Методы получения нанодисперсных веществ. Получение нанодисперсных порошков плазмохимическим методом. Механический и детонационный синтез, электрический взрыв проводников как способы получения наноматериалов. Метод осаждения из коллоидных растворов.
Аннотация к работе
Поликристаллические сверхмелкозернистые материалы со средним размером зерен от 100-150нм, называют обычно субмикрокристаллическими, а со средним размером зерен менее 40 нм - нанокристаллическими. Важная роль среди них отведена металлам, сплавам и многокомпонентным композитам. Температура ее плавления 1770°С в то время была недостижимой, а спекание в специальной форме этого металла, измельченного до порошка, уже тогда удалось осуществить при более низкой температуре. В начале XX в. эта технология вновь привлекла к себе внимание в ряде стран, что позволило производить материалы, обладающие уникальными свойствами повышенной твердостью, износостойкостью и другими ценными качествами, получение которых иными способами недостижимо. Все производимые в настоящее время наноматериалы подразделяют на четыре группы: оксиды металлов и кремния, сложные оксиды (состоящие из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси.В реальных условиях плазмохимического синтеза получение наночастиц целесообразно осуществлять за счет увеличения скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит конденсация из газовой фазы; благодаря этому уменьшается размер образующихся частиц, а также подавляется рост частиц путем их слияния при столкновении. К настоящему времени плазмохимическим методом получены высокодисперсные порошки нитридов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, бора, алюминия и кремния; карбидов титана, ниобия, тантала, вольфрама, бора и кремния; оксидов магния, иттрия и алюминия. Плазмохимические порошки карбидов металлов, бора и кремния обычно получают взаимодействием хлоридов соответствующих элементов с водородом и метаном или другими углеводородами в аргоновой высокочастотной или дуговой плазме; нитриды получают взаимодействием хлоридов с аммиаком или смесью азота и водорода в низкотемпературной СВЧ - плазме. Образование нанопорошков оксида алюминия с минимальным размером частиц (размером 10-30 нм) достигается при взаимодействии паров металла с кислородом воздуха в условиях интенсивного вдувания воздуха, за счет чего происходит быстрое снижение температуры. Переход от порошков с характерными размерами частиц ~1-10 мкм, традиционно использующихся в композиционном материаловедении, к нанодисперсным порошкам с характерными размерами частиц 10-100 нм, позволяет добиться как существенного улучшения свойств существующих композиционных материалов, так и получения композиционных материалов с принципиально новыми свойствами, что обусловлено изменением физико-химических свойств порошков при достижении нанометрового размера частиц.Характерными особенностями нанопорошков, получаемых ЭВП - технологией, являются: сравнительно небольшой, по сравнению с другими физическими методами, разброс частиц по размерам; Применение нанопорошков, полученных ЭВП - технологией открывает для ученых, инженеров и технологов широчайшие возможности в области создания новейших материалов и технологий, принципиально новых приборов и устройств. Используя нанопорошки, например как добавки, можно значительно улучшить качество многих продуктов - лекарств, смазочных материалов, топлив, полимеров, фильтров, геттеров, присадок к смазочным материалам, красящих и магнитных пигментов, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др. Пример установки для получения нанопорошков методом ЭВП изображен на рисунке: Элементы установки собраны в два блока: генератор импульсов электрической энергии и модуль по производству нанопорошка. Общие закономерности образования наночастиц в жидких средах зависят от множества факторов: состава и свойств исходного вещества (раствора, расплава);Анализ технической и научной литературы по данной проблеме показал, что на сегодняшний день существует достаточно большое количество методов и технологий получения ультра и нанодисперсного вещества. Самыми распространенными являются методы: газофазного синтеза, плазмохимического синтеза, осаждения из коллоидных растворов, термического разложения и восстановления, механического и детонационного синтеза, электрического взрыва проводников (ЭВП), лазерной абляции.
Вывод
Анализ технической и научной литературы по данной проблеме показал, что на сегодняшний день существует достаточно большое количество методов и технологий получения ультра и нанодисперсного вещества. Самыми распространенными являются методы: газофазного синтеза, плазмохимического синтеза, осаждения из коллоидных растворов, термического разложения и восстановления, механического и детонационного синтеза, электрического взрыва проводников (ЭВП), лазерной абляции.
Одним из самых надежных и производительных методов, является плазмохимический. Он имеет ряд преимуществ перед другими методами, такие как: высокая производительность;
высокая скорость образования и конденсации соединения;
химические реакции образования целевого продукта протекают в газовой фазе при очень высоких температурах, что обуславливает их высокую скорость и высокую производительность реактора;
продукты получаются в результате конденсации соединений из газовой фазы и, как правило, представляют нанодисперсные порошки;
дисперсность частиц составляет от 10нм до 100 - 200нм;
исходное сырье может быть подвергнуто глубокой очистке, в ходе реакции оно не соприкасается со стенками реактора;
метод позволяет путем смешивания исходных паров получать на выходе сложные вещества, а также твердые растворы и композиты. для нагрева исходного материала в плазмохимических методах могут использоваться как дуговые (электродные), так и безэлектродные плазмотроны, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками, определяющими области их применения.
К основным недостаткам плазмохимического синтеза можно отнести: широкое распределение частиц по размерам;
высокое содержание примесей, вследствие эрозии электродов.
Таким образом, плазмохимический синтез является одним из наиболее перспективных способов получения нанодисперсных порошков в промышленных масштабах.
Поэтому, актуальным является совершенствование методики плазменного синтеза нанопорошков путем исследования процессов синтеза и разработки новых установок для синтеза нанодисперсных веществ.
Список литературы
1. Гусев А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. Екатеринбург: УРО РАН. 1998.
2. Зобов К.В., Обанин В.В., Труфанов Д.Ю., Завьялов А.П. Методы исследования движения нанодисперсных сред и определение их основных макро и микро параметров. Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, г. Новосибирск, 2009.
3. Золотухин И.В., Калинин Ю.Е., Стогней О.В. Новые направления физического материаловедения: Учебное пособие. - Воронеж: Издательство Воронежского государственного университета, 2000. - 360 с.
4. Обанин В.В., Труфанов Д.Ю., А.П.Завьялов, К.В.Зобов. Методы исследования движения нанодисперсных сред и определение их основных макро и микропараметров. Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН, г. Новосибирск, 2009.
5. Цветков Ю.В., Самохин А.В., Алексеев Н.В., Благовещенский Ю.В. Физикохимия и технология плазмохимического синтеза нанопорошков элементов и соединений. Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва, 2008.
6. Чурилов Г. Н. Плазменный синтез фуллеренов // ПТЭ. - 2000. - № 1. - С. 5-15.
7. Рудской А.И. Нанотехнологии в металлургии. - СПБ.: Наука, 2007.-186с.
8. Селиванов В.В., Кобылкин И.Ф., Новиков С.А. Взрывные технологии: учебник для втузов / под ред. Селиванова В.В. - М.: Изд-во МГТУ Н.Э. Баумана, 2008. - 648с.: ил.
9. - Российский электронный наножурнал (нанотехнологии и их применение).