Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков ударной волны достигают нескольких сотен мегапаскалей (тысяч ат- мосфер) и порядка 10 4 K. В результате конденсации в потоке быстро расширяющегося пара образуются частицы очень малых размеров. Ре- гулируя условия взрыва, можно получать порошки размером частиц от 100 мкм до 50 нм. Средний размер частиц монотонно убывает с ро- стом плотности тока и сокращением длительности импульса. Элек- тровзрыв в инертной атмосфере позволяет получать порошки метал- лов и сплавов (оксиды, нитриды и карбиды металлов), а с помощью введения в реактор дополнительных реагентов (воздух, смесь кисло- рода и инертного газа, азот, дистиллированная вода, декан C 10 H 22 , па- рафин, техническое масло) можно получать тонкодисперсные порош- ки оксидов, нитридов, карбидов или их смесей. В литературе описаны полученные электровзрывом в инертном газе при давлении 200 Па порошки меди с максимумом распределения по размерам, соответ- ствующим около 20 нм, и порошки алюминия средним размером ча- стиц около 50 нм. Согласно экспериментальным данным порошки, получаемые мето- дом электрического взрыва проволоки, имеют очень большую избы- точную энергию. Так, порошки алюминия средним размером частиц от 500 до 800 нм обладают избыточной энергией до 200 кДж · моль –1 , а порошки серебра средним размером частиц около 120 нм имеют избыточную энергию до 80 кДж · моль –1 , что в несколько раз боль- ше теплоты плавления массивного вещества. Такой избыток энергии не может быть обусловлен вкладом только поверхностной энергии. Обнаруженное запасание большой избыточной энергии тонкодисперс- ными порошками, полученными электровзрывом, полного объясне- ния пока не получило. Высказано мнение, что избыточная энергия запасается в виде энергии поверхности, внутренних дефектов и заря- довых состояний. Распределение частиц порошков по размеру явля- ется логарифмически нормальным, максимум распределения лежит в области от 10 до 500 нм. Частицы порошков металлов и сплавов, по- лученных электровзрывом, являются сферическими, а частицы ни- тридных порошков имеют огранку. В последние 10 лет развивается также электроэрозионный спо- соб получения нано- и субмикрокристаллических порошков метал- лов и сплавов. 59 1.10. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез 1.10. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) представляет собой быстро распространяющийся процесс твердого го- рения реагентов (металла и углерода для получения карбидов или ме- талла в среде азота — нитридов) при температуре от 2500 до 3000 K. Размер частиц в продукте СВС обычно бывает от 1 до 5 мкм, и пото- му предполагалось, что получить методом СВС вещества в нанокри- сталлическом состоянии нельзя. Синтез наноразмерных порошков карбида титана был проведен методом СВС с использованием инертного разбавителя, предотвра- щающего рост образующихся частиц. Для синтеза карбида титана ис- пользовали смесь Ti + C + mNaCl, где m составляло от 0.2 до 0.7 моль хлорида натрия на один атом Ti или C. Размер частиц исходных по- рошков Ti, C и NaCl не превышал 50, 0.1 и 150 мкм соответственно. Из порошковой смеси прессовали образцы диаметром 30 и высотой 40 мм. Синтез проводили в стандартном реакторе в атмосфере арго- на под давлением 0.5 МПа. Процесс горения инициировали импуль- сом тока (напряжение U от 15 до 20 В, продолжительность импульса около 1 с), который подводился к образцу с помощью вольфрамовой проволоки. При увеличении количества добавленного хлорида на- трия m от 0.2 до 0.7 температура горения понижалась с 2500 до 1950 K. В процессе горения происходила спонтанная гомогенизация исход- ной смеси вследствие плавления Ti и NaCl. Микроскопическое иссле- дование показало, что образующиеся частицы карбида титана распре- делены в расплаве NaCl и изолированы одна от другой тонким слоем этого расплава, что предотвращает их дальнейший рост. Не обнаруже- но образования каких-либо промежуточных фаз. Размер частиц кар- бида титана уменьшается с ростом количества NaCl в исходной смеси. После отмывания NaCl полученный порошок карбида титана был из- учен методами рентгеновской дифракции и электронной микроско- пии. Синтезированный карбид титана имел кубическую структуру B1 с периодом 433 пм, порошок состоял из частиц неправильной формы размером от 20 до 300 нм, средний размер частиц около 100 нм. Оп- тимальное содержание NaCl для синтеза наночастиц карбида титана соответствует m = 0.4, или около 30 мас. %. |