Рассмотрение возможности получения материалов с новыми, отличными от макрокристаллических, физико-химическими свойствами. Получение наночастиц заранее заданных формы и размера. Описание различных синтетических подходов, их преимуществ и недостатков.
Успехи в научном исследовании и использовании наночастиц металлов, полупроводников, полимерных наночастиц в значительной мере зависят от возможностей методов синтеза, то есть от того, позволяет ли выбранный метод получать частицы, удовлетворяющие требованиям данной научной или практической задачи. В последние годы большие усилия были направлены на получение наночастиц заранее заданных формы и размера; было описано множество различных синтетических подходов, каждый из которых имел свои преимущества и недостатки. макрокристаллический химический наночастица синтетический Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих узлов: внутреннего электрода, разрядной камеры и устройства подачи плазмообразующего вещества. В устройствах второй группы (плазмотроны косвенного действия, см. рис.2) плазма, создаваемая в разряде между электродом (1) и корпусом (3), истекает из разрядной камеры в виде струи. На рисунке 4 представлена схема получения нанопорошков оксида циркония в плазме ВЧ-разряда.В настоящее время наиболее перспективными технологиями производства наноматериалов являются методы механического измельчения и плазменного нагрева в сочетании с жестким контролем качества продукции и пассивацией поверхности частиц.
Введение
Интерес к наноструктурам в первую очередь связан с возможностью получать материалы с новыми, отличными от макрокристаллических, физико-химическими свойствами. Наиболее привлекательной особенностью наносистем является возможность регулировать физической отклик материала в зависимости от размера частиц. Таким образом, очевидно, что контроль размера, а во многих случаях и формы частиц на наноуровне может привести к изменению свойств хорошо знакомых материалов и открыть для них применение в новых областях. Успехи в научном исследовании и использовании наночастиц металлов, полупроводников, полимерных наночастиц в значительной мере зависят от возможностей методов синтеза, то есть от того, позволяет ли выбранный метод получать частицы, удовлетворяющие требованиям данной научной или практической задачи. В последние годы большие усилия были направлены на получение наночастиц заранее заданных формы и размера; было описано множество различных синтетических подходов, каждый из которых имел свои преимущества и недостатки. макрокристаллический химический наночастица синтетический
1. Плазменное получение порошков
Газоразрядная плазма создается в специальных устройствах- плазмотронах. Представим основные разновидности этих устройств. Существует две разновидности плазмотронов: 1 - Дуговые плазмотроны постоянного тока. 2 - Высокочастотные плазмотроны.
Дуговой плазмотрон постоянного тока состоит из следующих узлов: внутреннего электрода, разрядной камеры и устройства подачи плазмообразующего вещества. Различают два типа дуговых плазмотронов - для формирования плазменной дуги и для создания плазменной струи. В устройствах первой группы (плазмотроны прямого действия) дуговой разряд горит между внутренним электродом (1) и обрабатываемым материалом, служащим анодом (2) (см. рис. 1).
В устройствах второй группы (плазмотроны косвенного действия, см. рис.2) плазма, создаваемая в разряде между электродом (1) и корпусом (3), истекает из разрядной камеры в виде струи. Стабилизация разряда в дуговых плазмотронах в большинстве случаев осуществляется с помощью магнитного поля.
Плазмотроны косвенного действия (плазмоструйные) используются при термической обработке как металлов, так и диэлектриков, а также для нанесения покрытий. Плазмотроны прямого действия (плазмодуговые) служат для сварки, резки, плавки электропроводных материалов. Мощности дуговых плазмотронов 102-10 7Вт. Температура струи на срезе сопла 3000-12000 К.
Комбинированные плазмотроны представляют собой симбиоз плазмодуговых и плазмоструйных плазмотронов. В них дуга зажигается одновременно между электродом (1), корпусом (3) и заготовкой (2).
Высокочастотный плазмотрон (см. рис. 3) включает: электромагнитную катушку, индуктор (1) или электроды, подключенные к источнику ВЧ-энергии, корпус плазмотрона (2), разрядную камеру (4), узел ввода плазмообразующего вещества. Мощность ВЧ-плазмотронов достигает 106 Вт, температура в центре разрядной камеры достигает 10000 К. Частота электромагнитного поля 10-50 МГЦ.
Газоразрядная плазма широко используется в современной технике для реализации следующих электротехнологий: - синтез веществ, - получение ультрадисперсных порошков, - плавка, резка, сварка металлических изделий, - травление и очистка поверхности, - нанесение покрытий на изделия, - плазмохимическое легирование поверхности.
Получение ультрадисперсных порошков. Ультрадисперсные порошки имеют размеры частиц меньше 1 мкм, то есть относятся к категории наноразмерных порошков. Дисперсность УДП составляет (10-1000) нм. Одним из самых распространенных химических методов получения высокодисперсных порошков нитридов, карбидов, боридов, оксидов является плазмохимический синтез. Основными условиями получения высокодисперсных порошков этим методом являются: протекание реакции вдали от равновесия и высокая скорость образования зародышей новой фазы при малой скорости их роста. 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 столкновениях. При плазмохимическом синтезе используется низкотемпературная (4000-8000) К азотная, аммиачная, углеводородная, аргоновая плазма дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысокочастотного разрядов. Главный недостаток плазмохимического синтеза - широкое распределение частиц по размерам, и вследствие этого наличие довольно крупных (до 3 мкм) частиц.
На рисунке 4 представлена схема получения нанопорошков оксида циркония в плазме ВЧ-разряда. Через дозирующее устройство (распыляется водный раствор нитрата циркония, под действием высокой температуры (4000 К) протекает реакция Zr(NO3)4 -> ZRO2 4NO2 O2. Твердый продукт реакции в виде ZRO2 собирается на дне реактора. Нанопорошки используются при приготовлении нанокерамики и других материалов, необходимых для создания материальной базы новой технической отрасли - наноэлектроники.
Рисунок 4 - Схема получения нанопорошков оксида циркония в плазме ВЧ-разряда
На рисунке 5 представлена схема установки для получения металлических наночастиц способом плазменного плавления и испарения микронных частиц металла. Частицы порошка металла поступают в электродуговой плазменный поток внутри вихря технологического газа-носителя (аргона). Здесь они испаряются, и образовавшаяся парогазовая смесь подается в конденсатор и холодильник-теплообменник. Неиспарившиеся частицы отделяются от парогазового потока в испарительной камере за счет центробежных сил газового вихря и улавливаются с помощью фильтра. Охлажденный до 50 ? 60 ?C аэрозольный поток с наночастицами металла проходит через тонкие фильтры, на которых осаждаются полученные наночастицы. Установка может работать в непрерывном режиме. Этот метод обладает достаточно большой производительностью, которая на единичном блоке достигает 10 г порошка в час. Средний размер частиц алюминия, произведенных методом плазменной переконденсации, находится в диапазоне 40 ? 60 нм. Преимуществом этого метода являются стабильность испарения металлов с высокой температурой плавления и низкое давление пара. Его недостатки связаны с трудностями фокусировки струи плазмы при низких давлениях (до 25 КПА) и с ненадежной работой плазмотрона на при длительных режимах нагревания, что снижает эффективность этой технологии.
При использовании метода комбинированного плазменного нагрева эффективность испарения дисперсного материала повышается. Происходит двухступенчатый процесс нагревания. Первоначально материал нагревается до высокой температуры с помощью плазмы, полученной при постоянном токе. После этого вещество плавится и испаряется в плазме, полученной посредством высокочастотных зарядов. Исходный материал находится в виде порошка крупного размера или стружки. Образующиеся частицы имеют сферическую форму размером более 50 нм.
Рисунок 5. Принципиальная схема метода плазменной переконденсации металлических частиц
2. Получение нанокристаллических порошков в промышленном объеме
В промышленности задача получения чистых тугоплавких ультрадисперсных, в т.ч. - нанокристаллических порошков с заданным набором свойств (удельная поверхность, чистота, текучесть, физико-механические и химические свойства, заданная форма и т.д.) для производства высококачественных изделий решается в несколько стадий, на громоздком и дорогостоящем оборудовании, с необоснованно высокими затратами материальных ресурсов. Получение порошков с помощью механического размола приводит к загрязнению порошков и требует дополнительной очистки.
В ряде случаев весь набор требований не может быть обеспечен, при этом свойство товара складываются на основе компромисса требований к нему. Технические устройства и технологии, оборудование, применяемые для получения тугоплавких нанопорошков, устарели и не соответствуют предъявляемым современным требованиям к качеству материалов. В технологической цепи производства тугоплавкого нанопорошка имеется большое количество физико-механических, химических и электрохимических переделов, приводящих к образованию сложных и опасных отходов и серьезно удорожающих конечный продукт. В силу дороговизны продукта и ограничению возможностей по обеспечению заданных свойств изделий, полученных по традиционной технологии, изза малой производительности и незначительного выхода годного продукта при традиционной схеме переработки, он недоступен отечественному потребителю. Отдельные свойства порошка при получении его традиционными способами вообще не могут быть достигнуты.
Это делает невозможным переход на массовый выпуск современных изделий микроэлектроники, оборонной техники, ракетной техники и авиации, базирующихся на использовании современных ультрадисперсных и нано-материалах.
2.1 Вакуумная плазменная установка
Одна из плазменных установок, состоит из двух постов, один из которых - для работы, как с порошками, так и со слитками, другой - для работы с порошками. Схема установки приведена на рисунке 6 (а-в).
Рисунок 6-а - Вакуумная плазменная печь для обработки порошков и нанопорошков и производства слитков.
Рисунок 6-б - Схема вакуумной камеры №1
Рисунок 6-в - Схема вакуумной камеры №2
Вакуумная плазменная установка имеет следующие основные технические данные и характеристики: - Максимальный ток дуги - 3000А;
- Максимальное напряжение на дуге - 80В;
-Давление в рабочей камере в рабочем режиме - до мм.рт.ст.;
- Напряжение питающей сети - 380В.
Экспериментальная вакуумная плазменная установка с полым катодом состоит из следующих узлов: - рабочая вакуумная камера;
- откачная вакуумная система;
- система подачи плазмообразующего и транспортного газа;
- система водоохлаждения;
- система электропитания и управления установкой.
Вакуумная плазменная установка с полым катодом состоит из двух независимых технологических объемов «Камера №1» и «Камера №2», соединенных с вакуумной системой откачки посредством системы шиберов.
Каждая из камер может работать независимо от другой, и позволяет проводить различные экспериментальные и технологические операции. Для создания пониженного давления в объеме установки предусмотрены вакуумные насосы.
Система шиберов позволяет комбинировать работу вакуумных насосов в различной последовательности и производить откачку технологических объемов независимо друг от друга.
Вакуумная камера №1 представляет собой водоохлаждаемый цилиндр с патрубком присоединения к откачной вакуумной системе. Сверху камера вакуумплотно закрыта водоохлаждаемой крышкой, внизу камеры установлена водохлаждаемая емкость для сбора и охлаждения порошка («приемник») с охлаждаемым анодом и экраном из магнитной стали, вакуумплотно соединенная с нижней неохлаждаемой крышкой.
На верхней крышке установлен водоохлаждаемый экран, из магнитной стали, с возможностью вертикального перемещения. По оси медного экрана установлен медный водоохлаждаемый катододержатель («плазмотрон») с закрепленным на нем сильноточным полым катодом. Катододержатель имеет возможность вертикального перемещения вдоль оси. На боковых стенках камеры предусмотрены дополнительные фланцевые соединения, для подключения манометра, манометрического преобразователя типа ПМТ-2 и манометра.
Порошок подается из вибробункеров через трубки в плазменный разряд и камеру. Расход порошка, поступающего в камеру, будет зависеть от напряжения питания вибробункера, расхода транспортирующего газа, давления внутри камеры.
Вывод
В настоящее время наиболее перспективными технологиями производства наноматериалов являются методы механического измельчения и плазменного нагрева в сочетании с жестким контролем качества продукции и пассивацией поверхности частиц. Очевидно, что эти технологии сохранят свои востребованность и станут предметом дальнейшего совершенствования.
Преимуществом метода плазменного нагрева являются стабильность испарения металлов с высокой температурой плавления и низкое давление пара. Его недостатки связаны с трудностями фокусировки струи плазмы при низких давлениях (до 25 КПА) и с ненадежной работой плазмотрона при длительных режимах нагревания, что снижает эффективность этой технологии.
Размещено на .ru
Вы можете ЗАГРУЗИТЬ и ПОВЫСИТЬ уникальность своей работы
