Методы синтеза нанокристаллических порошков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Алтайский государственный университет»

Доклад

Методы синтеза нанокристаллических порошков

Дорохина Т.А.

Барнаул

2020

Содержание

Введение

1. Конденсация паров и газофазный синтез (испарение-конденсация)

2. Плазмохимический синтез

3. Электровзрыв

4. Химический синтез

5. Химико-металлургический синтез

6. Левитационно-струйный синтез

Приложение

Введение

нанопорошок нанокристаллический синтез

К настоящему времени разработаны различные способы получения нанопорошков, общим принципом которых является сочетание высокой скорости образования центров зарождения частицы с малой скоростью их роста. Гистограммы распределения частиц по размерам, структура и свойства в значительной степени определяются условиями формирования частиц и, следовательно, зависят от метода их получения. Основные требования к методам получения нанопрошков заключаются в возможности контроля и управления параметрами процесса, узком распределении частиц по размерам, воспроизводимости получения порошков контролируемой дисперсности, химического и фазового состава.

1. Конденсация паров и газофазный синтез (испарение-конденсация)

Газофазный синтез с конденсацией паров или метод испарения и конденсации - это метод получения нанопорошков металлов, сплавов, интерметаллидов или соединений путём конденсации их паров при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления. Преимуществом метода является возможность получения чистых порошков.

В отличии от испарения в вакууме, атомы вещества, испарённого в разреженной инертной атмосфере, быстрее теряют кинетическую энергию из-за столкновения с атомами газа и конденсируются в виде малых кристаллов, которые накапливаются на вертикально расположенном золотом пальце.

После этого инертный газ отказывается до P=1,3*10-4 Па и полученный слой материала соскабливают скрайбером в объём, где материал подвергается компактированию под давлением 2 ГПа. Приготовленные таким способом образцы представляют собой диски диаметром 8-10 мм и толщиной 0,1-1,0 мм с плотностью от 70 до 95% от теоретической плотности соответствующего материала.

Образование наночастиц происходит при охлаждении пара в зоне конденсации, которая тем больше, чем меньше давление газа. При одинаковом давлении газа переход от гелия к ксенону, т.е. от менее плотного инертного газа к более плотному, сопровождается ростом размера частиц в несколько раз.

Основной недостаток таких образцов - их пористость, которую при компактировании не удаётся уменьшить до стандартных величин. (см. Приложение)

2. Плазмохимический синтез

Плазмохимический метод позволяет получать нанопорошки тугоплавких металлов (Nb, Ta, Mo и др.), а такж таких соединений, как карбиды, нитриды, бориды, силициды и оксиды.

В плазмохимическом синтезе используется низкотемпературная азотная, аммиачная, углеводородная, аргоновая плазма дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысокочастотного разрядов. В качестве исходного сырья применяют элементы, их галогениды и другие соединения; от рода сырья зависят характеристики получаемых порошков.

Плазмохимический синтез обеспечивает высокие скорости образования и конденсации соединения и отличается достаточно высокой производительностью. Главные недостатки плазмохимического синтеза - широкое распределение частиц по размерам и низкая селективность процесса, а также высокое содержание примесей в порошке (продукты эрозии электродов). Порошки с малым содержанием примесей получают в безэлектродных высокочастотных и СВЧ - плазменных реакторах.

На первом этапе плазмохимического синтеза образуются активные частицы-реагенты, затем в результате закалки выделяются продукты взаимодействия. Выбор места и скорости закалки позволяет получить порошки с заданными составом, формой и размером частиц в пределах от 10 до 100 нм. Интенсивное охлаждение тормозит рост частиц и увеличивает скорость образования зародышей конденсированной фазы. (см. Приложение)

3. Электровзрыв

Электровзрыв - метод получения тонкодисперсных металлических, оксидных, нитридных и карбидных порошков с помощью электрического взрыва проводника (металлической проволоки диаметром 0,1-1,0 мм) при прохождении по нему мощного импульса тока длительностью 10-5-10-7 с и плотностью 104-106 А*мм-2.

Электровзрыв проводника представляет собой резкое изменение физического состояния металла в результате интенсивного выделения энергии при пропускании импульсного тока большой плотности. В результате прохождения импульса тока металл перегревается выше температуры плавления, расширение вещества взрываемого проводника возрастает, и перегретый металл взрывообразно диспергируется. Давление и температура на фронте возникающей ударной волны достигают нескольких сотен МПа и ~104 К, соответственно. В результате конденсации в потоке быстро расширяющегося пара образуются частицы очень малых размеров. Регулируя условия взрыва, можно получать порошки, размер частиц которых составляет от 50 нм и более. Средний размер частиц монотонно убывает с ростом плотности тока и сокращением длительности импульса.

Электровзрыв в инертной атмосфере позволяет получать порошки металлов и сплавов. При введении в реактор дополнительных реагентов (воздух, смесь кислорода и инертного газа, азот, дистиллированная вода и др.) можно получать ультрадисперсные порошки оксидов, нитридов, карбидов или их смесей. (см. Приложение)

4. Химический синтез

Перспективными химическими методами получения нанопорошков считаются методы разложения нестабильных соединений, осаждения из растворов, жидкофазного восстановления, газофазных реакций, гидротермального синтеза, а также микроэмульсионный, криохимический и золь-гель методы.

В случае метода химического осаждения после приготовления растворов солей металлов создают подходящие условия для осаждения и добавляют вещество-осадитель и проводят осаждение порошка оксида металла при отделении осадка гидрооксида. Условия осаждения регулируют путем изменения рН, температуры, добавления буферных растворов. В качестве осадителя наиболее часто используют растворы аммиака, углекислый аммоний, щавелевую кислоту, оксалат аммония, а в качестве осаждаемых веществ предпочтительно используют растворимые азотнокислые соли. В результате получают нанопорошки оксидов. При необходимости путем их термообработки в восстановительной среде можно получать металлические нанопорошки. Метод нашел достаточно широкое применение для получения многокомпонентных порошков, когда из многокомпонентных растворов осаждают сразу несколько соединений. Основным недостатком метода является использование больших объемов, значительное содержание примесей в порошках и большой разброс частиц по размерам.

Метод жидкофазного восстановления из растворов используется для получения только нанопорошков металлов с невысокими значениями восстановительного потенциала (медь, серебро, никель). Он заключается в приготовлении раствора органической соли металла с последующим добавлением сильного восстановителя и отделением выпавшего в осадок металлического нанопорошка. Размер частиц получаемого порошка составляет 20-40 нм и разброс частиц по размеру очень низкий. Примером использования этого метода может служить получение нанопорошка меди при использовании водного раствора гидразингидрата с сульфатом лития и раствора нитрата меди в 4-метилпентаноле. Эти растворы смешивают и получают эмульсию, после расслоения которой нанопорошок меди находится в органической фазе. Для получения собственно порошка ее отделяют, фильтруют и сушат.

Метод гидротермального синтеза использует химические реакции гидротермального разложения и окисления, которые протекают в водных средах при повышенных температурах (100-370 оС) и давлениях (до 100 МПа). Метод позволяет получать нанопорошки оксидов с узким разбросом частиц по размерам. недостатком метода является высокая стоимость и сложность оборудования, а также периодичность процесса синтеза.

Криохимический метод получения нанопорошков оксидов металлов заключается в растворении солей, быстром замораживании полученных растворов, сублимации растворителя и термическом разложении остатка.

Микроэмульсионный метод включает в себя следующие ступени:

приготовление эмульсии из двух несмешивающихся жидкостей - водного раствора и масла, осаждения гидрооксида металла в пределах капель водной фазы путем добавления органического осадителя, разделение компонентов, сушка продукта осаждения.

Золь-гель процесс был разработан специально для получения оксидной керамики. Процесс включает в себя следующие стадии: приготовление растворов алкоксидов, их каталитическое взаимодействие с последующим гидролизом, конденсационная полимеризация, дальнейший гидролиз. В качестве продукта процесса получают оксидный полимер (гель). Его подвергают старению, промывке, сушке и термообработке. Недостатком метода является сложность аппаратурного оформления, а достоинством -

высокие чистота и однородность синтезированных соединений, а также возможность получения разнообразных нанопорошков.

Способ газофазных реакций заключается в использовании химических реакций паров соединений металлов, гомогенном образовании зародышей из газовой фазы и дальнейшем их росте. При этом можно использовать реакции термического разложения соответствующих газообразных соединений на твёрдые и газообразные вещества. В качестве исходного сырья в основном применяются хлориды металлов, а также оксихлориды, алкоксиды и алкильные соединения. Размер получаемых частиц зависит от температуры пламени или плазмы и скорости охлаждения.

5. Химикометаллургический синтез

Этот метод заключается в синтезе маловодных гидрооксидов (методом гетерофазного взаимодействия) и их термообработке в восстановительной среде (например, в водороде), в случае получения металлических (или металлокерамических) порошков, или на воздухе в случае получения оксидных порошков. Такой метод позволяет получать нанопорошки узкого фракционного состава с низким содержанием примесей и не требует использования дорогого технологического оборудования.

6. Левитационно-струйный синтез

Важной особенностью такого метода является испарение металла в потоке инертного газа, например, из непрерывно подпитываемой и разогреваемой высокочастотным электромагнитным полем жидкой металлической капли. С увеличением скорости потока газа средний размер частиц уменьшается от 500 до 10 нм, а распределение частиц по размеру сужается. (см. Приложение)

Приложения

Приложение 1

Концентрация паров и газофазный синтез. Схема установки

Установка для получения нанопорошков газофазного синтеза

Приложение 2

Плазмохимический синтез

Приложение 3

Электровзрыв

Установка для получения нанопорошков методом электровзрыва проводников

Приложение 4

Левитационно-струйный синтез

Установка для получения нанопорошков левитационно-струйным методом

Размещено на Allbest.ru