Нанопорошки: получение и свойства

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Нанопорошки и методы их получения

 

Одно из важнейших направлений  нанотехнологии - это получение наноразмерных порошков (нанопорошков). Изменение фундаментальных свойств традиционных материалов в нанодисперсном состоянии (понижаются: температура начала плавления, теплота испарения, энергия ионизации, работа выхода электронов и др.) открывает широкий диапазон применения нанопорошков в области создания новейших материалов и технологий, принципиально новых приборов и устройств.

 Особый интерес к  нанопорошкам связан с их применением в качестве исходного сырья при производстве керамических, магнитных и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, присадок к смазочным материалам, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др.

 

 

 

 

 

 

Рис. 1 - Микрофотография  нанопорошка алюминия

 

 Перспективы использования  нанопорошков с особыми свойствами (низкие температуры спекания (t<100°С), высокая химическая активность, наличие избыточной (запасенной) энергии) связаны с отработкой технологии их получения. Основными являются химические, физические и механические методы.

 Химические методы  получения нанопорошков, включают, как правило, различные процессы:

 осаждение;

 термическое разложение;

 пиролиз;

газофазные химические реакции (восстановление, гидролиз);

электроосаждение.

 

Осаждение гидроксидов металлов из растворов солей проводится, в частности с помощью осадителей, в качестве которых используются растворы щелочей натрия и калия. Регулирование рН и температуры раствора позволяет получать высокие скорости кристаллизации и обеспечивать образование высокодисперсного гидроксида. Гель-метод применяется для получения порошков различных металлов и заключается в осаждении из водных растворов гелей нерастворимых металлических соединений.

 Восстановление и термическое  разложение - обычно следующая операция  после осаждения и сушки ультрадисперсных  оксидов или гидроксидов. В зависимости от требований к продукту, используют газообразные (водород, оксид углерода) или твердые восстановители. Метод позволяет получать порошки сферической, игольчатой, чешуйчатой или неправильной формы.

 Нанопорошки Fe, W, Ni, Co, Сu и других металлов получаются, например, восстановлением их оксидов водородом. В качестве твердых восстановителей используются углерод, металлы или их гидриды.

 Физические методы синтеза нанопорошков основаны на испарении металлов, сплавов или оксидов с последующей их конденсацией при контролируемых температуре и атмосфере. Фазовые переходы пар - жидкость - твердое тело или пар - твердое тело происходят в объеме реактора или на охлаждаемой подложке (стенках). Исходное вещество испаряется посредством интенсивного нагрева и с помощью газа-носителя подается в реакционное пространство, где подвергается быстрому охлаждению. Нагрев осуществляется с помощью плазмы, лазерного излучения, электрической дуги, печей сопротивления, индукционными токами и т.д. В зависимости от вида исходных материалов и получаемого продукта испарение и конденсация проводятся в вакууме, в потоке инертного газа или плазмы. Размер и форма частиц зависят от температуры процесса, состава атмосферы и давления в реакционном пространстве. Например, в атмосфере гелия частицы имеют меньший размер, чем в атмосфере более плотного газа - аргона. Метод позволяет получать порошки Ni, Mo, Fe, Ti, Al с размером частиц в десятки нанометров. Известен способ получения наноматериалов путем электрического взрыва проводников. Проволоки металла диаметром 0,1-1,0 мм помещают в реактор между электродами, на которые подается мощный импульс тока 104-106 А/мм2. Происходит мгновенный разогрев и испарение проволок. Пары металла разлетаются, охлаждаются и конденсируются. В результате получается нанопорошок. Процесс проводится в атмосфере гелия или аргона. Таким способом получают металлические (Ti, Co, W, Fe, Mo) и оксидные (TiO2, Al2O3, ZrO2) нанопорошки с частицами до 100 нм.

 Механические методы  основаны на измельчении материалов  в мельницах (шаровых, планетарных,  центробежных, вибрационных), гироскопических  устройствах, аттриторах и симолойерах.

 Механически измельчают  металлы, керамику, полимеры, оксиды, другие хрупкие материалы, причем  степень измельчения зависит  от их природы. Так, для оксидов  вольфрама и молибдена крупность  частиц составляет около 5 нм, для железа - порядка 10-20 нм.

 Положительная сторона  механических способов - сравнительная  простота технологии и используемого  оборудования, возможность измельчения  больших количеств различных  материалов и получения порошков  сплавов.

 Недостатки - вероятность  загрязнения материала истирающими  материалами, трудность получения  порошков с узким распределением  частиц по размерам, сложность  регулирования состава продукта.

 

 Независимо от метода  получения нанопорошки имеют общую особенность - склонность к образованию агрегатов и агломератов частиц. Считается, что в агрегатах кристаллиты более прочно связаны и имеют меньшую межкристаллитную пористость, чем в агломератах.

 В химических методах  для снижения степени агломерирования эффективно исключение воды из некоторых стадий процесса. Используются также методы уменьшения контакта между частицами путем их капсулирования.

Вышеназванная склонность наночастиц осложняет получение компактных материалов. В частности, чтобы преодолеть силы агломерирования, требуются большие механические усилия или повышение температуры спекания.

С учетом вышеназванных особенностей был разработан способ получения  нанопорошков, новизна которого состоит в применении для регулируемого испарения заготовок в реакторе комбинированного когерентно-полихроматического нагревателя (лазер и сапфировый световой излучатель) (рис.2).

1 - когерентный источник  энергии (лазер)

2 - полихроматический излучатель

3 - нагреваемый материал

4 - подложка

5 - обрабатываемая зона.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 - Совместное использование полихроматического и когерентного источников нагрева

 

Суть метода заключается  в разогреве ограниченного участка  поверхностного слоя детали до пластического  состояния и локальном переносе металла с помощью специального встроенного в технологическую  схему инструмента.

Предложенный энергосберегающий  метод лежит в основе технологических  процессов получения нанопорошков для локального модифицирования поверхностных слоев различных деталей. Применяя перемешивающую обработку и многократные перекрывающие проходы (рис. 2), можно наносить нанопорошки на участки детали любого требуемого размера, одновременно добиваясь измельчения зерен основы до субмикронного и наноразмерного уровня. Это, в свою очередь, позволяет получить заданный коэффициент трения на локальных (рабочих) участках деталей и в 2-3 раза повысить износостойкость поверхности изделий ответственного назначения. Как свидетельствуют проведенные исследования, для исключения или уменьшения степени образования объединений наночастиц и преодоления проявляющихся при их компактировании проблем в методах получения нанопорошков конденсацией из паровой фазы необходимо точное регулирование температуры процесса. В частности, при компактировании агрегированного порошка спеканием с целью достижения оптимальной плотности материала для поверхностного упрочнения локальных быстроизнашиваемых поверхностей деталей FSP-методом температура процесса должна быть тем выше, чем крупнее объединения наночастиц в порошке.

 Гибридный лазерно-световой  метод обработки представляет уникальную возможность программировать температуру в конкретной точке заготовки в реальном масштабе времени и одновременно за счет интеграции лазерного и светового нагрева обеспечивать повышенную производительность процесса получения нанопорошков в заданном диапазоне размеров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Е.А. Дорофеева по материалам статьи, опубликованной в научно-техническом  журнале "Наноиндустрия", Г. Алексеев, С. Духанин, В. Геков, Ю. Булкин, Н. Малютин, А. Грибов, С. Кононко, А. Чаленко, Я. Крикорка, Б. Семёнов, А. Семёнов, А. Мисюров, Б. Фёдоров, Ю. Инфиновский, Ю. Голубенко, Ю. Иванов, А. Богданов, Л. Майоров, В. Дрижов, Б. Алексеев, Г. Тури, "Применение лазерно-световых технологий в наноиндустрии" (http://www.nanoindustry.su) и материалам сайта http://edu.ulsu.ru/w/index.php/Глава_5._Наноматериалы_и_ перспективы_их_применения._Нанопорошки