Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов 72 % при средней величине зерна в спеченном образце 120 нм; горя- чее прессование при этой же температуре и давлении 1.6 ГПа позво- ляет получить спеченный материал с относительной плотностью 87 % и средним размером зерна 130 нм. Снижение температуры спекания до 1320 K и увеличение продолжительности спекания до 5 ч дало воз- можность получить компактный оксид циркония ZrO 2 с относитель- ной плотностью более 99 % и средним размером зерна 85 нм. Иссле- дования показали, что самые плотные (с относительной плотностью 98 %) образцы нитрида титана получаются спеканием образцов, спрес- сованных из наиболее мелких нанопорошков (D может варьироваться от 8 до 25 нм) с минимальной дисперсией размеров зерен. Для компактирования нанопорошков достаточно эффективным является магнитно-импульсный метод, который успешно раз- рабатывается в Институте электрофизики УрО РАН. Метод основан на концентрировании силового действия магнитного поля мощных импульсных токов, позволяет относительно просто управлять пара- метрами волны сжатия, экологически чист и значительно безопаснее динамических методов, использующих взрывчатые вещества. Метод позволяет генерировать импульсные волны сжатия с максимальной амплитудой до 5 ГПа и длительностью в несколько микросекунд. В отличие от стационарных методов прессования, импульсные вол- ны сжатия сопровождаются интенсивным разогревом порошка за счет быстрого выделения энергии при трении частиц в процессе упаковки. Если размер частиц достаточно мал (D ≤ 0.3 мкм), то время их про- грева диффузией тепла с поверхности оказывается заметно меньше характерной длительности импульсных волн сжатия (от 1 до 10 мкс). При одинаковом значении давления прессования магнитно-импульс- ный метод в некоторых случаях позволяет получать более плотные компактные образцы, чем стационарное прессование. В основе данного метода лежит взаимодействие импульсного маг- нитного поля индуктора с магнитным полем вихревых токов, наве- денных в электропроводящем элементе, уплотняющем порошок. В качестве таких элементов используются контейнеры из хорошо про- водящих электрический ток материалов (медь, алюминий) или элек- тропроводящие плиты — пуансоны. Метод магнитно-импульсного прессования (МИП) характеризуется мягкими импульсными волна- ми сжатия в порошках с амплитудой до 2 ГПа (при многократном ис- 73 2.1. Компактирование нанопорошков пользовании пресса) и длительностью в диапазоне от 10 до 500 мкс. Есть возможность генерировать и более высокие импульсные дав- ления, порядка 10 ГПа, но при однократном использовании пресса. Мягкие импульсные волны сжатия оказываются весьма эффек- тивным инструментом для уплотнения порошков с размером частиц меньше 100 нм. При импульсном сжатии нанопорошков удачно соче- таются одновременные действия следующих существенных факторов: — высокое импульсное давление способствует силовому уплотне- нию наночастиц; — влияние большого механического импульса частиц выражается в значительном снижении роли потенциального межчастичного вза- имодействия, препятствующего взаимному перемещению наноча- стиц, что можно рассматривать как повышение подвижности частиц, а на макроуровне — как снижение внутреннего трения. Это позволя- ет получать прессовки из нанопорошков с более высокой плотностью. Причем роль данного эффекта усиливается при уменьшении средне- го размера частиц в порошке; — за счет быстротечности импульсного прессования в ряде слу- чаев удается сохранять метастабильные структурно-фазовые состоя- ния порошков, предпочтительные для формируемого объемного на- номатериала. В установках МИП реализовано прессование с использованием плоских и радиально сходящихся волн сжатия. На рис. 2.1 представле- на схема плоского (одноосного) магнитно-импульсного пресса, кото- рый содержит плоский спиральный индуктор и расположенный рядом механический концентратор (массивная проводящая плита), отделя- емый от индуктора тонким изолирующим зазором. Индуктор и концентратор вместе представляют асимметричную индукторную систему. При пропускании разрядного тока i нако- пителя через индуктор в зазоре между ним и концентратором соз- дается импульсное магнитное поле B , индуцирующее ток плотно- стью j в проводящей поверхности концентратора. Результирующая импульсная сила f , выталкивающая концентратор из области маг- нитного поля, является результатом взаимодействия индуцирован- ного тока j и магнитного поля. Концентратор, аккумулируя ме- ханический импульс, приводит в движение пуансон, сжимающий порошок в матрице. |