Файл: Реферат Методы прессования нанопорошков По дисциплине Объемные наноструктурированные конструкционные материалы.docx

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Реферат

Методы прессования нанопорошков

По дисциплине: Объемные наноструктурированные конструкционные материалы



Выполнил: студент гр. МНММ-22 __________ /Хоришков Д.Г./

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

Проверил: доцент __________ /Ганзуленко О.Ю/

^{(подпись) (Ф.И.О.)}

Санкт-Петербург

2023 год

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Общепринято, что под ультрадисперсными материалами, или наноматериалами (НМ), подразумеваются намеренно сконструированные или природные материалы, в которых один или более размеров их структурных элементов лежат в диапазоне нанометров. К ним относятся нановолокна, нанопроволоки, нанопленки, нанопокрытия и объемные наноматериалы – нанокристаллические и нанозернистые (с размером зерен менее 100 нм) [1].

Наноструктурные материалы обладают уникальными свойствами вследствие проявления специфических размерных эффектов. По мере того, как размер зерен или частиц становится все меньше и меньше, все большая доля атомов структурного элемента оказывается на его границах или свободных поверхностях. Так, при размере структурных единиц 6 нм и толщине поверхностного слоя в один атом, почти половина атомов будет находиться на поверхности [2, 3].

Так как доля поверхностных атомов в наноструктурных материалах составляет десятки процентов, ярко проявляются все особенности поверхностных состояний и разделение свойств на «объемные» и «поверхностные» приобретает в какой-то мере условный характер. В таких материалах приобретают большее значение законы квантовой механики, проявляются аномалии поведения электронов, квазичастиц (фононов, плазмонов, магнонов) и других элементарных возбуждений, а это существенным образом изменяет механические, оптические и электрические свойства вещества, по сравнению с обычными материалами. Поэтому наносостояние рассматривают как особое состояние вещества между микромиром и макромиром [4].

---

Поведение наноструктурных материалов часто определяется процессами на границе частиц или зерен. Например, твердость наноструктуры должна возрастать с уменьшением размеров зерен. С другой стороны, при нанометровом размере большое значение имеет диффузионное скольжение нанокристаллитов и скорость деформации значительно возрастает. Таким образом, прочностные свойства наноматериала определяются соотношением между пределом текучести и скоростью деформации. Еще одним фактором увеличения скорости деформации следует считать возрастание коэффициента диффузии при уменьшении размера кластера. До известного предела твердость наноструктуры может превышать твердость крупнозернистых материалов в несколько раз. Такие результаты могут быть следствием зависимости твердости также и от структуры границ зерен [5].

Наноматериалы весьма условно можно разделить на несколько основных видов: консолидированные наноматериалы, нанополупроводники, нанополимеры, нанобиоматериалы, фуллерены и тубулярные наноструктуры, катализаторы, нанопористые материалы и супрамолекулярные структуры [6].

Перечисленные виды наноматериалов отличаются как по технологии изготовления, так и по функциональным признакам, их объединяет только характерный малый размер частиц, зерен, трубок, пор, определяющий структуру и свойства.

Особое внимание в пособии будет уделено технологии изготовления объемных поликристаллических наноматериалов (в частности, наноструктурной керамике), нанозерна (нанокристаллиты) которых находятся в консолидированном состоянии, а прочность межзеренных прослоек между ними довольно высока.

Выбор метода получения объемных наноматериалов определяется областью их применения и желательным набором свойств конечного продукта. Наряду с такими направлениями получения объемных консолидированных наноматериалов как контролируемая кристаллизация из аморфного состояния методом испарения и конденсации атомов и интенсивная пластическая деформация поликристаллических структур с обычным размером зерна, существуют различные способы компактирования нанопорошков в различных пресс-формах.

Наночастицы (нанопорошки (НП)) – это малоразмерные твердые вещества, геометрический размер которых изменяется от десятых долей до 100 нм. Понятия «наночастицы» и «нанопорошки» во многом перекрываются, но, конечно, следует иметь в виду возможный изолированный характер первых и обязательно совокупный вид последних [6].

---

Основной проблемой, возникающей при компактировании нанопорошков в процессах изготовления объемных консолидированных наноструктурных образцов, является неравномерное распределение плотности по объему порошковых изделий (прессовок). Этот недостаток способов прессования в закрытых жестких пресс-формах приводит к разрушению прессовок на стадиях их извлечения из пресс-форм либо к короблению (неравномерной усадке) изделий при их последующем спекании. Кроме того, указанный недостаток ограничивает номенклатуру сложности форм изготавливаемых этим способом изделий.

Традиционным для существующих порошковых технологий решением проблемы является введение пластифицирующих порошковую массу добавок (смазок, связок). Этот прием позволяет снизить силы пристенного и межчастичного трения в порошковом теле в процессе его уплотнения и создать благоприятные условия для максимально равномерного заполнения всей формообразующей полости пресс-формы. В результате равномерность распределения плотности по всему объему порошкового изделия может быть существенно увеличена.

Однако в технологии производства наноструктурных порошковых изделий данный прием оказывается малоэффективным. Одним из непременных условий формирования и высокого качества наноструктуры является высокая чистота исходного порошкового сырья, а также минимальное содержание остаточной пористости. При введении в порошковое сырье пластификаторов и связок происходит неизбежное загрязнение материала посторонними примесями, а в процессе последующего термического удаления этих примесей возникают предпосылки к возникновению остаточной пористости, исключить которую можно лишь длительным высокотемпературным спеканием, при котором происходят процессы рекристаллизации материала с ростом размера зерен и выходом из наноструктурного состояния.

Между тем известно, что для образования нанокристаллитов в керамике необходимо перед спеканием сохранить наноструктурное состояние в спрессованном порошке, избегая пластической деформации частиц НП в процессе прессования, и предотвращать рост зерен при спекании [7].

В настоящее время совершенствуются существующие методы консолидации порошков, их комбинации друг с другом (горячее прессование в жестких пресс-формах, горячее газостатическое прессование); также продолжаются разработки новых методов и способов получения объемных наноструктурных материалов.

1.Способы получения

---

Выбор метода получения наноматериалов определяется областью их применения, желательным набором свойств конечного продукта.

Характеристики получаемого продукта — гранулометрический состав и форма частиц, содержание примесей, величина удельной поверхности — могут колебаться в зависимости от способа получения в весьма широких пределах.

Так, в зависимости от условий получения, нанопорошки могут иметь сферическую, гексагональную, хлопьевидную, игольчатую формы, аморфную или мелкокристаллическую структуру.

Методы получения ультрадисперсных материалов разделяют на:

- химические,

- физические,

- механические,

- биологические.

1.1. Химические методы

Химические методы синтеза включают различные реакции и процессы, в том числе процессы:

- осаждения,

- термического разложения или пиролиза,

- газофазных химических реакций,

- восстановления,

- гидролиза,

- электроосаждения.

Регулирование скоростей образования и роста зародышей новой фазы осуществляется за счет изменения соотношения количества реагентов, степени пересыщения, а также температуры процесса. Как правило, химические методы — многостадийные и включают некий набор из вышепоименованных процессов и реакций.

Способ осаждения заключается в осаждении различных соединений металлов из растворов их солей с помощью осадителей.

Продуктом осаждения являются гидроксиды металлов.

В качестве осадителя используют растворы щелочей натрия, калия и другие.

Регулируя рН и температуру раствора, создают условия, при которых получаются высокие скорости кристаллизации и образуется высокодисперсный гидроксид.

Этим методом можно получать порошки сферической, игольчатой, чешуйчатой или неправильной формы с размером частиц до 100 нм.

Нанопорошки сложного состава получают методом соосаждения. В этом случае в реактор подают одновременно два или более растворов солей металлов и щелочи при заданной температуре и перемешивании.

В результате получают гидроксидные соединения нужного состава.

Способ гетерофазного взаимодействия осуществляют путем ступенчатого нагрева смесей твердых солей металлов с раствором щелочи с образованием оксидной суспензии и последующим восстановлением металла.

Таким способом получают металлические порошки с размером частиц в пределах 10...100 нм.

Гель-метод заключается в осаждении из водных растворов нерастворимых металлических соединений в виде гелей.

---

Следующая стадия — восстановление металла. Этот способ применяется для получения порошков железа и других металлов.

Способ восстановления и термического разложения — обычно это следующая операция после получения в растворе ультрадисперсных оксидов или гидроксидов с последующим осаждением и сушкой.

В качестве восстановителей, в зависимости от вида требуемого продукта, используют газообразные восстановители — как правило, водород, оксид углерода или твердые восстановители.

Нанопорошки Fе, W, Ni, Со, Сu и ряда других металлов получают восстановлением их оксидов водородом.

В качестве твердых восстановителей используют углерод, металлы или гидриды металлов. Таким способом получают нанопорошки металлов: Мо, Сr, Рt, Ni и другие. Как правило, размер частиц находится в пределах 10...30 нм.

Более сильными восстановителями являются гидриды металлов — обычно гидрид кальция. Так получают нанопорошки Zr, Hf, Та, Nb.

В ряде случаев нанопорошки получают путем разложения формиатов, карбонатов, карбонилов, оксалатов, ацетатов металлов в результате процессов термической диссоциации или пиролиза.

Так, за счет реакции диссоциации карбонилов металлов получают порошки Ni, Мо, Fе, W, Сr.

Путем термического разложения смеси карбонилов на нагретой подложке получают полиметаллические пленки. УДП металлов, оксидов, а также смесей металлов и оксидов получают путем пиролиза формиатов металлов.

Таким способом получают порошки металлов, в том числе Мn, Fе, Са, Zr, Ni, Со, их оксидов и металлооксидных смесей.

1.2. Физические методы

Способы испарения (конденсации), или газофазный синтез получения нанопорошков металлов, основаны на испарении металлов, сплавов или оксидов с последующей их конденсацией в реакторе с контролируемой температурой и атмосферой.

Фазовые переходы пар — жидкость — твердое тело или пар — твердое тело происходят в объеме реактора или на поверхности охлаждаемой подложки или стенок.

Сущность способа состоит в том, что исходное вещество испаряется путем интенсивного нагрева, с помощью газа-носителя подается в реакционное пространство, где резко охлаждается.

Нагрев испаряемого вещества осуществляется с помощью плазмы, лазера, электрической дуги, печей сопротивления, индукционным способом, пропусканием электрического тока через проволоку.

Возможно также бестигельное испарение. В зависимости от вида исходных материалов и получаемого продукта, испарение и конденсацию проводят в вакууме, в инертном газе, в потоке газа или плазмы.

---