Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков детонационный синтез — метод механического ударно-волно- вого воздействия, представляющий собой быстро протекающий про- цесс, который создает динамические условия для синтеза конечного продукта и его диспергирования до порошка с нанометровым разме- ром частиц. Детонационный синтез используется для получения раз- личных морфологических форм углерода, преимущественно нанокри- сталлического порошка алмаза (наноалмаз), и нанопорошков оксидов различных металлов: Al, Mg, Ti, Zr, Zn и др. При получении алмазных нанопорошков из смесей графита с ме- таллами длительность ударной волны варьируется в пределах от 10 до 20 мкс, создаваемое давление достигает 40 ГПа. Полученный в этих условиях алмазный порошок содержит одиночные кристаллы разме- ром не более 50 нм, а также скопления и плотно спаянные агломера- ты размером до 5 мкм и более, состоящие из отдельных кристаллов размерами около 2 и 100 нм. Технологичным является получение алмазных порошков путем взрыва органических веществ с высоким содержанием углерода и от- носительно низким содержанием кислорода, т. е. детонация конден- сированных взрывчатых веществ с отрицательным кислородным балансом (количество кислорода меньше количества окисляемых компонентов). В этом случае при взрыве выделяется свободный угле- род, из которого образуется алмазная фаза. Известно два варианта де- тонационного синтеза алмазных нанопорошков из конденсированных углеродсодержащих взрывчатых веществ с отрицательным кислород- ным балансом — «сухой» и «водный» синтез. При «сухом» синтезе ал- мазных наночастиц продукты взрыва расширяются в инертную атмос- феру и охлаждаются в газовой фазе, в настоящее время такой процесс применяется для промышленного получения алмазных нанопорошков различного технического назначения. Объем взрывных камер состав- ляет не менее 2 м 3 . При «водном» синтезе используется водяной охла- дитель полученных алмазных частиц. Синтезированный алмазный по- рошок образуется в зоне химического разложения за время не более 0.4 мкс и состоит из компактных кубических частиц средним разме- ром около 4 нм. Использование более мощных взрывчатых веществ позволяет получить более крупные — до 1 мкм — частицы алмаза. Давление в сотни тысяч атмосфер и температура до нескольких ты- сяч градусов, которые характеризуют детонационный процесс, соот- 55 1.8. детонационный синтез ветствуют области термодинамической устойчивости алмазной фазы на p-T диаграмме возможных состояний углерода. Вместе с тем в дето- национном синтезе при малом времени существования высоких дав- лений и температур, необходимых для образования алмаза, важная роль принадлежит кинетике образования и роста зародышей алмаз- ной фазы. Обычно для получения алмазных нанопорошков используют смеси тринитротолуола и гексогена в массовом соотношении 1:1 или 3:2. Для таких смесей давление и температура в детонационной волне составляют p > 15 ГПа и T > 3000 K. При «сухом» детонационном син- тезе процесс проводят в специальных взрывных камерах, заполнен- ных инертным или углекислым газом, которые предотвращают окис- ление образовавшихся алмазных частиц и их превращение в графит. Образование наночастиц алмаза происходит за время от 0.2 до 0.5 мкс, т. к. в детонационном синтезе при весьма малом време- ни образования алмазных частиц скорость их роста на несколько по- рядков выше таковой для статических условий, температура продук- тов взрыва достигает 4000 ºС, а графитизация алмаза начинается уже при 1000 ºС. Поэтому камеры заполняют инертным или углекислым газом, который предотвращает окисление образовавшихся алмазных частиц и их превращение в графит. Чтобы понизить остаточные тем- пературы, подрыв осуществляют в водной среде или в ледяной бро- нировке заряда: продукты детонации совершают работу по сжатию и разгону окружающей среды. Механизм синтеза в детонационной волне можно представить сле- дующим образом. В распространяющейся по твердому заряду детона- ционной волне происходит разрушение бензольных колец, находя- щихся в составе молекул взрывчатого вещества, на отдельные связки из атомов углерода. В результате последующих многократных взаи- модействий из них образуются углеродные соединения, в частности циклогексан. Эти молекулы несут в себе элементы структуры кри- сталлической решетки алмаза, поэтому их можно рассматривать как зародыши алмазной фазы углерода. Объединение в подвижной среде продуктов взрыва приводит к образованию малых частиц — алмаз- ных кластеров. В результате последующих столкновений и колеба- тельных взаимодействий частиц, приводящих к сцеплению их кри- сталлических решеток, за фронтом среды вырастают более крупные частицы (до 90 нм), что подтверждено экспериментом. |