Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
Плазмохимический синтез нанопорошков
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
| Плазмохимический синтез нанопорошков (англ. plasma chemical
technique) — химический метод получения высокодисперсных порош- ков нитридов, карбидов, боридов и оксидов, заключающийся в про- текании реакции в низкотемпературной плазме вдали от равновесия при высокой скорости образования зародышей новой фазы и малой скорости их роста. Метод порошковой металлургии разработали российские ученые П. Соболевский и В. Любарский, впервые на практике применив его в 1826 году при изготовлении монет из платины в Петербургском мо- нетном дворе. Температура плавления платины, составляющая 1770 °C, в то время была недостижимой, а спекание в специальной форме из- мельченного порошка этого металла тогда удалось осуществить, по- скольку спекание происходит при более низкой температуре. В начале XX века эта технология вновь привлекла к себе внимание в ряде стран, в результате стали производить материалы, обладающие уникальными свойствами (повышенная твердость, износостойкость 18 глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков и другие ценные качества), получение которых иными способами недостижимо. Как известно, плазма «четвертое состояние вещества» — пол- ностью или частично ионизованный газ, который, в частности, по- зволяет стабилизировать ее состояние, воздействуя на плазменную струю электромагнитным полем. Применение в химической техно- логии и металлургии получила термическая, или низкотемператур- ная плазма, для которой, в отличие от космической или термоядер- ной, характерен диапазон температур от 10 3 до 10 4 K, достижимый в специальных электроразрядных устройствах, называемых плаз- мотронами. Как правило, в металлургии используют их электроду- говой вариант, но для получения особо чистых материалов можно применять и без электродные высокочастотные установки, посколь- ку плазма образуется в результате дугового разряда и затем стаби- лизируется, во-вторых, она образуется вследствие разряда между обкладками конденсатора или при воздействии высокочастотных полей на газовую среду. Термическая плазма в данном случае является высокотемператур- ным теплоносителем. С его помощью материал плавится, испаряется, претерпевает физико-химические превращения, а затем конденсиру- ется, т. е. возвращается в твердое состояние. Отсутствие темпера- турных ограничений, существующих в традиционных технологиях, позволяет интенсифицировать физико-химические процессы и обе- спечивает создание продуктов требуемого химического состава, агре- гатного состояния и форморазмеров, в т. ч. и в виде нанопорошков. Основными условиями получения высокодисперсных порошков этим методом являются протекание реакции вдали от равновесия и высокая скорость образования зародышей новой фазы при малой скорости их роста. В реальных условиях плазмохимического синтеза получение наночастиц целесообразно осуществлять за счет увеличе- ния скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит кон- денсация из газовой фазы. Благодаря этому уменьшается размер обра- зующихся частиц, а также подавляется рост частиц путем их слияния при столкновении. В этом методе используется низкотемпературная (от 4000 до 10 000 K) азотная, аммиачная, водородная, углеводородная, арго- новая плазма, которую создают с помощью дугового, тлеющего, вы- 19 1.2. Плазмохимический синтез соко- или сверхвысокочастотного разрядов. Характеристики получа- емых порошков зависят от используемого сырья, технологии синтеза и типа реактора. Часто частицы плазмохимических порошков являют- ся монокристаллами и имеют размеры от 10 до 200 нм и более. Плаз- мохимический синтез обеспечивает высокие скорости образования и конденсации соединения и отличается достаточно большой про- изводительностью. Главные недостатки плазмохимического синте- за — широкое распределение частиц по размерам, т. е. низкая селек- тивность процесса, а также высокое содержание примесей в порошке. Высокая температура плазмы обеспечивает переход всех исходных веществ в газообразное ионизированное состояние. Наличие ионов приводит к высоким скоростям взаимодействия и быстрому (от од- ной микросекунды до одной миллисекунды) протеканию реакций. На первом этапе плазмохимического синтеза происходит образова- ние активных частиц в дуговых, высокочастотных и сверхвысокоча- стотных плазменных реакторах. На следующем этапе в результате за- калки происходит выделение продуктов взаимодействия. Выбор места и скорости закалки позволяет получить порошки с заданными соста- вом, формой и размером частиц. Существуют различные варианты получения порошков плазмо- химическим способом: реагенты подаются в плазму в газообразном виде, в виде диспергированной жидкости, в виде порошка (взвешен- ных в потоке плазмы либо в медленно перемещающемся слое). Переработка газообразных соединений в плазме представляет наи- больший интерес с точки зрения задачи получения нанодисперсных порошков: — поскольку химические реакции образования целевого продук- та протекают в газовой фазе при очень высоких температурах, что обусловливает их высокую скорость и высокую производительность реактора; — продукты получаются в результате конденсации соединений из газовой фазы и, как правило, представляют нанодисперсные по- рошки; — исходное сырье может быть подвергнуто глубокой очистке, в ходе реакции оно не соприкасается со стенками реактора; — метод позволяет путем смешивания исходных паров получать на выходе сложные вещества, а также твердые растворы и композиты. |