Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков дезинтеграции характеризуется переходом одного вида энергии твер- дого тела в другой: до разрушения тело обладает потенциальной энер- гией, т. е. находится под действием внешних сил в состоянии упругой деформации, в результате разрушения потенциальная энергия пере- ходит в кинетическую, причем энергия деформации превращается в тепло и рассеивается в окружающую среду. В зависимости от размера кусков исходного и конечного материа- ла различают два типа измельчения: дробление и размол. Дробление производят в дробилках разных систем: щековых, валковых, конусных, молотковых и т. д.; размол — в планетарных, шаровых, молотковых, вихревых, вибрационных, струйных мельницах и т. д. Механический высокоэнергетический размол — простой, эффективный и произво- дительный способ получения в мельницах различных нанокристал- лических порошков средним размером частиц менее 100 нм. Дан- ный метод имеет ряд недостатков, таких как ограничение по классу исходных материалов, наличие примесей в продукте размола, невоз- можность контроля размера частиц, большая длительность процесса и др. С помощью механического размола невозможно получить по- рошки с наноразмерными частицами мягких, пластичных металлов, например меди. Длительность процесса дезинтеграции и размер частиц получаемо- го порошка связаны нелинейными зависимостями, которые включа- ют множество параметров и уникальны для каждого материала. При прочих равных условиях размер частиц после размола тем меньше, чем больше введенная энергия и длительность размола, меньше масса и размер частиц исходного размалываемого порошка. Наряду с умень- шением размера частиц, т. е. с измельчением, при размоле происходит микродеформация кристаллической решетки измельчаемого веще- ства, и часть энергии расходуется на создание микронапряжений, что замедляет измельчение порошка. Наиболее тонкий размол осущест- вляется с использованием жидкой размольной среды (спирты, другие органические растворители). Дело в том, что жидкости имеют посто- янство объема, иными словами, они несжимаемы. При первых вза- имодействиях мелющей системы с порошком в частицах последнего образуются трещины, в которые попадает размольная жидкость; при последующем взаимодействии эта жидкость внутри частицы играет роль «клина» и частица разрывается изнутри. Такой жидкостью явля- 51 1.7. дезинтеграция ется, например, изопропиловый спирт: после размола он быстро ис- паряется без сильного нагревания. Процесс дезинтеграции сводится к простому разрушению крупно- кристаллического порошка до более дисперсного состояния. Причем давление мелющих тел должно превышать при ударе величину моду- ля сдвига вещества, иначе разрушения не произойдет. Получается, что на результат (средний размер частиц порошка) размола основ- ное влияние оказывает энергия размола. Значение энергии склады- вается из параметров размалываемого вещества (например, модуль сдвига, вектор Бюргерса, энергия атомизации), исходного размера порошка, параметров установки, в которой осуществляется размол (например, масса мелющей системы, скорость движения тел, геоме- трия конструкции) и времени размола. Энергия размола расходуется в двух направлениях — на разрыв межатомных связей в частице исходного порошка и на образование новой поверхности при измельчении этой частицы. В результате со- вокупных механических воздействий высокой частоты и периодиче- ски возникающих напряженных состояний в измельчаемом материале слабые места, всегда имеющиеся в структуре твердого материала, еще более ослабляются, и разрушение частиц происходит по этим местам. Химически чистые и монофазные наночастицы нестехиометриче- ских оксидов можно получать с помощью дезинтеграции крупнокри- сталлических порошков в шаровой планетарной мельнице. Дезин- теграция крупнокристаллических порошков монооксидов V, Ti и Nb с составом, близким к стехиометрическому МO 1.00 , была проведена в шаровой планетарной мельнице Retsch PM 200. Материалом раз- мольных шаров и стаканов являлся диоксид циркония ZrO 2 , стабили- зированный оксидом иттрия Y 2 O 3 . Соотношение масс размольных ша- ров и порошка составляло 10:1, а скорость вращения опорного диска размольных стаканов 500 об/мин. В качестве размольной жидкости, которая призвана погасить сухое трение между размольными шарами и частицами порошка и таким образом предотвратить истирание ша- ров и намол примесей в конечный продукт размола, был использован изопропиловый спирт CH 3 CH(OH)CH 3 , обладающий более высокой температурой самовоспламенения (729 K) по сравнению с другими часто используемыми размольными жидкостями. После дезинтегра- ции на дифрактограммах монооксидов наблюдалось значительное |