Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков Использование шаровой вибромельницы для 300-часового размо- ла смесей металлических порошков позволило получить нанокристал- лические ОЦК-сплавы Fe-Ni и Fe-Al с размером зерен от 5 до 15 нм. Из крупнозернистого (с частицами размером меньшим либо равным 45 мкм) порошка Ni 3 Al с помощью механического размола получен аморфный нанокристаллический порошок Ni 3 Al. Интерметаллический порошок имел упорядоченную кубическую структуру типа Cu 3 Au (L1 2 ) с параметром дальнего порядка, равным 0.96. Механический размол крупнозернистого порошка в шаровой мельнице в течение 5 ч привел к исчезновению сверхструктурных отражений на его рентгенограм- ме, т. е. к полному разупорядочению порошка, и к уширению струк- турных отражений гранецентрированной кубической решетки. После 5 ч размола средний размер кристаллитов составлял 19 нм, а значение микродеформаций –0.02 %. Увеличение продолжительности размо- ла до 50 ч привело к дальнейшему уширению наиболее интенсивных структурных отражений (111) и (200), и исчезновению других струк- турных отражений, и уменьшению размера областей когерентного рассеяния до 8 нм. Изучение размолотого порошка с помощью скани- рующей и просвечивающей электронной микроскопии показало, что размер наночастиц лежит в пределах от 2 до 3 нм, а электронная диф- ракция на наночастицах характерна для аморфного состояния. Таким образом, механический размол крупнозернистого порошка упорядо- ченного интерметаллида Ni 3 Al привел сначала к его разупорядочению (образование неупорядоченного ГЦК-сплава со структурой типа A1), затем к образованию нанокристаллического ГЦК-сплава и на послед- ней стадии размола к получению аморфного порошка Ni 3 Al со сред- ним размером наночастиц около 2 нм. Механохимический синтез может быть совмещен с получением на- ноструктурированной смеси. В заполненной аргоном шаровой мель- нице после 100 ч размола смеси крупнозернистых (около 75 мкм) порошков вольфрама, графита и кобальта получается нанострукту- рированная смесь WC-Co из зерен кобальта и карбида вольфрама со средним размером 12 нм. В твердом сплаве, полученном холодным прессованием и последующим спеканием этой смеси при 1310 K, боль- шинство зерен карбида WC имело размер менее 200 нм, т. е. в несколь- ко раз меньше, чем в обычных сплавах того же состава. Спеченные об- разцы твердого сплава имели твердость около 18 ГПа и относительную 45 1.6. Механохимический синтез плотность, равную 80 % от теоретической плотности. Спекание нано- структурированной порошковой смеси WC-Co при более низкой тем- пературе, чем такой же крупнозернистой смеси, является следствием меньшей температуры плавления нанокристаллического Co по срав- нению с крупнозернистым Со. Порошки металлического титана и графита, взятые в соотноше- нии, обеспечивающем получение состава Ti 44 C 56 , были смешаны в сап- фировой шаровой мельнице при комнатной температуре в атмосфе- ре аргона. После 2000 с размола на рентгенограмме реагирующей смеси наблюдались только широкие отражения, соответствующие Ti и C. После 11 кс размола отражения, соответствующие графиту, поч- ти исчезли, а после 15 кс размола появились отражения новой куби- ческой фазы со структурой B1 — карбида титана. Увеличение време- ни размола до 40 кс привело к полному исчезновению сохранявшихся дифракционных отражений металлического титана и к увеличению интенсивности отражений карбида титана. Дальнейшее увеличение продолжительности размола привело к увеличению механической деформации частиц порошка и резкому уменьшению размера зерен, о чем можно судить по заметному уширению дифракционных отраже- ний. Размол в течение 720 кс привел к формированию нанокристалли- ческого карбида титана и последующее увеличение времени размола до 1 Мс не привело к наблюдаемым изменениям полученного карбида. В процессе образования нанокристаллического карбида титана можно выделить четыре стадии. Исходный порошок представляет собой случайно распределенные частицы разного размера и формы. На первой стадии (время размола до 11 кс) происходит образование очень крупных композитных частиц Ti/C средним размером около 1 мм. Металлографическое исследование показало, что эти части- цы состоят из множества слоев титана и углерода. Вторая стадия раз- мола продолжительностью от 11 до 20 кс представляет собой твердо- фазную реакцию, во время которой титан и углерод почти полностью реагируют между собой и образуются крупные зерна карбида тита- на размером от 800 до 1000 нм. На третьей стадии продолжительно- стью от 20 до 80 кс в результате интенсивного измельчения крупных зерен карбида титана образуется тонкодисперсный порошок с доста- точно широким распределением зерен по размеру — от 5 до 100 нм диаметром; зерна карбида титана объединены в частицы размером |