Механический синтез, детонационный синтез, электрический взрыв проводников как способы получения наноматериалов

§ 1.4. Механический синтез, детонационный синтез, электрический взрыв проводников как способы получения наноматериалов

Детонационный синтез

Данным  методом наночастицы получают в плазме, образованной в процессе взрыва бризантных взрывчатых веществ (ВВ) во взрывной камере (детонационной трубе).

В зависимости  от мощности и типа взрывного устройства ударно-волновое взаимодействие на материал осуществляется за очень короткий промежуток времени (десятые доли микросекунд) при температуре более 3000 К и давлении в несколько десятков гектопаскалей. При таких условиях возможен фазовый переход в веществах с образованием упорядоченных диссипативных наноразмерных структур.

Ударно-волновой метод наиболее эффективен для материалов, синтез которых осуществляется при  высоких давлениях, например, порошков алмаза, кубического нитрата бора и других.

При взрывном превращении конденсированных ВВ с отрицательным кислородным балансом (смесь тротила и гексогена) в продуктах реакции присутствует углерод, из которого и образуется алмазная дисперсная фаза с размером частиц порядка 4-5 нм.

Подвергая ударно-волновому воздействию от заряда ВВ пористые структуры различных металлов и их солей, гели гидрооксидов металлов, можно получать нанопорошки оксидов Al, Mg, Ti, Zn, Si и другие.

Достоинством  метода ударно-волнового синтеза  является возможность получения  нанопорошков различных соединений не только обычных фаз, но и фаз высокого давления. Вместе с тем практическое применение способа требует специальных помещений и технологического оборудования для проведения взрывных работ.

Механохимический  синтез

При этом способе обеспечивают механическую обработку твердых тел, в результате которой происходят измельчение  и пластическая деформация веществ. Измельчение материалов сопровождается разрывом химических связей, что предопределяет возможность последующего образования  новых химических связей, то есть протекание механохимических реакций.

Механическое  воздействие при измельчении  материалов является импульсным; при  этом возникновение поля напряжений и его последующая релаксация происходят не в течение всего  времени пребывания частиц в реакторе, а только в момент соударения частиц и в короткое время после него.

Механическое  воздействие бывает не только импульсивным, но и локальным, так как происходит не во всей массе твердого вещества, а лишь там, где возникает и  затем релаксирует поле напряжений.

Воздействие энергии, выделяющей при высокой  степени неравновесности во время удара или истирания, из-за низкой теплопроводности твердых тел приводит к тому, что какая-то часть вещества находится в виде ионов и электронов – в состоянии плазмы. Механохимические процессы в твердом теле можно объяснить с использованием фононной теории разрушения хрупких тел (фонон – квант энергии упругих колебаний кристаллической решетки).

Механическое  измельчение твердых материалов осуществляют в мельницах сверхтонкого измельчения (шаровых, планетарных, вибрационных, струйных). При взаимодействии рабочих  органов с измельчаемым материалом возможен его локальный кратковременный  разогрев до высоких (плазменных) температур, получение которых в обычных  условиях осуществляется при высоких  температурах.

Механическим  способом можно получать нанопорошки с размером частиц от 200 до 5-10 нм. Так, при помоле смеси металла и углерода в течении 48 часов были получены частицы TiC, ZrC, VC и NbC с размером 7-10 нм. В шаровой мельнице из смеси порошков вольфрама углерода и кобальта с исходным размером частиц около 75 мкм за 100 часов были получены частицы нанокомпозита WC-Co с размером частиц 11-12 нм.

Электрический взрыв проводников (ЭВП)

Для производства нанопорошков в настоящее время используется метод электрического взрыва проводников (ЭВП). Особый интерес ЭВП представляет как метод получения порошков металлов с высокой химической активностью. По данным ряда исследователей, вследствие экстремальных условий образования электровзрывных наночастиц (высокие температуры и скорость процесса) при ЭВП возможно формирование неравновесной структуры дисперсной фазы.

Характерными  особенностями нанопорошков, получаемых ЭВП - технологией, являются:

• сравнительно небольшой, по сравнению с другими физическими методами, разброс частиц по размерам;
• относительная стабильность свойств нанопорошков в нормальных условиях и высокая активность в различных химических процессах;
• низкие температуры спекания наночастиц.

Применение  нанопорошков, полученных ЭВП - технологией открывает для учёных, инженеров и технологов широчайшие возможности в области создания новейших материалов и технологий, принципиально новых приборов и устройств.

По мнению экспертов, применение нанопорошков позволит существенно улучшить параметры существующих технологических процессов и создать новые технологии. Используя нанопорошки, например как добавки, можно значительно улучшить качество многих продуктов — лекарств, смазочных материалов, топлив, полимеров, фильтров, геттеров, присадок к смазочным материалам, красящих и магнитных пигментов, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др.

Пример установки для получения  нанопорошков методом ЭВП изображён на  рисунке:

  Элементы установки собраны в два блока: генератор импульсов электрической энергии и модуль по производству нанопорошка.

Работа установки происходит следующим образом: от высоковольтного источника питания - 1 заряжается ёмкостной накопитель энергии - 2. Механизм подачи проволоки - 3 обеспечивает автоматическую установку взрываемого отрезка проволоки - 4 между двумя электродами. Как только отрезок проволоки займет заданное положение, включается коммутатор - 5, происходит разряд накопителя на этот отрезок проволоки, и он взрывается. Образовавшийся порошок собирается в накопителе - 6, пассивируется и поступает на дальнейшую переработку. Объем камеры - 7 вакуумируется, а затем заполняется газовой атмосферой. Эти функции выполняет система газового снабжения - 8.

В качестве газовой атмосферы используются инертные газы, преимущественно аргон. В некоторых случаях предпочтительнее применение водорода, азота или смеси  газов, например, аргон + кислород.

Параметры установки:

Через отрезок металлической проволоки (фольги) пропускается импульс тока, под действием которого проволока  разрушается на мельчайшие частички и пар. Разлетаясь с большой скоростью, продукты разрушения быстро охлаждаются и образуется высокодисперсный порошок.

В зависимости от рода газа, окружающего  разрушаемую проволоку, можно получать порошки металлов, сплавов, порошки  химических соединений или порошки композиционных составов. При этом, композиционными являются отдельные частицы. Дисперсность порошка, структура частиц и другие свойства определяются параметрами разрядного контура, материалом и геометрическими размерами проволоки (фольги) и характеристиками газовой среды, в которой производится взрыв. Технологический процесс осуществляется в замкнутом объеме, без использования вредных химических веществ и при очень малом расходе инертных газов. Причем расход газов, в основном, связан не с производством порошка, а с его транспортировкой, упаковкой и другими последующими операциями.