Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 17
Текст из файла (страница 17)
При последующем компактировании для достижениязаданной пористости материала агрегатированные порошки требуют высоких температур и/или давления по сравнению с неагрегатированными.Рассмотрим основные из используемых в настоящее время методовполучения и компактирования нанопорошков.Технологии испарения и осаждения из паровой фазы. Данные методыполучения нанопорошков в настоящее время используются наиболее широко. Это связано с тем, что технологии испарения вещества с помощьюразличных высокоинтенсивных источников энергии и последующего осаждения его из паровой фазы легко контролируется, что и обеспечиваютвысокие требования по чистоте получаемого нанопорошка, особенно прииспользовании камер с контролируемой атмосферой.
В последнем случаечаще всего используются вакуумные камеры или камеры, заполненныеинертными газами – гелием, аргоном или ксеноном. При испарении металлов в вакууме или инертном газе атомы металла перешедшего в газовую фазу (пар) стремятся к объединению в частицы порядка несколькихнанометров, которые затем осаждаются на охлаждаемую подложку. Данная группа методов позволяет получать сложно легированные порошки,причем сплавы заданного состава можно получать как испарением пред79варительно легированного материала, так и одновременным испарениемотдельных компонентов. Размер частиц получаемых порошков, в зависимости от разновидности метода и технологических параметров, может составлять от 5 до 100 нм.В зависимости от вида процесса испарения, можно выделить следующие разновидности методов.Термическое испарение.
При данном методе проводят нагрев испаряемого вещества в тигле. В настоящее время используются разные способы нагрева, как правило, с использованием высокоинтенсивных источников энергии: высокочастотный индукционный, электронно-лучевой,электродуговой, плазменный, лазерный. Принципиальная схема получения нанопорошка указанным методом показана на рис. 6.1.Рис. 6.1. Принципиальная схема получения нанопорошка методом термического испарения и конденсации материала из паровой фазыПолучаемые порошки имеют сферическую или ограненную форму имогут быть как металлическими, так и представлять собой интерметаллиды или другие соединения.
Термическим испарением массивных оксидовэлектронным пучком в инертной атмосфере можно получать порошкиаморфных Al2O3 и SiO2 и кристаллического Y2O3.Преимуществом метода является получение чистых порошков с узким распределением частиц по размерам, а недостатком – низкая производительность процесса. Данный недостаток является временным и обусловлен не самой технологией процесса, а отсутствием крупных установок для производства нанопорошков в промышленных масштабах.Взрывное испарение. Данный метод в настоящее время быстро развивается. Он основан на выделении очень большого количества энергии замалый промежуток времени.
Для подвода необходимого количества энергии используются мощный импульс электрического тока, дуговой разряд80или импульс лазерного излучения. При этом материал испаряется и затем,за счет быстрого увеличения объема, охлаждается с конденсацией паров вчастицы малого размера. В ряде случаев часть материала может не успетьиспариться, при этом он расплавляется и взрывным образом разделяетсяна жидкие капли.
Метод позволяет изготавливать порошки высокой чистоты сферической формы с размерами частиц до 5 – 10 нм, в том числе изметаллов с высокой температурой плавления и большой химической активностью. Недостатками метода являются: значительный расход энергиии, как следствие, относительная дороговизна получаемых нанопорошков,а также трудность удаления частиц микронного диапазона размеров, которые возникают из капель расплава [8]. На рис. 6.2 приведена фотографиянанопорошка NiO, полученного методом электровзрыва.Рис.
6.2. Нанопорошок NiO, полученный методом электровзрыва [9]Левитационно-струйный метод. При данном методе испарение металла проводится в потоке инертного газа, например из капли расплава, наконце проволоки, разогреваемой высокочастотным магнитным полем.Схема установки для получения нанопорошков испарением в потокеинертного газа показана на рис. 6.3. Размер получающихся частиц зависитот скорости потока газа. С увеличением скорости он может уменьшатьсяот 500 до 10 нм с одновременным уменьшением разброса частиц по размерам. Рассматриваемым методом получены, в частности, нанопорошкиMn и Sb.
Последний порошок вследствие большой скорости закалки вструе газа является аморфным. Используется также вариант рассматриваемого метода, называемый методом криогенного плавления. Он заключается в том, что плавление проволоки проводят в жидкости с очень низкой температурой, например в жидком азоте [10].81Плазмохимический метод. В основу метода положено использованиенизкотемпературной плазмы дугового или тлеющего разрядов (обычного,высокочастотного или сверхвысокочастотного разрядов) [11, 12].
В качестве исходного сырья используются металлы, галогениды или другие соединения. За счет достаточно высокой температуры плазмы (до 10000 К) ивысоких скоростей взаимодействия обеспечивается переход практическивсех исходных веществ в газообразное состояние с их последующимвзаимодействием и конденсацией продуктов в виде нанопорошка с частицами правильной формы, имеющими размеры от 10 до 200 нм. Наиболеевысокие температуры и мощность обеспечиваются при использовании установок с дуговыми плазмотронами, а наиболее чистые и однородные нанопорошки получаются при использовании СВЧ плазмотронов. При использовании активных сред, содержащих углерод, азот, бор или кислород,плазмохимическим синтезом получают нанопорошки карбидов, нитридов,боридов и оксидов разных элементов, а также многокомпонентные соединения.
Таким способом получают нанопорошки фуллеренов.Рис. 6.3. Схема установки для получения нанопорошков испарением в потокеинертного газа [4, 7]Химические методы. Данная группа технологий основана на использовании химических реакций соединений металлов, находящихся в газовой фазе. При этом указанные соединения в определенной зоне реакционной камеры термически разлагаются с образованием твердого осадка в виде нанопорошка и газообразных веществ или вступают в химические реакции также с образованием порошка и газообразных веществ.
В качествеисходного сырья могут использоваться галогениды (главным образомхлориды) металлов, алкильные соединения, карбониды, оксихлориды.82Размер получаемых частиц может регулироваться температурой и скоростью осаждения. По такой технологии получены нанопорошки кремния,бора, оксидов титана, циркония, алюминия, нитриды, карбиды и карбонитриды кремния, а также диборид титана с размером частиц 20…600 нм.Золь-гель процесс был разработан специально для получения оксидной керамики. Процесс включает следующие стадии: приготовление растворов алкоксидов, их каталитическое взаимодействие с последующимгидролизом, конденсационная полимеризация, дальнейший гидролиз.
Вкачестве продукта процесса получают оксидный полимер (гель). Его подвергают старению, промывке, сушке и термообработке. Недостатком метода является сложность аппаратурного оформления, а достоинством –высокие чистота и однородность синтезированных соединений, а такжевозможность получения разнообразных нанопорошков.Компактирование является технологическим процессом, в результате, которого из порошка получают готовую деталь [13 - 19]. Процессобычно проводят в две стадии: прессование и спекание. В ряде методовобеспечивается совмещение этих стадий в одну.Методы прессования. Для прессования нанопорошков наиболее широкое распространение получила технология одноосного прессования.
Используются такие ее методы, как: статическое (прессование в прессформах или штамповка), динамическое (магнитно-импульсное и взрывное) и вибрационное (ультразвуковое) прессование. Указанные видыпрессования достаточно известны, повсеместно используются при формовке обычных порошков и достаточно широко освещены в литературе.Для получения высокоплотных формовок используется прессование,при этом обеспечивается всестороннее сжатия материала.
Эта технологияполучила название изостатического прессования. Существует несколькоего вариантов: гидростатическое, газостатическое, квазигидростатическое.При изостатическом прессовании порошка его помещают в эластичнуюили деформируемую оболочку. Получаемые формовки отличаются практически однородной плотностью (иногда во внутренних объемах формовки она несколько меньше) и не имеют выраженной анизотропии свойств.Недостатком является определенная сложность и дороговизна оборудования, а также сложность выдерживания точности размеров формовки.Спекание формовок из нанопорошка ограничено невозможностьюиспользования высоких температур. Повышение температуры спеканияприводит к уменьшению пористости, но с другой стороны стимулируетрост размера зерна.
Эту проблему решают рядом методов активации, позволяющих добиваться получения низкой пористости изделий при болеенизких температурах спекания:– применением высокоскоростного микроволнового нагрева (при увеличении скорости нагрева от 10 до 300 град/мин необходимая температураспекания нанопорошка TiО2 снижается от 1050 до 975о С);83– ступенчатым контролируемым спеканием;– плазмоактивированным спеканием;– проведением спекания в вакууме или восстановительных средах (дляметаллических порошков)Спекания под давлением. Совмещение процессов формования и спекания или проведение спекания под давлением позволяет достигать больших значений плотности, в том числе и близких к теоретическому значению при использовании меньших температур нагрева.Наиболее простой способ – спекание при одноосном приложениидавления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
