Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков в окружающее пространство, вследствие чего температура разруша- ющей смеси повышается, скорость реакции увеличивается, что при- водит к еще большему разогреву смеси и тепловому взрыву. Механическое воздействие позволяет уменьшать размер микро- кристаллических блоков до 10 нм и менее, что эквивалентно сокра- щению необходимой для реакции длины диффузии. Совместная ме- ханическая обработка нескольких компонентов смеси совмещает деформационное перемешивание с механохимическим синтезом. Осо- бенности низкотемпературного перемешивания твердых реагентов, обусловленные образованием промежуточных метастабильных со- стояний, и возможности механохимического синтеза различных со- единений подробно описаны в литературе. Механическое воздействие используют для получения большого количества нанопорошков раз- личных материалов: металлов, сплавов, интерметаллидов, керамики, композитов. В результате механического размола и механического сплавления может быть достигнута полная растворимость в твердом состоянии таких элементов, взаимная растворимость которых в рав- новесных условиях пренебрежимо мала. Наиболее распространенным оборудованием для механической активации порошков и осуществле- ния механохимических процессов являются различного типа мельни- цы (реакторы), в которых значение удельной механической энергии, передаваемой порошку, может достигать около 1 МДж/г. При механическом воздействии порошков пластическая деформа- ция развивается по дислокационному механизму и первоначально ло- кализуется в полосах сдвига, содержащих большое число дислокаций с высокой плотностью. При достижении определенного уровня напря- жений эти дислокации аннигилируют, объединяются и рекомбиниру- ют в малоугловые границы, разделяющие отдельные зерна, захваты- вают атомы примесей и образуются частицы диаметром от 20 до 30 нм, их количество растет по мере истирания. В пластичных металлах межзеренные границы обычно формируются по механизму полигони- зации. На следующем этапе механического воздействия ориентация отдельных кристаллитов друг относительно друга становится случай- ной вследствие скольжения границ зерен. Такое поведение при раз- моле типично для ОЦК металлов и интерметаллидов. Механическое воздействие является импульсным, поэтому воз- никновение поля напряжений происходит не в течение всего вре- 43 1.6. Механохимический синтез мени пребывания частиц в реакторе, а только в момент соударения частиц. В короткое время после соударения частиц происходит их ча- стичная релаксация. По этой причине при механохимическом синтезе нужно учитывать характер формирования поля напряжений во вре- мени и кинетику последующих релаксационных процессов. Механи- ческое воздействие является не только импульсным, но и локальным, т. к. происходит не во всей массе твердого вещества, а лишь там, где возникает, и затем релаксирует поле напряжений. Механохимический синтез порошков боридов, карбидов, силици- дов, сульфидов переходных металлов из порошковых смесей металлов с бором, углеродом, кремнием, серой был осуществлен так называе- мым «взрывным» методом в вибромельницах. По существу взрывной механосинтез подобен самораспространяющемуся высокотемпера- турному синтезу (СВС), но, в отличие от СВС, инициирование бы- стропротекающей реакции синтеза осуществляется не кратковремен- ным мощным тепловым импульсом, а механоактивацией порошков исходных компонентов (металл и углерод, бор, кремний, сера) в те- чение нескольких минут. Рентгеновская дифракция и электронная микроскопия порошков карбидов B, Ti, Zr, Hf, V, Ta, W, полученных механохимическим синтезом в эксцентриковой и планетарной ша- ровой мельницах, показали, что средний размер частиц может быть от 6 до 20 нм. Для получения нанокристаллических дисперсных ок- сидов и нитридов размером частиц несколько нанометров механиче- ский размол металлических порошков проводят в планетарных и ви- бромельницах в атмосфере кислорода O 2 или азота N 2 . Длительный 48-часовой размол смеси порошков металла (Ti, Zr, V или Nb) и углерода в планетарной шаровой мельнице позволил осуществить механохимический синтез нанокристаллических кар- бидов TiC, ZrC, VC и NbC средним размером частиц (7±1) нм. Обра- зование карбидов начиналось после 4 ч размола. Изучение терми- ческой стабильности дисперсных нанокристаллических карбидов показало, что из полученных карбидных нанопорошков наиболее устойчивым к нагреву оказался карбид ниобия — при росте темпе- ратуры от 300 до 1300 K размер зерен NbC увеличился с 10 до 30 нм; наименее устойчивым к нагреву был карбид ванадия, интенсивная рекристаллизация которого при 1000–1200 K приводила к росту зе- рен до 90 нм. |