉＣ）を含み、好適なナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の平均有効直径を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討され、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。
例えば、溶融温度約１，８１１Ｋを有する、鉄（または大部分の成分として鉄を伴う鉄含有合金）の基材の場合、ナノ構造の選択は、処理温度Ｔ約２，０１１Ｋにおいて、以下の条件、すなわち、（１）ナノ構造が、鉄溶融物との化学反応を殆どまたは全く受けないことと、（２）例えば、約９０°未満、例えば、約８８°またはそれ未満、約８５°またはそれ未満、約８０°またはそれ未満、約７５°またはそれ未満、約７０°またはそれ未満、約６０°またはそれ未満、約５０°またはそれ未満、約４０°またはそれ未満、もしくは約３０°またはそれ未満の処理温度Ｔにおけるナノ構造材料の表面に対する溶融物の接触角θによって特性評価されるような鉄の溶融物によるナノ構造の良好な濡れ性と、
（３）｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴまたは｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｉｒｏｎ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜２７．８ｚＪ
（式中、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｉｒｏｎは、鉄のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであるように設定されることができ、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である）とを満たし得る。鉄における分散に関する好適なナノ構造材料の実施例は、他のセラミックの中でもとりわけ、遷移金属炭化物（例えば、ＮｂＣ、ＮｉＣ、およびＴｉＣ）、遷移金属ホウ化物（例えば、ＴｉＢ２）、および遷移後金属酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３）を含み、好適なナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の平均有効直径を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討され、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。
例えば、溶融温度約１，２３５Ｋを有する、銀（または大部分の成分として銀を伴う銀含有合金）の基材の場合、ナノ構造の選択は、処理温度Ｔ約１，４３５Ｋにおいて、以下の条件、すなわち、（１）ナノ構造が、銀の溶融物との化学反応を殆どまたは全く受けないことと、（２）例えば、約９０°未満、例えば、約８８°またはそれ未満、約８５°またはそれ未満、約８０°またはそれ未満、約７５°またはそれ未満、約７０°またはそれ未満、約６０°またはそれ未満、約５０°またはそれ未満、約４０°またはそれ未満、もしくは約３０°またはそれ未満の処理温度Ｔにおけるナノ構造材料の表面に対する溶融物の接触角θによって特性評価されるような銀の溶融物によるナノ構造の良好な濡れ性と、
（３）｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴまたは｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｓｉｌｖｅｒ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１９．８ｚＪ
（式中、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｓｉｌｖｅｒは、銀のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであるように設定されることができ、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である）とを満たし得る。銀における分散に関する好適なナノ構造材料の実施例は、遷移金属（例えば、Ｗ）を含み、好適なナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の平均有効直径を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討され、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。
例えば、溶融温度約１３５８Ｋを有する、銅（または大部分の成分として銅を伴う銅含有合金）の基材の場合、ナノ構造の選択は、処理温度Ｔ約１５５８Ｋにおいて、以下の条件、すなわち、（１）ナノ構造が、銅の溶融物との化学反応を殆どまたは全く受けないことと、（２）例えば、約９０°未満、例えば、約８８°またはそれ未満、約８５°またはそれ未満、約８０°またはそれ未満、約７５°またはそれ未満、約７０°またはそれ未満、約６０°またはそれ未満、約５０°またはそれ未満、約４０°またはそれ未満、もしくは約３０°またはそれ未満の処理温度Ｔにおけるナノ構造材料の表面に対する溶融物の接触角θによって特性評価されるような銅の溶融物によるナノ構造の良好な濡れ性と、
（３）｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴまたは｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｃｏｐｐｅｒ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜２１．５ｚＪ
（式中、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｃｏｐｐｅｒは、銅のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであるように設定されることができ、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である）とを満たし得る。銅における分散に関する好適なナノ構造材料の実施例は、遷移金属および遷移金属炭化物（例えば、ＷおよびＷＣ）を含み、好適なナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の平均有効直径を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討され、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。
例えば、溶融温度約６９３Ｋを有する、亜鉛（または大部分の成分として亜鉛を伴う亜鉛含有合金）の基材の場合、ナノ構造の選択は、処理温度Ｔ約８９３Ｋにおいて、以下の条件、すなわち、（１）ナノ構造が、亜鉛の溶融物との化学反応を殆どまたは全く受けないことと、（２）例えば、約９０°未満、例えば、約８８°またはそれ未満、約８５°またはそれ未満、約８０°またはそれ未満、約７５°またはそれ未満、約７０°またはそれ未満、約６０°またはそれ未満、約５０°またはそれ未満、約４０°またはそれ未満、もしくは約３０°またはそれ未満の処理温度Ｔにおけるナノ構造材料の表面に対する溶融物の接触角θによって特性評価されるような亜鉛の溶融物によるナノ構造の良好な濡れ性と、
（３）｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴまたは｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｚｉｎｃ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１２．３ｚＪ
（式中、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｚｉｎｃは、亜鉛のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであるように設定されることができ、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である）とを満たし得る。亜鉛における分散に関する好適なナノ構造材料の実施例は、遷移金属および遷移金属炭化物（例えば、ＷおよびＷＣ）を含み、好適なナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の平均有効直径を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討され、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。
例えば、溶融温度約１，９４１Ｋを有する、チタン（または大部分の成分としてチタンを伴うチタン含有合金）の基材の場合、ナノ構造の選択は、処理温度Ｔ約２，１４１Ｋにおいて、以下の条件、すなわち、（１）ナノ構造が、チタンの溶融物との化学反応を殆どまたは全く受けないことと、（２）例えば、約９０°未満、例えば、約８８°またはそれ未満、約８５°またはそれ未満、約８０°またはそれ未満、約７５°またはそれ未満、約７０°またはそれ未満、約６０°またはそれ未満、約５０°またはそれ未満、約４０°またはそれ未満、もしくは約３０°またはそれ未満の処理温度Ｔにおけるナノ構造材料の表面に対する溶融物の接触角θによって特性評価されるようなチタンの溶融物によるナノ構造の良好な濡れ性と、
（３）｜Ｗｖｄｗｍａｘ｜＜ｋＴまたは｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｔｉｔａｎｉｕｍ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜２９．５ｚＪ
（式中、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ａｔｉｔａｎｉｕｍは、チタンのＨａｍａｋｅｒ定数であって、Ｒは、ナノ構造の平均有効半径であって、ｄ１は、約０．４ｎｍであるように設定されることができ、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である）とを満たし得る。チタンにおける分散に関する好適なナノ構造材料の実施例は、遷移金属（例えば、Ｗ）および遷移金属ケイ化物（例えば、Ｔｉ５Ｓｉ３）を含み、好適なナノ構造は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約８０ｎｍ、約１ｎｍ〜約６０ｎｍ、約１ｎｍ〜約４０ｎｍ、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、または約１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内の平均有効直径を有することができるが、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍ内の他の範囲も、検討され、例えば、約１ｎｍ〜約５００ｎｍまたは約１ｎｍ〜約２００ｎｍである。
いくつかの実施形態では、金属基ナノ複合材は、例えば、約３％を上回る、例えば、約５％またはそれを上回る、約６％またはそれを上回る、約７％またはそれを上回る、約８％またはそれを上回る、約９％またはそれを上回る、約１０％またはそれを上回る、約１１％またはそれを上回る、約１２％またはそれを上回る、約１３％またはそれを上回る、もしくは約１４％またはそれを上回り、最大で約２０％またはそれを上回る、高体積割合において、ナノ構造を含むことができる。
いくつかの実施形態では、金属基ナノ複合材は、ナノ構造の均一分散を基材中に含むことができる。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、例えば、約３％を上回る、例えば、約５％またはそれを上回る、約６％またはそれを上回る、約７％またはそれを上回る、約８％またはそれを上回る、約９％またはそれを上回る、約１０％またはそれを上回る、約１１％またはそれを上回る、約１２％またはそれを上回る、約１３％またはそれを上回る、もしくは約１４％またはそれを上回り、最大で約２０％またはそれを上回る、高体積割合において、基材中に均一に分散されることができる。他の実施形態では、ナノ構造は、例えば、約３％またはそれ未満である体積割合において、基材中に均一に分散されることができる。
基材中のナノ構造の分散は、１つまたはそれを上回る画像、例えば、１つまたはそれを上回る走査電子顕微鏡検査（ＳＥＭ）画像の画像分析に基づいて特性評価されることができ、画像内のナノ構造は、閾値またはそれを上回る（もしくは他の実装では、閾値またはそれを下回る）、明るさまたは他の強度値を有する、ピクセルに対応し、例えば、少なくとも５０ナノ構造、少なくとも１００ナノ構造、少なくとも２００ナノ構造、または少なくとも５００ナノ構造の１つまたはそれを上回る画像内でナノ構造のサンプルサイズに対して計算されることができる。
画像分析に関連して、画像内のナノ構造毎に、その最近傍ナノ構造までの距離（中心間距離）が、判定され、最近傍距離の分布が、１つまたはそれを上回る画像を横断して導出され、平均（または平均値）距離および平均距離を中心とした最近傍距離の変動（または拡散）を取得することができる。いくつかの実施形態に関するそのような画像分析に基づいて、最近傍距離の少なくとも７０％は、（０．９×平均距離）および（１．１×平均距離）の帯域内にあり得、例えば、少なくとも８０％または少なくとも９０％である。さらに、ナノ構造が等距離を最近傍距離間に伴って規則的に位置付けられる、ナノ構造の適用可能な体積割合の基準（理論的）分散も、検討されることができ、基準（理論的）最近傍距離が、導出されることができる。いくつかの実施形態に関して、ナノ構造は、画像分析から導出される平均（または平均値）最近傍距離が、（０．７×基準（理論的）距離）および（１．３×基準（理論的）距離）の帯域内、例えば、（０．８×基準（理論的）距離）および（１．２×基準（理論的）距離）または（０．９×基準（理論的）距離）および（１．１×基準（理論的）距離）内にある場合、基材中に均一に分散されるものとして特性評価され得る。
凝固処理による製造の間、１つまたはそれを上回る金属が、溶鉱炉内で加熱され、溶融物を形成することができる。次に、ナノ構造が、所望の体積割合において溶融物の中に導入されることができ、ナノ構造および溶融物は、例えば、機械的撹拌、超音波処理、または他の様式の撹拌によって、自己分散または混合されることができる。冷却による溶融物の凝固は、その中に分散されるナノ構造を含む、金属基ナノ複合材をもたらす。いくつかの実施形態では、ナノ構造は、例えば、約３％を上回る、例えば、約５％またはそれを上回る、約６％またはそれを上回る、約７％またはそれを上回る、約８％またはそれを上回る、約９％またはそれを上回る、約１０％またはそれを上回る、約１１％またはそれを上回る、約１２％またはそれを上回る、約１３％またはそれを上回る、もしくは約１４％またはそれを上回り、最大で約２０％またはそれを上回る、高体積割合において、溶融物の中に導入されることができる。他の実施形態では、ナノ構造は、例えば、約３％またはそれ未満の低体積割合において、溶融物の中に導入されることができ、次いで、溶融物または他の処理からの１つまたはそれを上回る金属の蒸発が、適用され、ナノ構造の体積割合が約３％を上回るように濃縮させ、それによって、高体積割合のナノ構造を含む、金属基ナノ複合材を達成することができる。結果として生じるナノ複合材は、種々の用途のための望ましい性質を提供することができる。例えば、ナノ複合材は、約３００ＭＰａまたはそれを上回る、例えば、約３５０ＭＰａまたはそれを上回る、約４００ＭＰａまたはそれを上回る、約４５０ＭＰａまたはそれを上回る、約５００ＭＰａまたはそれを上回る、約５５０ＭＰａまたはそれを上回る、約６００ＭＰａまたはそれを上回る、もしくは約６５０ＭＰａまたはそれを上回り、最大で約７００ＭＰａまたはそれを上回る、もしくは最大で約７５０ＭＰａまたはそれを上回る、高降伏強度を有することができる。
以下の実施例は、図示し、説明を当業者に提供するために、本開示のいくつかの実施形態の具体的側面を説明する。実施例は、本開示を限定するものとして解釈されるべきではなく、実施例は、単に、本開示のいくつかの実施形態を理解および実践する際に有用な具体的方法論を提供する。
Ａｌ溶融物中のＴｉＣナノ粒子分散
Ａｌ溶融物中のＴｉＣナノ粒子分散の理論的分析：
約１，０９３Ｋにおける純粋Ａｌ溶融物中の２つのＴｉＣナノ粒子に関して、ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ相互作用ポテンシャルが、以下の方程式によって計算され得る。
式中、Ｄは、２つのナノ粒子間の距離（ｎｍスケールであって、１つの原子層を越える）であって、ＡＴｉＣおよびＡＡｌは、それぞれ、ＴｉＣ（約２３８ｚＪ）および溶融Ａｌ（約２６６ｚＪ〜３６０ｚＪ）に関するＨａｍａｋｅｒ定数である。Ｒ１およびＲ２は、２つのナノ粒子の半径である。液体Ａｌ中の２つの同一ＴｉＣナノ粒子間のｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ相互作用は、したがって、以下となる。
ＤおよびＲの単位は、ｎｍである一方、Ｗｖｄｗ（Ｄ）の単位は、ｚＪ（１０−２１Ｊ）である。前述の方程式は、Ｄが約２つの原子層（例えば、約０．４ｎｍ）より大きいときに、２つのＴｉＣナノ粒子が溶融Ａｌを通して相互作用するとき、有効であることに留意されたい。
Ｌａｎｇｂｅｉｎ近似に従って、２つの球体の有効相互作用面積が、以下である場合、
界面エネルギー障壁は、以下となるであろう。
約１，０９３Ｋにおける熱エネルギーは、ｋＴ＝約１５．１ｚＪである。
本実施例で使用される平均半径約２５ｎｍを伴うＴｉＣナノ粒子に関して、ＡｌのＨａｍａｋｅｒ定数が、約２６６ｚＪであるように選択される場合、引力エネルギー井戸Ｗ１は、以下となるであろう。
しかし、液体ＡｌのＨａｍａｋｅｒ定数が、約３６０ｚＪであるように選択される場合、引力エネルギー井戸Ｗ１は、以下となるであろう。
液体Ａｌの表面エネルギーは、約１．１Ｊ／ｍ２である一方、ＴｉＣに関しては、約１．３５Ｊ／ｍ２である。ＡｌとＴｉＣとの間の濡れ角は、処理温度約１，０９３Ｋにおいて約５０°である。界面エネルギーに起因するエネルギー障壁Ｗ２は、以下となるであろう。
Ｗ２は、Ｂｒｏｗｎｉａｎポテンシャルよりはるかに大きいため、ナノ粒子が接着接触に到達するためにエネルギー障壁を克服する可能性は、殆どない。しかしながら、液体Ａｌに関する報告されるＨａｍａｋｅｒ定数の範囲に起因して、ＴｉＣナノ粒子が液体Ａｌ中の擬似または自己分散状態にあるであろうかどうかが決定的に予測されない。
塩添加ナノ粒子混和：
高温におけるＴｉＣナノ粒子の部分的燃焼およびＡｌ溶融物上の天然酸化物フィルムに起因して、ＴｉＣナノ粒子が、表面上に浮遊する、またはＡｌ溶融物の底に沈殿し得るにつれて、Ａｌ溶融物の中へのＴｉＣナノ粒子の直接給送に関する問題に遭遇し得る。Ｋ−Ａｌ−Ｆ系塩が、最大で約１１７３Ｋの温度におけるＴｉＣ上のＡｌの濡れ性を改良するために使用されることができる。したがって、塩添加ナノ粒子混和方法が、ＴｉＣナノ粒子の高装填を伴うマスタＡｌナノ複合材を取得するために開発された。
ＫＡｌＦ４塩ペレットおよびＴｉＣナノ粒子（平均半径約２５ｎｍを伴う）が、アセトン（塩中約１０体積％ナノ粒子）中で超音波処理によって約２時間にわたってともに混合された。混合後、アセトンは、ヒュームフード内で室温で蒸発され、良好に混合された塩ＴｉＣナノ複合材粉末をもたらした。混合された粉末は、次いで、約１８０℃で約１２時間にわたって脱水された。純粋Ａｌ（約９９．９３％）が、約８２０℃でＡｒ保護下の溶鉱炉内の黒鉛るつぼ（内径約４０ｍｍおよび高さ約８０ｍｍを伴う）中で溶融された。混合された粉末は、Ａｌ溶融物の表面上に装填され、ＴｉＣナノ粒子対Ａｌの体積比率は、約１５：８５であった。約３〜５分後、塩が、溶融し始めた。４つのブレード（約２５．４ｍｍ直径）を伴うチタン撹拌器が、液体溶融物の約２／３の高さに適用され、溶融物を約２００ｒｐｍで約１０分にわたって撹拌した。溶融物は、次いで、空気中で室温まで冷却された。凝固されたナノ複合材は、切断され、Ａｌ−ＴｉＣナノ複合材サンプルを取得した。
ナノ複合材サンプルは、研削およびイオンミリングを受け、微小構造および内蔵ナノ粒子を暴露させた。サンプルの微小構造は、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）を伴う電界放出型ＳＥＭ（Ｚｅｉｓｓ Ｓｕｐｒａ ４０）を用いて研究された。図６は、Ａｌ基材の内側のＴｉＣナノ粒子の典型的ドメインと、ドメインの内側のＴｉＣナノ粒子分布を示す。
Ａｌ中のＴｉＣナノ粒子装填の定量的分析：
Ａｌ中のＴｉＣナノ粒子濃度が、判定された。２つのＡｌ−ＴｉＣナノ複合材サンプルが、切断され、アルコールによって清浄された。ナノ複合材サンプルの質量が、精密スケールによって約０．８１４ｇおよび約０．７７９ｇであることが測定された。ナノ複合材サンプルは、次いで、氷水浴内の２つの遠心分離機管の中で約１２体積％ＨＣｌ溶液中に溶解された。ＨＣｌ溶液が、約４８時間にわたって３回を上回って使用され、Ａｌ基材の完全な溶解を確実にした。溶液は、次いで、約５，０００ｒｐｍで約１０分にわたって遠心分離された。上側透明液体が、ｐＨ紙によるｐＨ値チェックのために収集された。さらなる脱イオン水が、次いで、上側透明液体のｐＨ値が約７になるまで、反復遠心分離機プロセスのために遠心分離機管の中に添加された。次いで、純粋アルコールが、２回のさらなる遠心分離機サイクルの間、遠心分離機管に添加され、ＴｉＣナノ粒子の表面上の水残留物を清浄した。最後に、管の内側のＴｉＣナノ粒子が、重量測定の前に、約１８０℃で約４８時間にわたって脱水された。２つのサンプル中のＴｉＣ割合は、それぞれ、約８．８１体積％および約９．２５体積％であることが判定された。したがって、ナノ複合材中のＴｉＣ割合は、平均約９．０３体積％である。ＴｉＣナノ粒子対Ａｌの初期体積比率は、約１５：８５であるように設計されたため、Ａｌ溶融物中のＴｉＣナノ粒子の塩添加混和効率は、約５６％であって、これは、プロセス最適化によってさらに改良され得る。
液滴鋳造サンプルにおけるＡｌ中のＴｉＣの分散：
Ａｌ−９体積％ＴｉＣナノ複合材鋳塊が、マスタ合金として適用され、Ａｌ−０．６体積％ＴｉＣナノ複合材を加工した。Ａｌ中のＴｉＣナノ粒子ドメインの沈殿を回避するために、液滴鋳造が、使用された。超音波をオンにした状態で、表面酸化物層が、すくい取られ、高速凝固の間、ＴｉＣナノ粒子の潜在的沈殿および押込を回避するために、鋼鉄スプーンが、使用され、約２ｇのＡｌ溶融物を鋳造のために銅楔型金型の中に迅速に採取した。液滴方法によって作製されたサンプルは、図７に示される。銅楔型金型内の厚さｄの冷却率が、概算として、以下のように計算され得る。
０．５ｍｍの厚い区分における推定された冷却率は、約１６，０００Ｋ／秒である。
図８は、凝固後のサンプルの微小構造を示す。ＴｉＣナノ粒子は、依然として、高速冷却されたＡｌ基材の内側にドメインを形成した。異なるドメインが、左図において、黒色断続線で丸く囲まれた。より高い拡大率下、ＴｉＣナノ粒子を示す代表的ドメインは、Ａｌ中に擬似分散されている可能性が最も高い。
Ｍｇ−Ａｌ合金中のＴｉＣナノ粒子の分散：
ＴｉＣナノ粒子は、純粋Ａｌ中に擬似分散されたため、より低いＨａｍａｋｅｒ定数を伴う溶融物は、ＴｉＣナノ粒子の自己分散の達成を促進し得る。半経験的結果は、合金がその純粋主金属元素より低いＨａｍａｋｅｒ定数を有する傾向にあることを示す。Ｍｇ−Ａｌ合金は、純粋Ａｌより低いＨａｍａｋｅｒ定数をもたらし得る。実験研究が、したがって、行われた。
Ａｌ−９体積％ＴｉＣナノ複合材（約２４．３ｇ）が、Ｍｇ（約８８ｇ）の内側で約８２０℃で希釈され、Ｍｇ１８Ａｌ−１．２体積％ＴｉＣ溶融物をもたらした。約１５分にわたる超音波処理後、サンプルは、空気中でるつぼの内側で凝固された（約１Ｋ／秒冷却率）。図９は、Ｍｇ１８Ａｌ−１．２体積％ＴｉＣナノ複合材の微小構造を示す。Ｍｇ粒子および共晶相が、図９（ａ）に示される。大部分のＴｉＣナノ粒子は、図９（ｂ）および（ｃ）に示されるように、共晶相の内側に位置する。依然として、いくつかの短ＴｉＣナノ粒子網が存在するが、大部分のＴｉＣナノ粒子は、実際には、分散され、相互に分離されている。結果は、より良好なＴｉＣ分散が純粋ＡｌよりＭｇ１８Ａｌ合金（Ｍｇ＋約１８重量％Ａｌ）において共晶相の内側で達成されることを示す。
本サンプル中のＴｉＣ分散を定量的に分析するために、ＩｍａｇｅＪが、適用され、ＴｉＣ相のサイズ分布を測定した。処理された画像の一実施例は、図１０に提示される。ＴｉＣ相のサイズ分布は、図１１に示される。
さらなる研究が、Ｍｇ−Ａｌ合金中に種々のＭｇ濃度を伴うＴｉＣの分散に関して行われた。Ｍｇ濃度は、Ｍｇを蒸発されることによって低減された。Ｍｇ１８Ａｌ−１．２体積％ＴｉＣナノ複合材は、アルゴン保護下、約８２０℃で誘導加熱器の内側で溶融された。圧力は、約６Ｔｏｒｒまで降下され、圧力および温度は、Ｍｇ蒸発を可能にするために約１０分にわたって保たれた。次いで、圧力は、サンプルが室温まで冷却するために約７５０Ｔｏｒｒまで上昇された。サンプルの質量は、約１０．３ｇから約６．７２ｇまで低減された（約３．５８ｇ損失）。小片が、特性評価のために切断され、合金の組成が、Ｍｇ２９Ａｌ（Ｍｇ＋約２９重量％Ａｌ）であると判定された。表面酸化は、研磨して落とされ、前述の蒸発手順が、繰り返された。２回目の約１０分の蒸発後、サンプルの質量は、約６．１５ｇから約４．３９ｇまで低減され（約１．７６ｇ損失）、合金組成Ｍｇ４２Ａｌ（Ｍｇ＋約４２重量％Ａｌ）をもたらした。表面酸化は、研磨して落とされ、前述の蒸発手順は、さらに約４０分にわたって繰り返された。サンプルの質量はさらに、約３．５０ｇから約１．８１ｇまで低減され（約１．６９ｇ損失）、合金組成Ｍｇ８８Ａｌ（Ｍｇ＋約８８重量％Ａｌ）をもたらした。小片のサンプルが、特性評価（１時間サンプル）のために切断された。
Ｍｇ２９Ａｌ−１．９８体積％ＴｉＣ、Ｍｇ４２Ａｌ−３体積％ＴｉＣ、およびＭｇ８８Ａｌ−７．５体積％ＴｉＣ中のＴｉＣナノ粒子の微小構造およびサイズ分布が、図１２−図１７に示される。
１時間の蒸発後、Ｍｇ８８Ａｌ−７．５体積％ＴｉＣ中の５６０００ｎｍ２を超えるＴｉＣ相サイズの割合は、約４１．７％を上回った一方、わずか約８．７％が、オリジナルＭｇ１８Ａｌ−１．２体積％ＴｉＣであった。ＴｉＣ集塊のサイズは、可能性として、より高いＡｌ含有量（したがって、より高いＨａｍａｋｅｒ定数）、より高いナノ粒子濃度、ならびに蒸発の間のナノ粒子間のより大きい引力および凝固に起因して、増加する。
Ａｌ中のＴｉＣナノ粒子分散の概要：
Ａｌに関して報告されるＨａｍａｋｅｒ定数の範囲に起因して、理論的分析は、ＴｉＣ分散を擬似分散または自己分散のいずれかとして予測した。Ａｌ溶融物の中へのＴｉＣナノ粒子混和のため、燃焼および表面酸化を回避するために、塩添加混和方法が、開発され、Ａｌ−９体積％ＴｉＣマスタナノ複合材を加工し、これは、最終合金溶融物中のより低いナノ粒子装填に対する希薄化のために使用された。Ａｌ基材中のＴｉＣ体積割合の定量的判定は、Ａｌ合金のＨＣｌ酸溶解を通して達成され、ＴｉＣナノ粒子を抽出した。液滴鋳造方法が、次いで、凝固の間、ナノ粒子沈降および押込を回避するために適用された。液滴鋳造サンプルでは、ＴｉＣナノ粒子は、Ａｌ基材中にドメインを形成し、Ａｌ溶融物中のＴｉＣの擬似分散を示した。しかしながら、Ｍｇを添加することによるＨａｍａｋｅｒ定数を降下させる努力において、ＴｉＣナノ粒子は、Ｍｇ１８Ａｌ合金中の共晶相内に良好に分散していることが判定された。
Ａｌ溶融物中のＴｉＣナノ粒子分散
Ａｌ基材中の高体積割合のＴｉＣナノ粒子（サイズ約３〜１０ｎｍを伴う）の均一分散が、液体状態処理によって達成された。具体的には、約１３体積％ＴｉＣを伴うＡｌが、加工された。Ａｌは、約８２０℃でアルゴンガス保護下で溶融され、ＴｉＣナノ粒子が、Ａｌ溶融物の中に添加され、約２０分にわたって機械的混合を受けた。混合後、サンプルが、約１Ｋ／秒のレートで空気中で冷却された。Ａｌ基材中のＴｉＣナノ粒子の分散は、図１８におけるＳＥＭによって特性評価された。より小さい粒子サイズの使用を通して、エネルギー障壁Ｗ２は、熱エネルギーよりはるかに高いままである一方、エネルギー井戸Ｗ１は、低減され、ＴｉＣナノ粒子の捕捉を緩和し、ＴｉＣナノ粒子がＡｌ溶融物中に自己分散されることを可能にする。
Ｍｇ溶融物中のＳｉＣナノ粒子分散
Ｍｇ溶融物中のＳｉＣナノ粒子分散の理論的分析：
約１，０００Ｋで純粋Ｍｇ溶融物中で相互作用する２つのＳｉＣナノ粒子に関して、Ｈａｍａｋｅｒ定数ＡＳｉＣおよびＡＭｇは、それぞれ、ＳｉＣおよびＭｇ溶融物に関して約２４８ｚＪおよび約２０６ｚＪである。そのＢｒｏｗｎｉａｎポテンシャル（熱エネルギー）は、約１，０００ＫでｋＴ＝約１３．８ｚＪである。
Ｍｇ中の半径Ｒを伴う２つの同一ＳｉＣナノ粒子間のｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ相互作用は、以下である。
ＤおよびＲの単位は、ｎｍである一方、Ｗｖｄｗ（Ｄ）の単位は、ｚＪである。前述の方程式は、Ｄが２つの原子Ｍｇ層（例えば、約０．４ｎｍ）より大きいときに、２つのＳｉＣナノ粒子が液体Ｍｇを通して相互作用するとき、有効である。
Ｌａｎｇｂｅｉｎ近似に従って、２つの球体の有効相互作用面積が、以下である場合、
界面エネルギー障壁は、以下となるであろう。
しかし、界面エネルギーが優勢になる前、極小値Ｗ１（引力に関するエネルギー井戸）は、以下である。
ｄ１は、界面エネルギーの減衰長約０．４ｎｍであって、Ｒが本実施例のために使用されるＳｉＣナノ粒子に関して約３０ｎｍであるとき、以下であると仮定する。
文献から、液体Ｍｇの表面エネルギーは、約０．５９９Ｊ／ｍ２であって、ＳｉＣの表面エネルギーは、約１．４５Ｊ／ｍ２である。接触角は、約８３°である。液体ＭｇとＳｉＣとの間の界面エネルギーは、Ｙｏｕｎｇの方程式に従って、約０．４２２Ｊ／ｍ２となるであろう。極大値Ｗ２は、界面エネルギーに起因して、以下となるであろう。
極大値Ｗ２は、１０ｋＴよりはるかに大きいため、ＳｉＣナノ粒子がエネルギー障壁を克服し、集塊を形成する可能性は、殆どないであろう。
したがって、純粋Ｍｇ溶融物中の半径約３０ｎｍを伴う２つのＳｉＣナノ粒子に関して、エネルギー障壁Ｗ２は、熱エネルギーよりはるかに高い一方、エネルギー井戸Ｗ１は、ＳｉＣナノ粒子を捕捉するために十分ではなく、ＳｉＣナノ粒子が純粋Ｍｇ溶融物中に自己分散されることを可能にする。
約１４体積％ＳｉＣナノ粒子を伴うＭｇ２Ｚｎのナノ複合材の加工：
Ｍｇ基材中の高体積割合のＳｉＣナノ粒子（平均半径約３０ｎｍを伴う）の均一分散が、液体状態処理によって達成された。実験設定の概略は、図１９に示される。約１体積％ＳｉＣを伴うＭｇ６Ｚｎが、最初に、超音波処理を通して加工された。純粋Ｍｇ（約９９．９３％）および純粋Ｚｎ（約９９．０％）が、約７００℃で溶鉱炉内でＳＦ６（約９９体積％）／ＣＯ２（約１体積％）フローガス保護下でともに溶融された。ニオブ超音波プローブの先端が、溶融物の中に約６ｍｍの深度まで挿入された。周波数約２０ｋＨｚおよびピーク間振幅約６０μｍを伴う超音波振動が、変換器から発生された。溶融物は、約１５分にわたって超音波処理された。ＳｉＣナノ粒子は、Ｍｇ６Ｚｎ（Ｍｇ＋約６重量％Ｚｎ）溶融物の中に手動で給送され、超音波処理によって湿潤および分散された。超音波処理後、サンプルは、空気中で室温まで冷却された。
凝固されたままのＭｇ６Ｚｎ基材中のナノ粒子の分布および分散は、図２０におけるＳＥＭによって特性評価された。約１体積％ＳｉＣナノ粒子を用いると、ナノ粒子は、Ｍｇ６Ｚｎ合金中の金属間相の中に押し込まれた。凝固前面によるナノ粒子の押込は、より高い体積割合のナノ粒子（例えば、＞約６体積％）の導入を介して、溶融物中のより高い粘度抗力によって効果的に対抗され得る。したがって、Ｍｇ中のＳｉＣの真の分散を示すために、Ｍｇ中の高体積割合のナノ粒子が、望ましい。
Ｍｇ溶融物中の高体積割合のナノ粒子を達成するために、ナノ粒子は、ＭｇおよびＺｎをＭｇ６Ｚｎ−１体積％ＳｉＣサンプルから約６Ｔｏｒｒで真空溶鉱炉内で蒸発されることによって濃縮された。蒸発プロセスは、図１９（ｂ）に図式的に示される。Ｍｇ６Ｚｎ−１体積％ＳｉＣは、最初に、ＭｇおよびＺｎが約６Ｔｏｒｒで合金溶融物から蒸発される前に、約６５０℃でＡｒガス保護下で誘導加熱器の内側で溶融された。蒸発後、サンプルは、溶鉱炉内でガス圧力約７６０Ｔｏｒｒ下で室温まで冷却され、Ｍｇ２Ｚｎ（Ｍｇ＋約２重量％Ｚｎ）中約１４体積％ＳｉＣを取得した。凝固前面によるＳｉＣナノ粒子の押込は、溶融物中のより高い粘度抗力によって効果的に対抗された。したがって、Ｍｇ２Ｚｎ溶融物中のＳｉＣナノ粒子の分散は、Ｍｇ２Ｚｎ基材の内側の凝固を通して維持される。
Ｍｇ２Ｚｎ中約１４体積％ＳｉＣの自己分散：
Ｍｇ２Ｚｎ−１４体積％ＳｉＣ中のナノ粒子の分布および分散が、ＳＥＭによって特性評価された。化学組成が、ＥＤＸ（エネルギー分散型Ｘ線分光法）分析によって判定された。ナノ粒子を明確に示すために、サンプルは、最初に、低角度イオンミリング（約１０度、ナノサイズ研磨粉末を除去するため）によって清浄され、次いで、集束イオンビームによって、ガリウムイオンで若干エッチングされた（約９０度、マグネシウム基材を優先的にエッチングするため）。ＳＥＭ画像が、傾斜角度約５２度で撮影された。図２１に示されるようなＳＥＭ画像から、Ｍｇ２Ｚｎ基材の表面上に暴露されるナノ粒子は、Ｍｇ基材中に均一に分布および分散する。Ｖｉｃｋｅｒｓ硬度測定が、滞留時間約１０秒を用いて、約５００グラム力の荷重下で行われた。サンプルの異なる部分における微小硬度およびシリコン濃度が、測定され、さらに、ナノ粒子が、図２１（ｃ）に示されるように、全体的サンプル中に均一に分布されていることを確認した。より一般的には、サンプル中のナノ粒子の均一分布は、特性の標準偏差によって反映され得、例えば、サンプルの異なる部分におけるナノ粒子材料の微小硬度または濃度は、サンプルの異なる部分を横断して特性の平均値の１０％未満またはそれと等しい、例えば、５％未満またはそれと等しい、４％未満またはそれと等しい、３％未満またはそれと等しい、２％未満またはそれと等しい、１％未満またはそれと等しい、０．５％未満またはそれと等しい、０．１％未満またはそれと等しい、もしくは０．０５％未満またはそれと等しい。
高体積割合で分散されるナノ粒子によって誘発される性質向上を調査するために、ＳＥＭにおける原位置微小柱圧縮試験が、凝固されたままのサンプル上で行われる。直径約４μｍおよび高さ約８μｍを伴うサンプル上での微小圧縮試験は、約２×１０−３ｓ−１の歪み率における変位制御モードを使用して、ＳＥＭ（Ｎｏｖａ ６００， ＦＥＩ， ＵＳＡ）の内側に約８μｍフラットパンチダイヤモンドプローブを伴う、ＰＩ ８５ ＳＥＭ ＰｉｃｏＩｎｄｅｎｔｅｒ（Ｈｙｓｉｔｒｏｎ， Ｉｎｃ．， ＵＳＡ）を使用して行われた。微小柱は、ＦＩＢ（Ｎｏｖａ６００，ＦＥＩ）によって、バルクサンプルから切断された。微小柱のサイズ（約４μｍ直径および約８μｍ長さ）は、強化に及ぼす粒界の効果を回避するために、１つのみの粒子を含有するように設計された。これは、鋳造サンプルに関する粒界の干渉を伴わずに、ナノ粒子のみによって誘発される性質向上の評価を可能にする。微小柱のサイズもまた、マグネシウム合金に関するマクロスケール試験と同等の結果を提供するために、サイズ誘発強化を回避するように選択された。底面すべりに及ぼすナノ粒子の影響を調査するために、柱の配向は、底面すべりに有利に働くように選定された。
微小圧縮試験からの結果は、図２２（ａ）および（ｂ）に示されるように、ナノ粒子を伴わないＭｇ２Ｚｎサンプルが約５０ＭＰａをもたらし、次いで、深刻な底面すべりに起因して、反復荷重−非荷重サイクルを被ったことを示す。対照的に、ナノ粒子を伴うサンプルは、図２２（ａ）および（ｃ）に示されるように、約４１０ＭＰａの有意により高い強度をもたらし、徐々に増加する荷重を約３０％を超える塑性歪みまで平滑に耐えた。さらに、変形後、複数のすべりトレースが、ナノ粒子を伴わないサンプル中で観察された（図２２（ｂ））が、変形の後の段階で発生された１つのみの主要すべりトレースのみが、ナノ粒子を伴うサンプル中で観察された（図２２（ｃ））。主要すべりトレースの形成後でさえ、ナノ粒子を伴うサンプルは、依然として、平滑に荷重に耐えることができる。試験結果は、高体積割合の分散されるナノ粒子が、材料を有意に強化することができ、また、潜在的に、底面すべりを抑制することによって、より均一かつ安定な変形をもたらすことができることを実証する。
Ｍｇ中のＳｉＣの自己分散に関する概要：
理論的分析は、ＳｉＣナノ粒子がＭｇ溶融物中に自己分散され得ることを予測する。実験研究が、行われた。Ｍｇ２Ｚｎ−１４体積％ＳｉＣナノ複合材が、２ステップ液体処理方法を通して正常に加工された。最初に、Ｍｇ６Ｚｎ−１体積％ＳｉＣナノ複合材が、超音波処理によって加工された。次いで、Ｍｇ２Ｚｎ−１４体積％ＳｉＣナノ複合材が、ＭｇおよびＺｎの蒸発を通して達成され、Ｍｇ溶融物中のＳｉＣナノ粒子を濃縮させた。ＳＥＭ画像、Ｓｉ組成のＥＤＳ、およびＶｉｃｋｅｒｓ硬度測定は、ＳｉＣナノ粒子がＭｇ中で自己分散および安定化されたことを示す。微小柱圧縮試験は、Ｍｇ２Ｚｎ−１４体積％ＳｉＣナノ複合材が良好な塑性を伴って、約４１０ＭＰａの有意により高い強度をもたらす一方、わずか５０ＭＰａが純粋Ｍｇに関して不良塑性を伴うことを示す。
Ｆｅ溶融物中のＮｂＣナノ粒子分散
Ｆｅ基材中のＮｂＣナノ粒子のナノ複合材が、液体状態処理によって達成された。Ｆｅは、約１，５７０℃で真空溶鉱炉内で溶融され、約３重量％ＮｂＣナノ粒子および約１重量％炭素が、Ｆｅ溶融物の中に導入され、混合を受けた。混合後、サンプルは、ゆっくりと真空（約２×１０−２Ｔｏｒｒ）で冷却された。Ｆｅ基材中のＮｂＣナノ粒子の分散は、図２３におけるＳＥＭによって特性評価された。図から分かるように、ＮｂＣナノ粒子は、Ｆｅ基材中に良好に分散された。
Ａｌ溶融物中のＴｉＢ２ナノ粒子分散
Ａｌ溶融物中のＴｉＢ２ナノ粒子分散の理論的分析：
約８２０℃で純粋Ａｌ溶融物中で相互作用する２つのＴｉＢ２ナノ粒子に関して、Ｈａｍａｋｅｒ定数ＡＴｉＢ２およびＡＡｌは、それぞれ、ＴｉＢ２およびＡｌ溶融物に関して約２５６ｚＪおよび約２６６ｚＪである。そのＢｒｏｗｎｉａｎポテンシャル（熱エネルギー）は、約８２０℃でｋＴ＝約１５．１ｚＪである。ＴｉＢ２表面上のＡｌ溶融物の接触角は、約６９０℃で約１５０°、約８００℃で約６７°、および約１１００℃で約０°である。
極小値Ｗ１（引力に関するエネルギー井戸）は、以下であって、
極小値Ｗ２は、界面エネルギーに起因して、約０．２５４ｎｍ〜約８８０ｎｍの範囲内のＷ２＝Ｗｉｎｔｅｒ（Ｄｏ）＞１０ｋＴ（Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒに対して）となるであろう。
したがって、純粋Ａｌ溶融物中の前述の範囲内の半径を伴う２つのＴｉＢ２ナノ粒子に関して、エネルギー障壁Ｗ２は、熱エネルギーよりはるかに高い一方、エネルギー井戸Ｗ１は、ＴｉＢ２ナノ粒子を捕捉するために十分ではなく、ＴｉＢ２ナノ粒子が純粋Ａｌ溶融物中に自己分散されることを可能にする。
約５体積％ＴｉＢ２ナノ粒子を伴うＡｌのナノ複合材の加工：
Ａｌ基材中のＴｉＢ２ナノ粒子（平均サイズ約４０ｎｍおよび最小サイズ約５ｎｍを伴う）の均一分散が、液体状態処理によって達成された。具体的には、約５体積％ＴｉＢ２を伴うＡｌが、加工された。Ａｌは、約８２０℃でアルゴンガス保護下で溶融され、ＴｉＢ２ナノ粒子は、Ａｌ溶融物の中に手動で添加され、機械的混合を約２００ｒｐｍで約２０分にわたって受けた。混合後、サンプルは、約１Ｋ／秒のレートで空気中で冷却された。Ａｌ基材中のＴｉＢ２ナノ粒子の分散は、図２４におけるＳＥＭによって特性評価される。
Ａｇ溶融物中のＷナノ粒子分散
Ａｇ溶融物中のＷナノ粒子分散の理論的分析：
約１，２００℃で純粋Ａｇ溶融物中で相互作用する２つのＷナノ粒子に関して、Ｈａｍａｋｅｒ定数ＡＷおよびＡＡｇは、それぞれ、ＷおよびＡｇ溶融物に関して約４００ｚＪおよび約４４０ｚＪである。そのＢｒｏｗｎｉａｎポテンシャル（熱エネルギー）は、約１，２００℃でｋＴ＝約２０．３ｚＪである。
極小値Ｗ１（引力に関するエネルギー井戸）は、以下である。
式中、１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、および４０ｎｍを包含する範囲内のＲに関してＷ１＞−ｋＴである。したがって、純粋Ａｇ溶融物中の前述の範囲内の半径を伴う２つのＷナノ粒子に関して、エネルギー井戸Ｗ１は、Ｗナノ粒子を捕捉するために十分ではなく、Ｗナノ粒子が純粋Ａｇ溶融物中に自己分散されることを可能にする。
約５体積％Ｗナノ粒子を伴うＡｇのナノ複合材の加工：
Ａｇ基材中のＷナノ粒子（サイズ約４０ｎｍ〜約６０ｎｍを伴う）の均一分散が、液体状態処理によって達成された。具体的には、約５体積％Ｗを伴うＡｇが、加工された。Ａｇは、約１，２００℃でアルゴンガス保護下で溶融され、Ｗナノ粒子が、Ａｇ溶融物の中に導入された。サンプルは、ゆっくりとアルゴン中で冷却された。Ａｇ基材中のＷナノ粒子の分散は、図２５におけるＳＥＭによって特性評価された。
本明細書で使用されるように、単数形用語「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈によって別様に明確に示されない限り、複数参照も含む。したがって、例えば、ある物体の言及は、文脈によって別様に明確に示されない限り、複数の物体を含み得る。
本明細書で使用されるように、用語「セット」は、１つまたはそれを上回る物体の集合を指す。したがって、例えば、物体のセットは、単一物体または複数の物体を含むことができる。
本明細書で使用されるように、用語「実質的に」および「約」は、わずかな変動を説明および考慮するために使用される。ある事象または状況と併用されるとき、本用語は、その事象または状況が精密に生じる事例ならびにその事象または状況が非常に近似して生じる事例を指すことができる。例えば、数値と併用されるとき、本用語は、その数値の±１０％未満またはそれに等しい変動範囲、例えば、±５％未満またはそれに等しい、例えば、±４％未満またはそれに等しい、±３％未満またはそれに等しい、±２％未満またはそれに等しい、±１％未満またはそれに等しい、±０．５％未満またはそれに等しい、±０．１％未満またはそれに等しい、もしくは±０．０５％未満またはそれに等しいことを指すことができる。
本明細書で使用されるように、用語「随意の」および「随意に」は、続いて説明される事象または状況が、生じる場合もあり、またはそうではない場合もあり、説明が、事象または状況が生じる事例および生じない事例を含むことを意味する。
本明細書で使用されるように、用語「サイズ」は、物体の特性寸法を指す。したがって、例えば、球状である物体のサイズは、物体の直径を指し得る。非球状である物体の場合、非球状物体のサイズは、対応する球状物体の直径を指し得、対応する球状物体は、非球状物体のものと実質的に同一である、導出可能または測定可能性質の特定のセットを呈する、または有する。物体のセットを特定のサイズを有するように言及するとき、物体は、特定のサイズの周囲のサイズの分布を有することができることが想定される。したがって、本明細書で使用されるように、物体のセットのサイズは、サイズの分布の典型的サイズ、例えば、平均サイズ、中間サイズ、またはピークサイズを指し得る。
本明細書で使用されるように、用語「ナノ構造」は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍの範囲内の少なくとも１つの寸法を有する、物体を指す。ナノ構造は、様々な形状のいずれかを有することができ、様々な材料から形成されることができる。ナノ構造の実施例は、ナノファイバ、ナノ板状晶、およびナノ粒子を含む。
本明細書で使用されるように、用語「ナノ粒子」は、略または実質的に球状または回転楕円体である、ナノ構造を指す。典型的には、ナノ粒子の各寸法は、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍの範囲内であって、ナノ粒子は、縦横比約５またはそれ未満、例えば、約３またはそれ未満、約２またはそれ未満、もしくは約１を有する。
本明細書で使用されるように、用語「ナノファイバ」は、伸長ナノ構造を指す。典型的には、ナノファイバは、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍの範囲内の側方寸法（例えば、幅）、約１ｎｍ〜約１，０００ｎｍの範囲内または約１，０００ｎｍを上回る縦方向寸法（例えば、長さ）、および約５を上回る、例えば、約１０またはそれを上回る縦横比を有する。
本明細書で使用されるように、用語「ナノ板状晶」は、平面状ナノ構造を指す。
本明細書で使用されるように、用語「アルカリ土類金属」は、周期表の２族からの化学元素を指す。
本明細書で使用されるように、用語「遷移後金属」は、Ａｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｔｌ、Ｐｂ、およびＢｉを包含する族からの化学元素を指す。
本明細書で使用されるように、用語「遷移金属」は、周期表上の３族から１２族の化学元素を指す。
加えて、濃度、量、比率、および他の数値は、時として、範囲フォーマットで本明細書に提示される。そのような範囲フォーマットは、便宜上かつ簡潔にするために使用され、範囲の限界として明示的に規定された数値を含むだけではなく、また、各数値およびサブ範囲が明示的に規定される場合と同様に、その範囲内に包含される全ての個々の数値またはサブ範囲も含むように柔軟に理解されるべきであることを理解されたい。例えば、範囲約１〜約２００は、約１および約２００の明示的に列挙された限界を含むだけではなく、また、個々の値、例えば、約２、約３、および約４、およびサブ範囲、例えば、約１０〜約５０、約２０〜約１００等もを含むものと理解されるべきである。
本開示は、その具体的実施形態を参照して説明されたが、添付の請求項によって定義される本開示の真の精神および範囲から逸脱することなく、種々の変更が、行われてもよく、均等物が、代用されてもよいことは、当業者によって理解されるはずである。加えて、多くの修正が、特定の状況、材料、組成物、方法、動作、または複数の動作を本開示の目的、精神、および範囲に適合させるように行われてもよい。全てのそのような修正は、本明細書に添付の請求項の範囲内であることが意図される。特に、ある方法が、特定の順序で行われる特定の動作を参照して説明されたが、これらの動作は、本開示の教示から逸脱することなく、均等方法を形成するために、組み合わせられる、再分割される、または並べ替えられてもよいことを理解されたい。故に、本明細書に具体的に示されない限り、動作の順序およびグルーピングは、本開示の限定ではない。

Claims (34)

  1. 金属基ナノ複合材であって、
    １つまたはそれを上回る金属を含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に均一に分散されるナノ構造と
    を含む、ナノ複合材。
  2. 前記基材は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、およびＺｎから選択される１つまたはそれを上回る金属を含む、請求項１に記載のナノ複合材。
  3. 前記ナノ構造は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の平均寸法を有する、請求項１に記載のナノ複合材。
  4. 前記ナノ構造は、セラミックを含む、請求項１に記載のナノ複合材。
  5. 前記セラミックは、遷移金属含有セラミックである、請求項４に記載のナノ複合材。
  6. 前記遷移金属含有セラミックは、遷移金属炭化物、遷移金属ケイ化物、遷移金属ホウ化物、および遷移金属窒化物から選択される、請求項５に記載のナノ複合材。
  7. 前記ナノ構造は、元素形態における遷移金属を含む、請求項１に記載のナノ複合材。
  8. 前記遷移金属は、Ｗである、請求項７に記載のナノ複合材。
  9. 前記ナノ複合材中の前記ナノ構造の体積割合は、５％またはそれを上回る、請求項１に記載のナノ複合材。
  10. 前記ナノ複合材中の前記ナノ構造の体積割合は、１０％またはそれを上回る、請求項１に記載のナノ複合材。
  11. 前記基材は、Ａｌを含み、前記ナノ構造は、遷移金属炭化物または遷移金属ホウ化物を含む、請求項１に記載のナノ複合材。
  12. 前記基材は、Ｆｅを含み、前記ナノ構造は、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、または遷移後金属酸化物を含む、請求項１に記載のナノ複合材。
  13. 前記基材は、Ａｇを含み、前記ナノ構造は、元素形態における遷移金属を含む、請求項１に記載のナノ複合材。
  14. 前記基材は、Ｃｕを含み、前記ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属炭化物を含む、請求項１に記載のナノ複合材。
  15. 前記基材は、Ｚｎを含み、前記ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属炭化物を含む、請求項１に記載のナノ複合材。
  16. 前記基材は、Ｔｉを含み、前記ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属ケイ化物を含む、請求項１に記載のナノ複合材。
  17. 金属基ナノ複合材であって、
    Ａｌを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、遷移金属炭化物または遷移金属ホウ化物を含む、金属基ナノ複合材。
  18. 金属基ナノ複合材であって、
    Ａｌを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、
    前記ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ａｌの接触角θは、９０°未満であり、
    ｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａａｌｕｍｉｎｕｍ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１５．６ｚＪであり、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、前記ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ａａｌｕｍｉｎｕｍは、ＡｌのＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ｒは、前記ナノ構造の平均有効半径であり、ｄ１は、０．４ｎｍであって、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である、
    金属基ナノ複合材。
  19. 金属基ナノ複合材であって、
    Ｆｅを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、遷移金属炭化物、遷移金属ホウ化物、または遷移後金属酸化物を含む、金属基ナノ複合材。
  20. 金属基ナノ複合材であって、
    Ｆｅを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、
    前記ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ｆｅの接触角θは、９０°未満であり、
    ｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｉｒｏｎ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜２７．８ｚＪであり、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、前記ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ａｉｒｏｎは、ＦｅのＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ｒは、前記ナノ構造の平均有効半径であり、ｄ１は、０．４ｎｍであり、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である、
    金属基ナノ複合材。
  21. 金属基ナノ複合材であって、
    Ａｇを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、元素形態における遷移金属を含む、金属基ナノ複合材。
  22. 金属基ナノ複合材であって、
    Ａｇを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において、前記基材中に分散される、ナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、
    前記ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ａｇの接触角θは、９０°未満であり、
    ｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｓｉｌｖｅｒ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１９．８ｚＪであり、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、前記ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ａｓｉｌｖｅｒは、ＡｇのＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ｒは、前記ナノ構造の平均有効半径であり、ｄ１は、０．４ｎｍであり、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である、
    金属基ナノ複合材。
  23. 金属基ナノ複合材であって、
    Ｃｕを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属炭化物を含む、金属基ナノ複合材。
  24. 金属基ナノ複合材であって、
    Ｃｕを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、
    前記ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ｃｕの接触角θは、９０°未満であり、
    ｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｃｏｐｐｅｒ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜２１．５ｚＪであり、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、前記ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ａｃｏｐｐｅｒは、ＣｕのＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ｒは、前記ナノ構造の平均有効半径であり、ｄ１は、０．４ｎｍであり、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である、
    金属基ナノ複合材。
  25. 金属基ナノ複合材であって、
    Ｚｎを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属炭化物を含む、金属基ナノ複合材。
  26. 金属基ナノ複合材であって、
    Ｚｎを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、
    前記ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ｚｎの接触角θは、９０°未満であり、
    ｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｚｉｎｃ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜１２．３ｚＪであり、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、前記ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ａｚｉｎｃは、ＺｎのＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ｒは、前記ナノ構造の平均有効半径であり、ｄ１は、０．４ｎｍであり、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である、
    金属基ナノ複合材。
  27. 金属基ナノ複合材であって、
    Ｔｉを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、元素形態における遷移金属または遷移金属ケイ化物を含む、金属基ナノ複合材。
  28. 金属基ナノ複合材であって、
    Ｔｉを含む基材と、
    前記ナノ複合材の３％を上回る体積割合において前記基材中に分散されるナノ構造と
    を含み、
    前記ナノ構造は、ナノ構造材料を含み、
    前記ナノ構造材料の表面に対する溶融物Ｔｉの接触角θは、９０°未満であり、
    ｜［（Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）１／２−（Ａｔｉｔａｎｉｕｍ）１／２］２×（１／１２）×（Ｒ／ｄ１）｜＜２９．５ｚＪであり、Ａｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅは、前記ナノ構造材料のＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ａｔｉｔａｎｉｕｍは、ＴｉのＨａｍａｋｅｒ定数であり、Ｒは、前記ナノ構造の平均有効半径であり、ｄ１は、０．４ｎｍであり、ｋは、Ｂｏｌｔｚｍａｎｎ定数である、
    金属基ナノ複合材。
  29. 製造方法であって、
    １つまたはそれを上回る金属を加熱し、溶融物を形成するステップと、
    ３％を上回る体積割合においてナノ構造を前記溶融物の中に導入するステップと、
    前記溶融物を冷却し、その中に分散される前記ナノ構造を含む金属基ナノ複合材を形成するステップと
    を含む、方法。
  30. 前記１つまたはそれを上回る金属は、Ａｌ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｏ、およびＺｎから選択される、請求項２９に記載の方法。
  31. 前記ナノ構造は、１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内の平均寸法を有する、請求項２９に記載の方法。
  32. 前記ナノ構造は、セラミックまたは元素形態における遷移金属を含む、請求項２９に記載の方法。
  33. 前記ナノ構造は、５％またはそれを上回る体積割合において前記溶融物の中に導入される、請求項２９に記載の方法。
  34. 前記ナノ構造は、１０％またはそれを上回る体積割合において前記溶融物の中に導入される、請求項２９に記載の方法。
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