Ім'я файлу: методи отримання наноматеріалів.docx
Розширення: docx
Розмір: 210кб.
Дата: 08.11.2022
скачати
Пов'язані файли:
Машинобудівні матеріали. Чавуни, їх властивості та застосування.
Історія розвитку нанотехнологий.docx
контрольна робота.docx

Відкритий міжнародний університет розвитку людини „Україна”

Інженерно-технологічний інститут

Кафедра автомобільний транспорт

РЕФЕРАТ

з дисципліни «Нанотехнологічне матеріалознавство»

Тема: «Хронологія розвитку науки «Нанотехнологія та наноматеріали»»

Виконав: студент групи АТ-22-1м,

Партика Олексій Сергійович

Перевірила: Кошель Г.В.

Київ 2022

ЗМІСТ

РОЗДІЛ 1. МЕТОДИ ОТРИМАННЯ НАНОМАТЕРІАЛІВ 3

1.1. Отримання нанопорошків 3

РОЗДІЛ 2. МЕТОДИ ОТРИМАННЯ ТОНКИХ ПЛІВОК/ПОКРИТТІВ 8

2.1. Кристалізація аморфних сплавів 9

РОЗДІЛ 3. МЕТОДИ ІНТЕНСИВНОЇ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ 10

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 11

РОЗДІЛ 1. МЕТОДИ ОТРИМАННЯ НАНОМАТЕРІАЛІВ

У вихідному стані НМ можуть являти собою порошок із наночастинок, тонкі плівки/покриття з кристалічною чи аморфною структурою та формені матеріали з поруватою або щільною структурою, що складаються із дрібнодисперсних зерен.
В основу методів отримання НМ покладені фізичні або хімічні процеси, які поділяють на[1]:

  • порошкові методи;

  • методи отримання тонких плівок/покриттів;

  • кристалізацію аморфних сплавів;

  • методи інтенсивної пластичної деформації;

  • комплексні методи – використання декількох підходів.



1.1. Отримання нанопорошків

Методи отримання нанопорошків повинні відповідати таким загальним вимогам (рис. 2.1):

  • високій швидкості утворення центрів зародження частинок;

  • повільному росту частинок;

  • можливості контролю розміру частинок;

  • найбільшому розміру частинок, що не перевищує 100 нм;

  • малим значенням дисперсії, стабільності отримання частинок заданого розмірного діапазону;

  • повторюваності хімічного і фазового складу частинок;

  • контрольованості параметрів процесу отримання.

Фізичні методи. Осадження з газової фази. Ці методи отримання нанопорошків відомі вже давно, а тому знабули найбільшого поширення. Це пов’язано з тим, що технології випаровування речовини за допомогою різних високоін тенсивних джерел енергії та подальшого осадження її з парової фази є досить відпрацьованими, легко контролюються і забезпечують високі вимоги щодо чистоти порошку, одержується таким чином, особливо при використанні камер із контрольованою атмосферою (вакуумні камери або камери заповнені інертними газами – гелієм, аргоном або ксеноном).



Рис. 2.1. Методи отримання нанопорошків [2]

У залежності від типу методу і технологічних параметрів розмір частинок порошку може становити від 5 до 100 нм, класифікація дисперсних матеріалів наведена на рис. 2.2.

Змінюючи інертний газ у камері від гелію до ксенону при підтримці однакового значення тиску (змінюється густина газу), розмір частинок може змінюватися в декілька разів. За однакових умов випаровування частинки, отримані із тугоплавких металів, будуть мати менший розмір.


Рис. 2.2. Класифікація дисперсних матеріалів за розміром дисперсної фази [3]

До методів осадження із газової фази відносять:

  • термічне випароовування;

  • вибухове випарування;

  • випарування в потоці інертного газу (левітаційноструменевий метод).

Термічне випаровування. Масивний матеріал розігрівається (резистивним, високочастотно-індукційним, електронно-променевим, електродуговим, плазмовим або лазерним методами).

Формування нанопорошку відбувається за такою схемою: підведення теплової енергії до матеріалу, який необхідно розпилити  переведення його в газову фазу  конденсація на охолоджену підкладку  зчищення порошку в ємність для зберігання. Приклад установки наведено на рис. 2.3. Частинки порошку мають сферичну або ограновану форму і можуть бути металевими, інтерметалідними та неметалевими. Перевагою методу є отримання чистих порошків із вузьким розподілом частинок за розміром, а недоліком – низька продуктивність процесу, через відсутність установок великих розмірів для використання в промисловому виробництві.

Вибухове випаровування полягає у виділенні дуже великої кількості енергії за малий проміжок часу. При

цьому матеріал випаровується, і потім за рахунок швидкого збільшення об’єму охолоджується з формування частинок малих розмірів (510 нм). Недоліками методу є значні витрати енергії, які приводять до високої собівартості порошку, нерівномірність розміру частинок, внаслідок чого виникає необхідність їх сортування. Через те, що частина матеріалу може не встигнути перейти в газову фазу, відбувається формування рідких крапель мікронних розмірів.



Рис. 2.3. Схема отримання нанопорошків шляхом конденсації матеріалу з парової фази: 1 – тигель з матеріалом; 2 – скребок для зчищення нанопорошку; 3 – стрижень (підкладка), що охолоджується; 4 – контейнер для нанопорошку [2]

Розпилення розплаву. Ця група методів базується на швидкому розпиленні та охолодженні розплаву початкового матеріалу. Ця технологія дозволяє отримати порошок розміром 10500 нм.

Використовуючи методи ударного чи електрогідродинамічного розпилення розплаву частинки порошку становлять 1050 мкм з аморфною або нанокристалічною структурою, після чого здійснюють їх подрібнення використовуючи механічні методи, що є основним недоліком розпилення з розплаву (рис. 2.4).

Випаровування в потоці інертного газу (левітаційноструминний метод). При цьому методі випаровування металу проводиться в потоці інертного газу, наприклад із краплі розплаву на кінці дротини, що розігрівається високочастотним магнітним полем (рис. 2.5). Розмір сформованих частинок залежить від швидкості потоку газу – зі збільшенням швидкості він може зменшуватися від 500 до 10 нм.

Механічне подрібнення використовується для розмелювання (подрібнення) матеріалу на частинки малих розмірів (5-200 нм), із використанням жорен. Розмір частинок залежить від температури плавлення металу і часу подрібнення (від декількох годин до декількох діб). Чим вища температура плавлення металу і більший час розмелювання, тим менший розмір частинок може бути отриманий. Наприклад, за однакових умов подрібнення мінімальний розмір частинок алюмінію (температура плавлення 660 0C) становив 20 нм, а вольфраму (температура плавлення 3395 0C) – 6 нм.

Основний недолік методу – забруднення порошку внаслідок зношення робочих частин устаткування.

Методи хімічного осадження з парової фази. Ця група технологій ґрунтується на використанні хімічних реакцій сполук металів, що знаходяться в газовій фазі. В реактивній камері відбувається термічне розкладання сполук із утворенням твердого осаду у вигляді нанопорошку і газоподібних речовин, при цьому процеси відновлення і розкладання можуть відбуватися декілька разів. Початковою сировиною виступають галогеніди (хлориди) металів, алкільні сполуки, карбоніли, оксихлориди. Розмір



а б

Рис. 2.4. Принципова схема отримання нанопорошку з розплаву: ударне (а) та електрогідродинамічне розпилення матеріалу [2]

Р ис. 2.5. Установка для отримання нанопорошку в атмосфері інертного газу: 1 – контейнер для нанопорошку; 2 – ємність для фільтрування частинок за розміром; 3  металева пара; 4 – індукційний нагрівач; 5 – механізм для подачі дротини; 6 – крапля розплавленого металу [2] отримуваних частинок може регулюватися температурою й швидкістю осадження.

У даній групі технологій можна виділити два основні методи: перенесення через газову фазу і відновлення з подальшим розкладанням. Прикладом першого методу може бути процес заснований на послідовності ряду хімічних реакцій за участю хлоридів металів, які повторюються:

NH4Cl → NH3 + HCl;

MeI + 2HCl → MeICl2 + H2;

MeIO + + 2HCl + C ↔ MeICl2 + CO + H2;

MeICl2 + MeII ↔ MeI + MeIICl2; MeIICl2 + H2 ↔ MeII + HCl.

Приклад другого методу – реакції синтезу і подальшого розкладання карбонілів:

xMe + yCO = Mex(CO)y, Mex(CO)y → xMe + yCO, де Ме – метал, що відновлюється в процесі хімічної реакції.

Процеси відновлення. Найбільш відомим із цієї групи є метод водневого відновлення сполук металів (гідрооксиди, хлориди, нітрати, карбонати металів), що вступають у реакцію відновлення в потоці водню при температурі приблизно 500 К. Приклад типової реакції:

MeCl2 + H2 ↔ Me + 2HCl.

Використовуючи цей метод, вдається отримувати порошки металів із низьким вмістом домішок і майже однаковими розмірами частинок.

Осадження з розчинів. До розчинів солей металів додають речовину осаджувач, за рахунок чого відбувається осадження металевих оксидних порошків із відділенням гідрооксидного осаду. Умови осадження регулюють шляхом зміни рН, температури, додавання буферних розчинів. Як осаджувач найчастіше використовують розчини аміаку, вуглекислий амоній, щавлеву кислоту, оксалат амонію. У результаті отримують нанопорошки оксидів (кріохімічний та золь-гель-методи, хімічного осадження і гідротермального синтезу). Основним недоліком методу є використання великих об’ємів, значний вміст домішок у порошку і великий розкид частинок за розмірами.

Метод розкладу нестабільних сполук передбачає в себе термічний і радіаційний розклад, в результаті якого частинки порошку мають розміри 20300 нм. Головною перевагою цього методу є можливість отримання чистих (навіть хімічно інертних) елементів (Pd, Cd).

Високоенергетичний синтез заснований на використанні реакцій, що проходять з високою швидкістю в умовах, далеких від рівноважних, під впливом високоенергетичної дії. Для отримання нанопорошків використовують детонаційний і плазмохімічний методи.

При детонаційному синтезі на суміш початкових реагентів діє ударної хвиля з тиском до декілька десятків ГПа. При його використанні отримують алмазний нанопорошок з середнім розміром частинок 4 нм, нанопорошки оксидів Al, Mg, Zr, Zn.

Плазмохімічний синтез здійснюється з використанням низькотемпературної плазми, дугового або тліючого розрядів. За рахунок високої температури плазми (до 105 К) і високих швидкостей взаємодії забезпечується перехід практично усіх початкових речовин (метали, галогеніди) в газоподібний стан з їх подальшою взаємодією та конденсацією продуктів у вигляді нанопорошку з частинками правильної форми, що мають розміри від 10 до 200 нм. При використанні активних середовищ, що містять С, N, B або O, отримують нанопорошки карбідів, нітриду, бориду та оксидів різних елементів, а також багатокомпонентні сполук.

РОЗДІЛ 2. МЕТОДИ ОТРИМАННЯ ТОНКИХ ПЛІВОК/ПОКРИТТІВ

Технологічні методи отримання тонких плівок і покриттів умовно можна розділити на методи, зав тоновані на фізичних і хімічних процесах.

До першої групи відносять:

  • осадження із газової фази (PVD – Physical Vapour Deposition): термічне випарування, катодне та магнетронне розпилення, іонна імплантація;

  • газотермічне (плазмове) напилення;

  • лазерні методи: легування або імплантація, аморфізація поверхні з використанням лазерного випромінювання.

Недоліками цієї групи методів є складність розроблення технологічного режиму для конкретного випадку отримання покриття, особливо для одержання покриттів із сполук, де необхідна висока точність хімічного складу; необхідність спеціальної підготовки покриття поверхонь.

Термічне випаровування. Процес термічного випаровування здійснюють у вакуумі при тиску порядку 10-3 10-5 Па. При такому тиску довжина вільного пробігу атомів або молекул становить порядку декількох метрів. Отримана в результаті розігрівання парова фаза речовини вільно осаджується на підкладку, що має температуру набагато нижчу, ніж температура парової фази. Більшість із цих методів розраховано на випаровування металевих матеріалів.

До переваг методу термічного випаровування належить відносна простота обладнання та контролю процесу, а до недоліків – низька адгезія покриття внаслідок малої енергії атомів або молекул, що осаджуються на підкладку, і висока чутливість до наявності на поверхні підкладки сторонніх плівок і забруднень. Вплив цих недоліків можна дещо знизити за рахунок використання спеціальних методів підготовки поверхні (ультразвукове очищення поверхні, хімічна або електрохімічна очистка та/або травлення, іонне травлення).

Метод термічного випаровування досить широко використовується під час виробництва жорстких магнітних дисків для комп’ютерів. Підкладкою є алюмінієвий диск із шорсткістю менше 20 нм із нанесеним аморфним нікельфосфорним підшаром товщиною порядку 20 мкм (для поліпшення адгезії і компенсації відмінностей коефіцієнтів термічного розширення підкладки та покриття). Спочатку напилюється проміжний металевий шар, наприклад Ni-Fe, товщиною 500-1000 нм, а вже потім основний шар з магнітного матеріалу, наприклад сплаву на основі Co або CoCr, товщиною 100500 нм. Поверх всього покриття наноситься зносостійкий захисний вуглецевий шар товщиною 30-50 нм. Також термічне напилення використовують і при виробництві CD-дисків. На диск з пластмаси наносять алюмінієве основне покриттів з товщиною нанометрового діапазону. В обох випадках для забезпечення високої чистоти матеріалів тиск у вакуумній камері становить не менше 10-5 Па.

До технологій на основі хімічних процесів належать:

  • хімічне осадження із газової фази (CVD – Chemical Vapor Deposition);

  • осадження з використанням плазми тліючого розряду;

  • світлова та електронна літографія;

  • осадження із розчинів;

  • хімічне та електрохімічне окиснення (анодування).

Ця група методів базується на осадженні плівок на поверхню нагрітих деталей, де в газоподібному стані перебувають сполуки металів. Найбільш оптимальне проходження хімічних реакцій відбувається найчастіше при температурах 5001500 оС. Осадження, як правило, проводять у спеціальній камері при зниженому тиску за допомогою використання хімічних реакцій відновлення, піролізу, диспропорціонування. У ряді випадків можуть використовуватися реакції взаємодії основного газоподібного реагенту з додатковим. Найбільш часто використовують сполуки карбонілів, галогенідів, металоорганічні сполуки.

2.1. Кристалізація аморфних сплавів

Аморфні металеві сплави характеризуються відсутністю дальнього порядку атомів, що досягається надшвидким (≥ 106 К/с) охолодженням підкладки, на яку спрямовується матеріал в газоподібному, рідкому чи іонізованому стані. Можливість отримання аморфного стану визначається хімічним складом і швидкістю охолодження. Для створення нанокристалічної структури в аморфному сплаві він підлягає спеціальній термообробці. При цьому процес виконується таким чином, щоб виникала велика кількість центрів кристалізації, але швидкість росту кристалітів була низькою.

РОЗДІЛ 3. МЕТОДИ ІНТЕНСИВНОЇ ПЛАСТИЧНОЇ ДЕФОРМАЦІЇ

Використовуючи цей метод, можна отримати компактні, щільні дрібнозернисті матеріали із середнім розміром зерен 30500 нм. Суть цього методу полягає у проведенні пластичної деформації, внаслідок чого структура матеріалу сильно фрагментується і стає неупорядкованою, але при цьому зберігає залишкові ознаки рекристалізованого аморфного стану. Використовують деформації кручення під гідростатичним тиском, рівноканальне кутове пресування, прокатування, всебічне кування, за рахунок яких відбувається сильне подрібнення мікроструктури в металах і сплавах до нанорозмірного діапазону. При використанні цього методу необхідно, щоб деформація відбувалася по всьому зразку для забезпечення стабільності властивостей матеріалу, але були відсутні механічні пошкодження й тріщини.

Ця група методів дозволяє отримувати об’ємні безпористі металеві наноматеріали, але з нерівномірною структурою.

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ

  1. Гусев А. И. Эффекты нанокристаллического состояния в компактных металлах и соединениях // УФН. – 1998. – Т. 168, № 1. – С. 5583.

  2. Наноматериалы. Классификация, особенности свойств, применение
    и технологии получения / Б. М. Балоян, А. Г. Колмаков, М. И. Алымов и др. – Москва : Международный университет природы, общества
    и человека «Дубна», филиал «Угреша», 2007. – 125 с.

  3. Ковшов А. Н. Основы нанотехнологии в технике / учеб. пособие.
    А. Н. Ковшов, Ю. Ф. Назаров, И. М. Ибрагимов : Москва : МГОУ, 2006. – 244 с.

  4. Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии / Н. А. Азаренков,
    В. М. Береснев, А. Д. Погребняк и др. – Харьков : ХНУ им. В.Н. Каразина, 2009. – 209 с.

скачати

© Усі права захищені
написати до нас