Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов разложения термопластических веществ с материалом порошка, обе- спечение свободного удаления смеси при выжигании). Поэтому дан- ный метод ограниченно используется для получения небольших спе- циальных деталей сложной формы с толщиной стенок менее 10 мм. Вариантом метода является использование водной суспензии порош- ка. Суспензию отливают в форму, а затем замораживают. Просушка заготовки осуществляется в замороженном виде, а затем проводится процесс спекания. Следует отметить, что необходимым условием формирования на- ноструктуры при спекании компактов нанопорошков является обе- спечение высокой скорости уплотнения, которая достигается при наи- меньших размерах пор. Создание плотных прессовок с равномерной плотностью по объему является сложной задачей, поскольку нано- кристаллические порошки плохо прессуются. Физической причиной плохой прессуемости нанопорошков являются межчастичные адге- зионные силы, относительная величина которых резко возрастает с уменьшением размера частиц, а значит, и существенно возрастает компонента межчастичного трения в прессуемом порошковом теле. В то же время для нанопорошков характерна низкая насыпная плот- ность вследствие большого объема сорбированных газов. Количество физически и химически сорбированных газов в нанопорошках метал- лов и их оксидов может достигать 20 об. %. Отсюда возникают особые требования к хранению, технологической подготовке и применению нанопорошков на всех этапах порошковой технологии. Однако высокая поверхностная активность нанопорошков из-за большой доли поверхностных атомов в наночастицах должна приво- дить к более высоким коэффициентам диффузии при механоактива- ции и спекании, к снижению температуры эффективного протекания этих процессов. Однако на практике возникает проблема сохранения наноструктуры компактов до спекания, т. е. предотвращения интен- сивной агломерации наночастиц при высоких давлениях прессования, чтобы сохранить центры зародышеобразования нанозерен перед спе- канием и предотвратить рост зерен в процессе спекания. Дисперсность порошков оказывает на их уплотняемость гораздо большее влияние, чем их физико-механические свойства. Например, в ультрадисперсном состоянии порошки пластичного никеля и хруп- кого нитрида кремния прессуются практически одинаково, несмотря 71 2.1. Компактирование нанопорошков на различия их свойств. Тем не менее тип нанопорошка имеет суще- ственное значение для описания процесса их прессования и разра- ботки методов компактирования. Именно поэтому традиционные методы статического прессования не приводят к достаточно высокой плотности прессовок. Метод получения компактных нанокристаллических материалов заключается в конденсации наночастиц в атмосфере разреженного инертного газа, осаждении наночастиц на холодную поверхность вра- щающегося цилиндра, соскребании наночастиц с поверхности цилин- дра в коллектор. После откачки инертного газа из камеры в вакууме проводится предварительное (под давлением около 1 ГПа) и оконча- тельное (под давлением до 10 ГПа) прессование нанокристалличе- ского порошка. Такой метод получения плотных трехмерных (3D) наноматералов называется методом Гляйтера. На установках получа- ют пластинки диаметром от 5 до 15 мм и толщиной от 0.2 до 3.0 мм с плотностью от 70 до 90 % от теоретической плотности соответству- ющего материала. В частности, для нанокристаллических металлов плотность доходит до 97 %, а для нанокерамики — до 85 %. Получен- ные этим способом компактные наноматериалы в зависимости от ус- ловий испарения и конденсации состоят из частиц со средним раз- мером D от 1 до 100 нм. Исключение контакта с окружающей средой при получении нанопорошка и его прессовании позволяет избежать загрязнения компактных нанокристаллических образцов, что весьма важно при изучении наносостояния металлов и сплавов. Описанную аппаратуру можно применять для получения компактных нанокри- сталлических оксидов и нитридов. В этом случае металл испаряется в кислород- или азотсодержащую атмосферу. Пористость нанокерамики, полученной компактированием по- рошков, в первую очередь обусловлена порами, расположенными в тройных стыках кристаллитов и на границах зерен. Уменьшение дисперсности порошков сопровождается заметным снижением их уплотняемости при прессовании с одинаковым значением давления. Равномерное распределение пористости достигается прессованием при такой повышенной температуре, которая еще не приводит к ин- тенсивной рекристаллизации. Так, обычное спекание высокодисперс- ного порошка оксида циркония размером частиц от 40 до 60 нм при 1370 K в течение 10 с позволяет достичь относительной плотности |