Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков После взрыва конденсированные продукты синтеза собирают и об- рабатывают в горячих минеральных кислотах под давлением для уда- ления сажи и других примесей, многократно промывают в воде и су- шат. Полученные агрегаты имеют сложную, разветвленную форму, поэтому могут быть «сцеплены» друг с другом механически и под дей- ствием вандерваальсовых сил. Продукт подвергают диспергированию ультразвуком, затем разделяют на фракции с помощью центрифуг. Выход алмазного порошка составляет около 8 % от исходной массы взрывчатых веществ. Характерной особенностью алмазных нанопо- рошков, получаемых детонационным синтезом, является чрезвычай- но малая дисперсия размеров наночастиц — основная доля частиц имеет размер около 5 нм. Наблюдаемый в исследованиях узкий диа- пазон размеров нанокристаллов алмаза является следствием того, что при малых размерах наночастиц именно алмаз, а не графит является термодинамически стабильной формой углерода. Это предположение подтверждают численные расчеты. Детонационный метод имеет ряд недостатков, среди которых — противоречие необходимости быстрого понижения остаточной тем- пературы и максимально долгого сохранения повышенного давления, чтобы повысить стабильность алмазной фазы. Помимо этого, для син- теза алмаза обычно требуются дорогие и мощные взрывчатые веще- ства (гексоген, сплав ТГ40), которые изготавливаются только на обо- ронных предприятиях. Эту проблему отчасти решает необходимость экологически чистой утилизации различных боеприпасов, заряды из которых являются сырьем для синтеза наноалмазов. При использовании в качестве исходных материалов детонаци- онного синтеза металлов или химических соединений применяется химически нейтральная по отношению к конечному продукту газо- вая или жидкая среда, способствующая быстрому охлаждению полу- ченного вещества и стабилизации его высокотемпературных и мета- стабильных кристаллических модификаций. Детонационный способ синтеза различных морфологических форм углерода и нанопорош- ков оксидов Al, Mg, Ti, Zr, Zn описан в литературе. При детонацион- ном способе синтеза слой исходного вещества (высокопористая ме- таллическая среда, химическое соединение, золь или гель гидрооксида металла) подвергается ударно-волновому воздействию от контакт- ного заряда взрывчатого вещества. В ударной волне происходит сжа- 57 1.9. Электровзрыв тие и прогрев высокопористого металла или же протекают реакции разложения исходного соединения до оксида с последующей стаби- лизацией оксидных фаз. После выхода ударной волны на свободную поверхность исходного вещества материал разлетается в газовую ат- мосферу взрывной камеры или в жидкий охладитель. При исполь- зовании углеродсодержащей атмосферы CO 2 удается синтезировать нанотрубки и сферические частицы углерода, а также нитевидные кристаллы MgO. Средний диаметр нитевидных кристаллов MgO со- ставляет 60 нм, а отношение длины к диаметру достигает 100. При использовании химических соединений как исходных мате- риалов применяется химически нейтральная по отношению к по- лучаемому материалу газовая или жидкая среда. Благодаря этому происходит быстрое охлаждение вещества и стабилизируются вы- сокотемпературные и метастабильные кристаллические модифика- ции. Детонационным методом получили также нанопорошок диок- сида циркония ZrO 2 кубической модификации, стабилизированной оксидом иттрия. Средний размер частиц порошка составлял 30 нм. 1.9. Электровзрыв Нанопорошки можно получать электрическим взрывом проводни- ка при прохождении по нему мощного импульса тока длительностью около 1 мкс и плотностью от 10 4 до 10 6 А· мм –2 . Для этой цели исполь- зуется проволока диаметром от 0.1 до 1.0 мм. Электровзрыв прово- дника представляет собой резкое изменение агрегатного состояния металла в результате интенсивного выделения энергии в нем при пропускании импульсного тока большой плотности. Электровзрыв сопровождается генерацией ударных волн и создает возможность быстрого нагрева металлов со скоростью более 1·10 7 K/с до высоких температур T > 10 4 K. На начальной стадии электровзрыва нагрев про- водника сопровождается его линейным расширением с относитель- но небольшой скоростью около 2 м/с. На стадии взрыва в результате прохождения импульса тока металл перегревается выше температу- ры плавления, расширение вещества взрываемого проводника про- исходит со скоростью до 5·10 3 м/с, и перегретый металл взрывообраз- но диспергируется. Давление и температура на фронте возникающей |