Методы получения наноматериалов

Нанотехнология как область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования и анализа. Механическое воздействие при измельчении материалов. Метод «песочных часов».

Рубрика	Химия
Вид	реферат
Язык	русский
Дата добавления	29.06.2014
Размер файла	19,2 K

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сотовая связь, сеть подвижной связи

Частица (Элементарная частица)

Микробы или Микроорганимзмы

Нанотехнология — область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Основой всех нано технологий является способность четырехвалентных элементов (чаще всего углерода) образовывать многоатомные, а затем и многомолекулярные структуры. Такие структуры чаще всего обладают специфическими (в зависимости от состава, формы полученной молекулы и других ее параметров) свойствами, не присущими никаким другим известным соединениям, что делает их такими интересными для науки и открывает огромные области для применения наномолекул и в целом нанотехнологий. нанотехнология техника материал

Так, например, оказалось, что наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства, например, сверхтонкие пленки органических материалов применяют для производства солнечных батарей.

В свою очередь способность четырехвалентных элементов, например, углерода, образовывать четыре связи с другими атомами объясняется с точки зрения физики наличием четырех валентных электронов на внешнем энергетическом уровне.

Конечно, следует сказать, что такое объяснение не совсем раскрывает вопрос и является скорее химическим, а не физическим. Но если капнуть дальше можно увидеть что в основе всего лежит физическое явление, которое объясняет образование связей между атомами.

Так же заметим, современное описание химической связи проводится на основе именно квантовой механики которая является разделом физики. Химическая связь определяется взаимодействием между заряженными частицами (ядрами и электронами). Такое взаимодействие называется электромагнитным.

Методы получения наноматериалов делятся на механические, физические, химические и биологические. Т.е. в основе данной классификации лежит природа процесса синтеза наноматериалов. В основе механических методов получения лежит воздействие больших деформирующих нагрузок: трения, давления, прессования, вибрации, кавитационные процессы и т.п. Физические методы получения основываются на физических превращениях: испарении, конденсации, возгонке, резком охлаждении или нагреве, распылении расплава и т.п. (Для полноты классификации и для справки) К химическим относятся методы, основным диспергирующим этапом которых являются: электролиз, восстановление, термическое разложение. Биологические методы получения основаны на использовании биохимических процессов, происходящих в белковых телах.

Механические методы Механическое воздействие при измельчении материалов является импульсным, т.е. 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 является также и локальным, так как происходит не во всей массе твёрдого вещества, а там, где возникает и затем релаксирует поле напряжений. Благодаря импульсности и локальности в небольших областях материала в течение короткого времени сосредотачиваются большие нагрузки. Это приводит к возникновению в материале дефектов, напряжений, полос сдвига, деформаций, трещин. В результате происходит измельчение вещества, ускоряется массоперенос и перемешивание компонентов, активируется химическое взаимодействие твёрдых реагентов. В результате механического истирания и механического сплавления может быть достигнута более высокая взаимная растворимость некоторых элементов в твёрдом состоянии, чем возможна в равновесных условиях. Размол проводится в шаровых, планетарных, вибрационных, вихревых, гироскопических, струйных мельницах, аттриторах. Измельчение в этих устройствах происходит в результате ударов и истирания.Разновидностью метода механического измельчения является механохимический способ. При тонком измельчении смеси различных компонентов между ними ускоряется взаимодействие. Кроме того, возможно протекание химических реакций, которые при контакте, не сопровождающемся измельчением, вообще не происходят при таких температурах. Эти реакции называются механохимическими. С целью формирования наноструктуры в объемных материалахиспользуют специальные механические схемы деформирования, которые позволяют достичь больших искажений структуры образцов при относительно низких температурах.Соответственно, к интенсивной пластической деформации относятся следующие методы:

— кручение под высоким давлением;

— равноканальное угловое прессование (РКУ-прессование);

— метод всесторонней ковки;

— равноканальная угловая вытяжка (РКУ-вытяжка);

— метод «песочных часов»;

— метод интенсивного трения скольжением.

В настоящее время большинство результатов получено первыми двумя методами. В последнее время разрабатываются методы получения наноматериалов с использованием механического воздействия различных сред. К этим способам относятся кавитационно-гидродинамический, вибрационный способы, способ ударной волны, измельчение ультразвуком и детонационный синтез.

Кавитационно-гидродинамический метод служит для получения суспензий нанопорошков в различных дисперсионных средах. Кавитация — от лат. слова «пустота» — образование в жидкости полостей (кавитационных пузырьков или каверн), заполненных газом, паром или их смесью. В ходе процесса кавитационные эффекты, вызванные образованием и разрушением парогазовых микропузырьков в жидкости в течение 10-3 — 10-5 с при давлениях порядка 100 — 1000 МПа, приводят к разогреву не только жидкостей, но и твёрдых тел. Это воздействие вызывает измельчение частиц твёрдого вещества.

Измельчение ультразвуком также основано на расклинивающем действии кавитационных ударов. В основе вибрационного метода получения наноматериалов лежит резонансная природа эффектов и явлений, которые обеспечивают минимальные энергозатраты при проведении процессов и высокую степень гомогенизации многофазных сред. Принцип действия заключается в том, что какой-либо сосуд подвергается вибрационному воздействию с определённой частотой и амплитудой.

Наночастицы алмаза можно получать детонационным синтезом. В способе используется энергия взрыва, при этом достигается давление в сотни тысяч атмосфер и температуры до нескольких тысяч градусов. Эти условия соответствуют области термодинамической устойчивости фазы алмаза. К физическим методам получения УД материалов относятся методы распыления, процессы испарения-конденсации, вакуум-сублимационная технология, методы превращений в твёрдом состоянии.

Метод распыления струи расплава жидкостью или газом заключается в том, что тонкая струя жидкого материала подается в камеру, где разбивается в мелкие капли потоком сжатого инертного газа или струей жидкости. В качестве газов в этом методе используют аргон или азот; в качестве жидкостей — воду, спирты, ацетон, ацетальдегид. Формирование наноструктур возможно способом закалки из жидкого состояния или спиннингованием. Способ состоит в получении тонких лент с помощью быстрого (не менее 106 К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана.

Физические методы. Методы испарения-конденсации основаны на получении порошков в результате фазового перехода пар — твёрдое тело или пар — жидкость — твёрдое тело в газовом объёме либо на охлаждаемой поверхности.

Сущность метода состоит в том, что исходное вещество испаряется путём интенсивного нагрева, а затем резко охлаждается. Нагрев испаряемого материала может осуществляться различными способами: резистивным, лазерным, плазменным, электрической дугой, индукционным, ионным. Процесс испарения-конденсации можно проводить в вакууме или среде нейтрального газа. Электрический взрыв проводников проводят в аргоне или гелии при давлении 0,1 — 60 МПа. В этом методе тонкие проволочки металла диаметром 0,1 — 1 мм помещают в камеру и импульсно подают к ним ток большой силы.

Продолжительность импульса 10-5 — 10-7 с, плотность тока 104 — 106 А/мм2. При этом проволочки мгновенно разогреваются и взрываются. Образование частиц происходит в свободном полёте. Вакуум-сублимационная технология получения наноматериалов включает три основные стадии. На первой стадии готовится исходный раствор обрабатываемого вещества или нескольких веществ. Вторая стадия — замораживания раствора — имеет целью зафиксировать равномерное пространственное распределение компонентов, присущее жидкости для получения минимально возможного размера кристаллитов в твёрдой фазе. Третья стадия — удаление из замороженного раствора кристаллитов растворителя путём его возгонки.

Существует ряд методов получения наноматериалов, в которых диспергирование осуществляется в твёрдом веществе без изменения агрегатного состояния. дним из способов получения массивных наноматериалов является способ контролируемой кристаллизации из аморфного состояния. Метод предполагает получение аморфного материала закалкой из жидкого состояния, а затем в условиях контролируемого нагрева проводится кристаллизация вещества. В настоящее время наиболее распространенным методом получения углеродных нанотрубок является метод термического распыления графитовых электродов в плазме дугового разряда.

Процесс синтеза осуществляется в камере, заполненной гелием под высоким давлением. При горении плазмы происходит интенсивное термическое испарение анода, при этом на торцевой поверхности катода образуется осадок, в котором формируются нанотрубки углерода. Образующиеся многочисленные нанотрубки имеют длину порядка 40 мкм. Они нарастают на катоде перпендикулярно плоской поверхности его торца и собраны в илиндрические пучки диаметром около 50 мкм.

Пучки нанотрубок регулярно покрывают поверхность катода, образуя сотовую структуру. Ее можно обнаружить, рассматривая осадок на катоде евооруженным глазом. Пространство между пучками нанотрубок заполнено смесью неупорядоченных наночастиц и одиночных нанотрубок. Содержание нанотрубок в углеродном осадке (депозите) может приближаться к 60%.

Согласно небольшому исследованию, проведенному мной по современным технлогиям которые вводятся в производстве одежды, могу сказать, что некоторые технологии уже активно используются при создании материалов для одежды и обуви, но что касается био- и нанотехнологий, пока информации о подобных эксперементах, таких как Olivia Ong, очень мало и она достаточно редко встречается в сети. Я нашел около 10 примеров упоменания использования наноматериалов в создании одежды.
…Необычная одежда разработана японской исследовательской группой Life BEANS…

…или Кричевский Герман Евсеевич, профессор, доктор технических наук, заслуженный деятель РФ, эксперт ЮНЕСКО, академик РИА и МИА, Лауреат Госпремии МСР рассказывает в статье для сайта nanonewsnet.ru о своем опыте внедрения нанотехнологий на текстильных производствах…

…Китайские ученые создали наноткань, которая сама очищается под воздействием солнечного излучения.

…Португалии разрабатывают новые материалы и устройства, которые являются последним словом в инновациях в рамках Европейского научно-исследовательского проекта DEPHOTEX…

И несколько других упоминаний других проектов.

К сожалению, не смотря на некоторые успехи в области био- и нанотехнологий и даже конкретно области одежды, получаемая продукция остается непомерно дорогой как для производителя так и для покупателя поэтому нанотехнологичная одежда пока не готова производиться в более крупных количествах. Сегодня эта область активно развивается и остается перспективным направлением в области нанотехнологий.

По прогнозам некоторых ученых важность доступность высоких технологий в будущем будет достигаться за счет поиска рациональных методов и технологий получения различных наноматериалов и в конечном счете приведет к повсеместной замене обычных материалов на те которые были получены с применением высоких технологий.

Лидером в исследовании методов получения наноматериалов является НГТУ и ТПУ в частности кафедра Биотехнологии на базе Института Физики Высоких Технологий.

Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Общие сведения о методах получения наночастиц. Основные процессы криохимической нанотехнологии. Приготовление и диспергирование растворов. Биохимические методы получения наноматериалов. Замораживание жидких капель. Сверхзвуковое истечение газов из сопла.

курсовая работа [2,9 M], добавлен 21.11.2010

Исследование особенностей объемных наноструктурных материалов. История развития нанотехнологий. Причины широкого интереса к нанотехнологиям и наноматериалам. Методы получения нанопорошков. Плазмохимический и криохимический синтез. Продукты криотехнологии.

презентация [2,3 M], добавлен 25.12.2015

Фуллерит как кристалл из больших молекул углерода Сn-фуллеренов. Знакомство с основными особенностями нанокристаллических материалов, анализ преимуществ: высокая вязкость, повышенная износостойкость. Характеристика механических свойств наноматериалов.

реферат [1,2 M], добавлен 20.05.2014

Группа методов количественного химического анализа, основанных на использовании электролиза (электрохимические методы анализа). Особенности электрогравиметрического метода, его сущность и применение. Основная аппаратура, метод внутреннего электролиза.

реферат [234,5 K], добавлен 15.11.2014

Нанокатализ как быстро развивающейся область науки, которая включает использование наноматериалов в качестве катализаторов для различных процессов катализа. Особенности производства наноразмерных катализаторов со 100% селективностью и высокой активностью.

реферат [23,6 K], добавлен 06.01.2014

Источник

Понятие о наноматериалах

Основы классификации и типы структур наноматериалов. Получение наночастиц высокочастотным индукционным нагревом и химическими методами. Основные технологии получения наноматериалов: аморфизация, пластическая деформация, порошковая металлургия и др.

Рубрика	Производство и технологии
Вид	курсовая работа
Язык	русский
Дата добавления	11.09.2015
Размер файла	3,8 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Понятие о наноматериалах. Основы классификации и типы структур наноматериалов

1.1 Терминология

1.2 Получение наночастиц

1.2.1 Высокочастотный индукционный нагрев

1.2.2 Химические методы

1.3 Основы классификации наноматериалов

2. Основные технологии получения наноматериалов

2.1 Методы порошковой металлургии

2.2 Основные типы структур наноматериалов

2.2.1 Методы получения нанопорошков

2.3 Методы с использованием аморфизации

2.4 Методы с использованием интенсивной пластической деформации

2.5 Методы с использованием технологий обработки поверхности

Заключение

В настоящее время немногие знают, что такое нанотехнология, хотя за этой наукой стоит будущее. Главной целью моей работы является ознакомление с нанотехнологией. Также я хочу выяснить применение этой науки в различных отраслях и узнать, могут ли нанотехнологии быть опасны для человека.

Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, появилась сравнительно недавно. Перспективы этой науки грандиозны. Сама частица «нано» означает одну миллиардную долю какой-либо величины. Например, нанометр — одна миллиардная доля метра. Эти размеры схожи с размерами молекул и атомов. Точное определение нанотехнологий звучит так: нанотехнологии — это технологии, манипулирующие веществом на уровне атомов и молекул (поэтому нанотехнологии называют также молекулярной технологией).

Разработку новых материалов и технологий их получения и обработки в настоящее время общепризнанно относят к т.н. «ключевым» или «критическим» аспектам основы экономической мощи и обороноспособности государства. Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.

К наноматериалам условно относят дисперсные и массивные материалы, содержащие структурные элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Среди основных составляющих науки о наноматериалах и нанотехнологиях можно выделить следующие:

1) фундаментальные исследования свойств материалов на наномасштабном уровне;

2) развитие нанотехнологий как для целенаправленного создания наноматериалов, так и поиска и использования природных объектов с наноструктурными элементами, создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки;

3) развитие средств и методов исследования структуры и свойств наноматериалов, а также методов контроля и аттестации изделий и полуфабрикатов для нанотехнологий.

Начало XXI века ознаменовалось революционным началом развития нанотехнологий и наноматериалов. Они уже используются во всех развитых странах мира в наиболее значимых областях человеческой деятельности (промышленности, обороне, информационной сфере, радиоэлектронике, энергетике, транспорте, биотехнологии, медицине). Анализ роста инвестиций, количества публикаций по данной тематике и темпов внедрения фундаментальных и поисковых разработок позволяет сделать вывод о том, что в ближайшие 20 лет использование нанотехнологий и наноматериалов будет являться одним из определяющих факторов научного, экономического и оборонного развития государств. Некоторые эксперты даже предсказывают, что XXI века будет веком нанотехнологий ( по аналогии с тем как XIX век называли веком пара, а XX век — веком атома и компьютера).

Такие перспективы требуют оперативного внедрения в образовательные программы дисциплин, необходимых для подготовки специалистов, способных эффективно и на современном уровне решать фундаментальные и прикладные задачи в области наноматериалов и нанотехнологий.

1. Понятие о наноматериалах. Основы классификации и типы структур наноматериалов

Терминология по наноматериалам и нанотехнологиям в настоящее время только устанавливается. Существует несколько подходов к тому, как определять, что такое наноматериалы (рис. 2.1).

Самый простой подход связан с геометрическими размерами структуры таких материалов. Согласно такому подходу материалы с характерным размером микроструктуры от 1 до 100 нм называют наноструктурными (или иначе нанофазными, нанокристаллическими, супрамолекулярными) 7.

Выбор такого диапазона размеров не случаен, а определяется существованием ряда размерных эффектов и совпадением размеров кристаллитов с характерными размерами для различных физических явлений. Нижний предел считается связанным с нижним пределом симметрии нанокристаллического материала [21,22]. Дело в том, что по мере снижения размера кристалла, характеризующегося строгим набором элементов симметрии, наступает такой момент, когда будет наступать потеря некоторых элементов симметрии. По данным [21,22] для наиболее широко распространенных кристаллов с ОЦК и ГЦК решеткой такой критический размер равен трем координационным сферам, что для случая железа составляет около 0,5 нм, а для никеля — около 0,6 нм. Величина верхнего предела обусловлена тем, что заметные и интересные с технической точки зрения изменения физико-механических свойств материалов (прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.) начинаются при снижении размеров зерен именно ниже 100 нм [2,3,11].

Рис.2.1. Терминологические подходы к понятию наноматериалов

Второй подход [5,11,23]связан с огромной ролью многочисленных поверхностей раздела в наноматериалах в формирование их свойств В соответствии с ним размер зерен (D) в наноматериалах определялся в интервале нескольких нанометров, т.е. в интервале, когда объемная доля поверхностей раздела в общем объеме материала составляет примерно V50% и более. Эта доля приблизительно оценивается из соотношения V 3s/D, где s — ширина приграничной области. При разумном значении s около 1 нм 50%-я доля поверхностей раздела достигается при D = 6 нм.

Существует так же подход [7], в соответствии с которым для наноматериалов наибольший размер одного из структурных элементов должен быть равен или быть меньше, размера, характерного для определенного физического явления. Так для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла, для магнитных свойств — размер однодоменного кристалла, для электропроводности — длина свободного пробега электронов. Существенными недостатками такого подхода являются [7,24], во-первых, несоответствие размеров структурных элементов для разных свойств и материалов и, во-вторых, различность характерных размеров для разных состояний одного и того же материала (например, отдельные частицы нанопорошка и зерна в поликристалле — см. табл. 2.1).

Некоторые ученые [12] считают, что если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними; к нанотехнологиям.

Таблица 2.1. Расчетные значения размеров частиц и зерен, не содержащих дислокационных петель, нм [7].

отдельные частицы порошка

зерна в поликристалле

На наш взгляд наиболее полноценная на сегодняшний момент терминология предложена в работах [13,20], где используются следующие термины:

нанотехнология _ совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;

наноматериалы _ материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;

наносистемная техника _ полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям

Следует отметить, что наряду с термином наноматериалы, который к настоящему времени получает все более широкое применение, получили распространение также равноправные термины «ультрадисперсные материалы», «ультрадисперсные системы» (в отечественной литературе) и «наноструктурные материалы» (в западных источниках).

1.2.1 Высокочастотный индукционный нагрев

Рисунок иллюстрирует метод синтеза наночастиц с помощью плазмы, создаваемой радиочастотными нагревательными катушками. Изначально металл находится в виде прутка в откаченной камере. В процессе этот металл разогревается выше точки испарения высоковольтными радиочастотными катушками, обмотки которых находятся снаружи вакуумированной камеры вблизи пестика. Затем в систему впускается гелий, что приводит к образованию к области катушек высокотемпературной плазмы. Атомы гелия выступают в качестве зародышей конденсации для атомов металла, и эти комплексы диффундируют к холодному коллектору, где и образуются наночастицы. Частицы обычно пассивируют введением какого-либо газа, например кислорода. В случае наночастиц алюминия кислород формирует слой оксида алюминия на поверхности частицы.

Вероятно, самыми полезными методами синтеза, в смысле потенциала крупномасштабного применения, являются химические методы. Для получения наночастиц могут применяться несколько типов восстановителей, например NaBEt₃H, LiBEt₃H и NaBH₄, где Et — этиловый радикал (-C₂H₅). Например, наночастицы молибдена можно приготовить восстановлением с помощью NaBEt₃H растворённой в толуоле соли молибдена. Эта реакция даёт хороший выход наночастиц молибдена с размерами 1-5 нм. Уравнение реакции записывается как

1.3 Основы классификации наноматериалов

В соответствии с приведенной на предыдущей странице терминологией наноматериалы можно разделить на четыре основные категории (рис. 2.1).

Рис. 2.2 Классификация наноматериалов

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна., очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п. Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалов с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются

поликристаллическими материалами с размером зерна 1…100 нм. В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса..

В первый класс входят однофазные материалы (в соответствие с терминологией [7] микроструктурно однородные материалы), структура и/или химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. Их структура, как правило, находится в состоянии далеком от равновесия. К таким материалам относятся, например, стекла, гели, пересыщенные твердые растворы. Ко второму классу можно отнести микроструктурно неоднородные материалы, которые состоят из наноразмерных элементов (кристаллитов, блоков) с различной структурой и/или составом. Это многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.

Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов [5-8 ].

К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и/или нановолокнами, изделия с измененным ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов.

наноматериал аморфизация деформация порошковый

2. Основные технологии получения наноматериалов

Основные методы получения наноматериалов можно разделить на ряд технологических групп (рис. 4.1): методы на основе порошковой металлургии, методы, в основе которых лежит получение аморфных прекурсоров, поверхностные технологии (создание покрытий и модифицированных слоев с наноструктурой), методы, основанные на использовании интенсивной пластической деформации, и комплексные методы, использующие последовательно или параллельно несколько разных технологий.

Рис. 4.1. Основные методы получения наноматериалов.

2.1 Методы порошковой металлургии

Данные методы можно условно подразделить на две группы — методы получения нанопорошков и методы компактирования из них изделий. Ряд методов может в зависимости от их вариантов использоваться и для получения нанопорошков и для формования объемных изделий.

Наночастицы алюминия можно получать разложением Me₂EtNAlH₃ в толуоле с последующим нагревом до 105 0 С в течении двух часов (Me — метил). В качестве катализатора этой реакции используется изопропоксид титана. Выбор катализатора определяет размер образующихся наночастиц. Например, 80-нанометровые частицы можно получить при использовании титана. Для предотвращения слипания наночастиц в раствор также могут быть добавлены поверхностно активные вещества, например олеиновая кислота.

2.2 Основные типы структур наноматериалов

Свойства наноматериалов в значительной степени определяются характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов), из которых они состоят. В связи с этим целесообразно классифицировать структуры наноматериалов по этим признакам (рис. 2.2). По форме кристаллитов наноматериалы можно разделить на слоистые (пластинчатые), волокнистые (столбчатые) и равноосные 5. Разумеется толщина слоя, диаметр волокна и размер зерна при этом принимают значения порядка 100 нм и менее. Исходя из особенностей химического состава кристаллитов и их границ обычно выделяют четыре группы наноматериалов7. К первой относят такие материалы, у которых химический состав кристаллитов и границ раздела одинаковы. Их называют также однофазными. Примерами таких материалов

Рис. 2.3. Основные типы структуры наноматериалов [4,7].

являются чистые металлы с нанокристаллической равноосной структурой и слоистые поликристаллические полимеры. Ко второй группе относят материалы, у которых состав кристаллитов различается, но границы являются идентичными по своему химическому составу. Третья группа включает наноматериалы, у которых как кристаллиты, так и границы имеют различный химический состав. Четвертую группу представляют наноматериалы, в которых наноразмерные выделения (частицы, волокна, слои) распределены в матрице, имеющей другой химический состав. К этой группе относятся в частности дисперсно-упрочненные материалы.

2.2.1 Методы получения нанопорошков

Можно выделить ряд общих подходов, которые являются характерными для всех методов получения нанопорошков и отличают их от методов получения обычных порошков [6,7]:

— высокая скорость образования центров зарождения частиц,

— малая скорость роста частиц,

— наибольший размер получаемых частиц не более 100 нм,

— узкий диапазон распределения частиц по размерам,

— стабильность получения частиц заданного размерного диапазона,

— воспроизводимость химического и фазового состава частиц,

— повышенные требования к контролю и управлению параметрами процесса получения.

Рис. 4.2. Основные из используемых в настоящее время методов получения нанопорошков

Общей особенностью наночастиц порошков, полученных любым методом, является их склонность к объединению в агрегаты и агломераты [8]. В результате необходимо учитывать не только размеры отдельных наночастиц, но и размеры их объединений. Четкого терминологического различия меду агрегатами и агломератами провести нельзя, однако считается, что в агрегатах связь между кристаллитами прочнее, а межкристаллитная пористость меньше [8]. При последующем компактировании для достижения заданной пористости материала агрегатированные порошки требуют больших температуры и/или давления по сравнению с неагрегатированными.

Все группы методов получения нанопорошков можно условно разделить на две группы (рис. 4.2). К первой группе можно отнести технологии, основанные на химических процессах, а ко второй — на физических процессах. В соответствии с этим более подробно рассмотрим основные из используемых в настоящее время методов получения нанопорошков.

Технологии химического осаждения из паровой фазы

Данная группа технологий основана на использовании химических реакций соединений металлов, находящихся в газовой фазе. При этом эти соединения в определенной зоне реакционной камеры термически разлагаются с образованием твердого осадка в виде нанопорошка и газообразных веществ или вступают в химические реакции также с образованием порошка и газообразных веществ [7,56]. В качестве исходного сырья могут использоваться галогениды (главным образом хлориды) металлов, алкильные соединения, карбонилы, оксихлориды. Размер получаемых частиц может регулироваться температурой и скоростью осаждения. По такой технологии получены нанопорошки кремния, бора, оксидов титана, циркония, алюминия, нитриды, карбиды и карбонитриды кремния и диборид титана с размером частиц от 20 до 600 нм [7].

В рассматриваемой группе технологий можно выделит два основных метода: перенос через газовую фазу и восстановление с последующим разложением [56]. Примером первого метода может служить процесс основанный на последовательности ряда повторяющихся химических реакций с участием хлоридов металлов:

NH₄Cl > NH₃ + HCl ; Me I + 2HCl > Me I Cl₂ + H₂ ; Me I O + + 2HCl + C — Me I Cl₂ + CO + H₂ ; Me I Cl₂ + Me II — Me I + Me II Cl₂ ; Me II Cl₂ + H₂ — Me II + HCl .

Примером второго метода может быть процесс основанный на реакциях синтеза и последующего разложения карбонилов:

Недавно разработанным методом, который тоже можно отнести к технологиям химического осаждения из паровой фазы, является метод выскокотемпературного гидролиза [57]. Он основан на взаимодействии соединений, преимущественно хлоридов, в водородно-кислородном пламени. Им можно получать многокомпонентные соедиения. В частности, получены нанопорошки SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, ZrO₂.

2.3 Методы с использованием аморфизации

Аморфные металлические сплавы являются новым перспективным классом материалов [91,92]. Аморфное состояние сплава характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов упаковки. Такое состояние достигается сверхбыстрым охлаждением материала из газообразного, жидкого или ионизированного состояния. Существуют следующие методы полученя аморфных сплавов [92]:

— высокоскоростное ионно-плазменное и термическое напыление материала на охлаждаемую жидким азотом подложку (позволяет получать слои толщиной до 5 мм);

— химическое или электролитическое осаждение ионов металлов на подложку;

— оплавление тонких поверхностных слоев деталей лазерным лучом;

— Лазерная обработка смеси порошков при быстром отводе тпла от расплава;

— закалка из жидкого состояния.

Последний метод в настоящее время наиболее отработан и исследован и является основным методом получения аморфных сплавов [74,91,92]. Производство лент, фольг и проволок (толщиной до 100 мкм и шириной до 200 мм) проводится по схеме подачи струю жидкого металла на вращающийся водоохлаждаемый барабан (как правило медный) с гладкой поверхностью (рис. 4.12.). Иногда используют также схему извлечения жидкого металла из ванны расплава быстро вращающимся водоохлаждаемым диском, погруженным вертикально торцом в расплав. Еще один способ заключается в расплавлении сплава токами высокой частоты, вытягивании и быстром охлаждении аморфной нити толщиной до 200 мкм жидкой средой [91]. В случае нанесения на нить перед охлаждением стеклообразного покрытия способ используют для получения стеклометаллических аморфных композиционных материалов.

Возможность получения аморфного состояния определяется химическим составом и скоростью охлаждения. Последняя обычно составляет 10 5 -10 10 о С/с [92]. С точки зрения выбора химического состава сплава существуют два подхода.

При первом подходе для получения аморфной структуры в состав сплавов вводят специальные легирующие элементы-аморфизаторы в количестве до 30 %. В качестве аморфизаторов обычно используют бор, углерод, кремний, азот и др. [92]. Другой подход связан с выбором сплавов имеющих определенную базовую эвтектику, которая образуется при взаимодействии ряда фаз-аморфизаторов [91]. Данные фазы легируют с целью понижения температуры плавления и подавления образования зародышей кристаллов при затвердевании сплава. Этот подход позволяет получать кроме микроизделий (лент, фольг, проволок) также и объемные материалы толщиной до 5-10 мм [7,91].

Аморфное состояние сплавов является метастабильным, поэтому после аморфизации часто проводят отжиг, в процессе которого частично происходит переход к более стабильному состоянию [92]. Однако метастабильность остается, и при нагреве до (0,4-0,65) Т_пл материал переходит в кристаллическое состояние. В связи с этим наряду с аморфным большой интерес стал проявляться и к нанокристаллическому состоянию аморфизирующихся сплавов.

Рис. 4.12. Принципиальные схемы получения аморфных лент и проволок методом быстрого охлаждения: а) закалка на вращающемся барабане, б) экстракция расплава вращающимся барабаном, в) охлаждение тонкой струи расплава жидкостью.

В ряде случаев для получения аморфного состояния проводят предварительную обработку (например высокоскоростную закалку) заготовок, а такие заготовки часто называют «прекурсорами».

Для ряда объемно-аморфизирующихся сплавов, например для сплавов на основе железа, возможно получение нанокристаллической или аморфно-нанокристаллической структуры непосредственно при закалке расплава со скоростью охлаждения немного ниже критической скорости образования аморфного состояния [7]. Однако для большинства сплавов при таком подходе получается неоднородная, нестабильная структура. Поэтому для получения наноструктуры используется контролируемая кристаллизация сплавов из аморфного состояния при термообработке [93]. В качестве перспективы рассматривается получение нанокристаллической структуры путем инициации процессов кристаллизации в процессе деформирования аморфного материала.

2.4 Методы с использованием интенсивной пластической деформации

Эта группа методов получения наноструктурных материалов основана на проведении пластической деформации с большими степенями деформации в условиях высоких приложенных давлений при относительно низких температурах. В таких условиях деформирования происходит сильное измельчение микроструктуры в металлах и сплавах до наноразмерного диапазона [7,8,33]. При разработке этих методов существует ряд требований: преимущественное формирование ультрамелкозернистых структур с большеугловыми границами зерен (именно в этом случае наблюдаются качественные изменения свойств материалов), необходимость обеспечения стабильности свойств материала за счет однородного формирования наноструктур по всему объему материала, отсутствие механических повреждений и трещин несмотря на интенсивное пластическое деформирование материала [33]. Эта группа методов позволяет получать объемные безпористые металлические наноматериалы. Следует однако отметить, что диапазон размеров зерен материалов, получаемых рассматриваемыми методами, как правило, составляет все же более 100 нм. Структура, получаемая при интенсивной пластической деформации, отличается сильной неравновесностью из-за малой плотности свободных дислокаций и преимущественно большеугловом характере границ зерен. Поэтому для обработанных изделий применяют дополнительную термообработку или дополнительное пластическое деформирование при повышенных температурах и большой степени деформации [7].

В настоящее время наиболее отработаны два следующих метода (рис. 4.13).

Метод кручения под высоким давлением основан на принципе наковален Бриджмена, в которых образец помещается между бойками и сжимается под приложенным давлением в несколько ГПа, а затем прилагается деформация с большими степенями (10 и более) [8]. Нижний боек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Образец имеет геометрическую форму в виде диска диаметром 10-20 мм и толщиной 0,2-0,5 мм, что обеспечивает условия гидростатического сжатия для основного объема материала и выполнение условия неразрушения образца. Структура материала начинает измельчаться уже после деформации на пол-оборота образца. Образование ультрамелкозернистой структуры достигается после деформации в несколько оборотов образца. Средний размер зерен может достигать 100-200 нм (рис 4. 14а) и определяется условиями деформации — давлением, температурой, скоростью деформации и видом обрабатываемого материала [8].

Рис. 4.13. Схема методов интенсивной пластической деформации: а- метод кручения под высоким давлением, б- метод равноканального углового прессования, 1- пуансон, 2- образец, 3- суппорт, 4- заготовка [8].

Метод равноканального углового прессования обеспечивает получение более крупных размеров деталей с диаметром до 60 мм и длиной до 200 мм (рис. 4.15) [8,33]. Этот метод также основан на использовании деформации сдвигом. Для этого заготовка многократно продавливается в специальной оснастке через два пересекающихся канала с одинаковыми поперечными сечениями. Чаще всего используется угол между каналами равный 90 о , при котором за одно продавливание материала обеспечивается степень истинной деформации 1 [8,33]. Температура процесса в зависимости от обрабатываемого материала выбирается комнатной или слегка повышенной. Важной проблемой является сохранение целостности получаемых образцов для малопластичных и трудно деформируемых материалов. Метод позволяет формировать ультамелкозернистую структуру со средним размером зерен в диапазоне от 200 до 500 нм (рис 4. 14а) [8].

Разрабатываются также другие методы интенсивной пластической деформации, например, всесторонняя ковка и специальная прокатка.

Рис. 4.14. Наноструктуры меди, полученной разными методами: а- методом кручения под высоким давлением, б- методом равноканального углового прессования [8].

Рис. 4.15. Объемные заготовки из наноструктурного титана [8].

2.5 Методы с использованием технологий обработки поверхности

Технологии обработки поверхности материалов к настоящему времени представляют собой одну из наиболее развивающихся областей науки о материалах. Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике [74,94-101]. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологии, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано и микроизделий.

Примерная классификационная схема наноориентированных технологий обработки поверхности показана на рис. 4.16. Данные методы можно условно подразделить на две большие группы — технологии, основанные на физических процессах и технологии, основанные на химических процессах. Среди всех наноориентированных технологий обработки поверхности на сегодняшний день наиболее перспективными являются ионно-вакуумные технологии нанесения покрытий (т.н. PVD и CVD технологии) 105. Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на материал основы как правило минимальное. Анализ литературных данных, проведенный в работе [111], показал, что размер кристаллитов в пленках, полученных по технологиям вакуумного нанесения, может достигать 1-3 нм.

Современные возможности лабораторного эксперимента по наблюдению и изучению явлений в нанометровой шкале пространственных размеров и заманчивые перспективы создания уникальных материалов и наноустройств порождают новые теоретические проблемы. Необходимость конструктивного решения этих проблем ведет к интенсивным исследованиям, формирующим новые разделы в вычислительной физике и вычислительной химии.

Исследования в области нанокластеров и наносистем лежат в основе создания новой технологии XXI века — нанотехнологии. Среди них — одноэлектронные устройства, позволяющие на несколько порядков уменьшить размер современных микронных вычислительных элементов и перейти от микро- к нанотехнологии. Работы в области полупроводниковых кластеров ведут к созданию лазеров с изменяемой длиной волны за счет изменения размера нанокластера, а также светодиодов. Конструирование наносистем из отдельных нанокластеров позволяет изменить электронные и магнитные свойства наносистемы за счет возникновения избыточных внутренних напряжений (давлений) и влияния поверхностно активных веществ. Перспективны газовые и жидкостные сенсоры на основе наносистем с полупроводниковыми кластерами. Кластерные катализаторы позволяют развивать новые направления управления конверсией и селективностью каталитических реакций за счет размера кластера и взаимодействия его с матрицей. Нанотехнология нанесения пленок создает предельно ровные поверхности и приводит к экономии дорогостоящих материалов для покрытий.

Время стремительно толкает нас к вершинам новых побед и открытий, нанороботы не являются исключением, все только в начале пути, а нам остается только наблюдать, как молекулярные наномашины будут изменять жизнь вокруг нас. Размещено на Allbest.ru

Подобные документы

Методы получения наноматериалов. Синтез наночастиц в аморфных и упорядоченных матрицах. Получение наночастиц в нульмерных и одномерных нанореакторах. Цеолиты структурного типа. Мезопористые алюмосиликаты, молекулярные сита. Слоистые двойные гидроксиды.

курсовая работа [978,0 K], добавлен 01.12.2014

Порошковая металлургия позволяет получать металлокерамические материалы с особыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами, которые невозможно получить методами литья, обработки давлением. Применение порошковых материалов.

реферат [433,6 K], добавлен 04.04.2008

Понятие токсичности и наноматехнологии. Преимущества и недостатки использования наноматериалов. Лабораторные исследования по токсичности наноматериалов. Исследования по токсичности наноматериалов на живых организмах. Применение наноматериалов в медицине.

реферат [5,3 M], добавлен 30.08.2011

Возникновение и развитие нанотехнологии. Общая характеристика технологии консолидированных материалов (порошковых, пластической деформации, кристаллизации из аморфного состояния), технологии полимерных, пористых, трубчатых и биологических наноматериалов.

реферат [3,1 M], добавлен 19.04.2010

Применение газовых сенсоров в системах автоматической пожарной сигнализации. Основные стадии наночастиц и наноматериалов. Механические свойства наноматериалов. Мицеллярные и полимерные гели. Золь-гель метод синтеза тонких пленок с солями металлов.

курсовая работа [1,6 M], добавлен 21.12.2016

Источник