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Nanokristalline Materialien können wir als Sonderfall der nanostrukturierten Materialien betrachten.
Nanokristallin bedeutet, dass das betreffende kristalline Material Korngrößen im Nanometerbereich besitzt (1 Nanometer = 10-9 Meter). Gewöhnliche Metalle besitzen Korngrößen im Mikrometerbereich (1 Mikrometer = 1000 Nanometer). Solche Metalle sind weicher, schwächer und empfindlicher gegenüber Ermüdungsbruch als nanokristalline Materialien.
Mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie oder Röntgenbeugungsmethoden kann man die Größe von Kristalliten im Nanometerbereich untersuchen.
Metalle sind polykristallin, sie bestehen also aus vielen kristallinen Domänen ( = Kristalliten), die durch Korngrenzen voneinander getrennt sind. Sowohl die einzelnen metallischen Kristallite als auch die Korngrenzen selbst beeinflussen die physikalischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften des gesamten Materials.
Grundsätzlich ist ein Material um so fester und härter, je kleiner die einzelnen Kristallkörner sind. Der Zusammenhang zwischen der Korngröße und der Formänderungsfestigkeit wird mit der Hall-Petch-Gleichung beschrieben.
Metalle und Legierungen besitzen keine allgemeingültigen Eigenschaften, sondern eine Vielzahl möglicher Charakteristika. Die Stärke und Geschmeidigkeit eines Metalls kann sich über Größenordnungen hinweg ändern, einfach nur durch Veränderung der mikrokristallinen Struktur.
Eine drastische Verringerung der Korngrößen von Materialien wie Nickel oder Cobalt macht diese Metalle extrem fest und hart und damit konkurrenzfähig zu teureren Materialien wie Titanium oder hochlegierten Stählen.
Tabelle: Mechanische Eigenschaften von gewöhnlichem und nanokristallinem Nickel
| Eigenschaften | gewöhnliches Nickel | Nano-Nickel (100nm) | Nano-Nickel (10nm) |
| Formänderungsfestigkeit, MPa (25 °C) | 103 | 690 | >900 |
| Zugfestigkeit, MPa (25 °C) | 403 | 1100 | >2000 |
| Zugdehnung, % (25 °C) | 50 | >15 | 1 |
| Elastizitätsmodul, GPa (25 °C) | 207 | 214 | 204 |
| Vickers-Härte, kg/mm2 | 140 | 300 | 650 |
| Betriebsfestigkeit, MPa (108 Zyklen/Luft/25 °C) | 241 | 275 | - |
| Reibungskoeffizient | 0.9 | - | 0.5 |
ASM Metals Handbook, ASM International, Metals Park, Ohio, 1993, 2, 437.
Nanokristalline Materialien sind härter, fester und haltbarer als gewöhnliche Materialien. Außerdem ist die nanokristalline Form eines Materials genauso unempfindlich gegenüber Korrosion und besitzt dieselbe Elastizität wie das gewöhnliche Material. Somit ist es möglich mit Metallen wie zum Beispiel Nickel oder Aluminium dieselbe Festigkeit und Härte zu erreichen, wie mit Stahl. Die beim Stahl auftretenden Probleme der Korrosion kann man durch die Verwendung dieser Metalle umgehen.
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