🗊Презентация Нанокристаллические материалы: нанопорошки, коммерциализация наноматериалов. Способы получения наноматериалов

Нанокристаллические материалы: нанопорошки, коммерциализация наноматериалов Способы получения наноматериалов Сочетание вышеуказанных методов позволяет получать наночастицы и наноструктурные порошки различной морфологии и химического состава, которые могут быть охарактеризованы следующим образом: 1) По химическому составу: Нанопорошки металлов, кроме щелочных, Al, Mg, Ti. Нанопорошки сплавов указанных металлов и псевдосплавов на их основе; Нанопорошки любых оксидов металлов. Нанопорошки композитов металл- керамика на основе вышеуказанных материалов. 2) По дисперсности: Неагрегированные нанопорошки с размером частиц от 10 до 80 нм в зависимости от условий получения. Гранулированные нанопорошки в виде микросфер диаметром 0.5-5 мкм в зависимости от условий получения с различной морфологией поверхности.

Химические методы Осаждение наночастиц из растворов солей Осадители: NaOH, KOH и др. Процесс: Регулируя рН и температуру раствора, создают условия, при которых получаются высокие скорости кристаллизации и образуется высокодисперсный гидроксид. Продукт: порошки сферической, игольчатой, чешуйчатой или неправильной формы с размером частиц до 100 нм

Восстановление металла Применение: получения порошков железа и других металлов. Восстановители: газообразные (H, CO и др.) иди твердые (С, металлы, гидриды металлов)

Физические методы Процесс: Испарение металлов, сплавов или оксидов с последующей их конденсацией в реакторе с контролируемой температурой и атмосферой. Исходное вещество испаряется путем интенсивного нагрева, с помощью газа-носителя подается в реакционное пространство, где резко охлаждается. Нагрев осуществляется с помощью Плазмы Лазера Электрической дуги Печей сопротивления Индукционным способом Пропусканием электрического тока через проволоку Методом бестигельного испарения Фазовые переходы: пар — жидкость — твердое тело или пар — твердое тело Происходят в объеме реактора или на поверхности охлаждаемой подложки или стенок. Испарение и конденсация проводятся в Вакууме, Инертном газе Потоке газа Потоке плазмы. Продукт: Размер и форма частиц зависят от Температуры процесса состава атмосферы Давления в реакционном пространстве В атмосфере гелия частицы будут иметь меньший размер, чем в атмосфере аргона — более плотного газа. Таким методом получают порошки Ni, Мо, Fе, Тi, Аl. Размер частиц при этом — десятки нанометров.

Физические методы

Механические методы Применение: Измельчение Металлов Керамики Полимеров Оксиды Хрупкие материалы Процесс: измельчения материалов механическим путем Типы мельниц: Шаровые Планетарные Центробежные Вибрационные Гироскопические устройства Аттриторы Симолойеры Продукт: Степень измельчения зависит от вида материала. WO2, МоО2 - 5 нм Fe - 10...20 нм.

Механосинтез или механическое легирование Процесс: При измельчении происходит взаимодействие измельчаемых материалов с получением измельченного материала нового состава. Продукт: Нанопорошки с размером частиц 5...15 нм: Легированных сплавов Интерметаллидов Силицидов Дисперсноупрочненных композитов Достоинство способа : За счет взаимодиффузии в твердом состоянии возможно получение «сплавов» таких элементов, взаимная растворимость которых при использовании жидкофазных методов пренебрежимо мала. Преимущества механических методов: Сравнительная простота установок и технологии Возможность измельчать различные материалы и получать порошки сплавов Возможность получать материал в большом количестве. Недостатки механических методов: Возможность загрязнения измельчаемого порошка истирающими материалами Трудности получения порошков с узким распределением частиц по размерам Сложности регулирования состава продукта в процессе измельчения.

Объединение частиц Частицы образуют: агрегаты и агломераты. Агрегаты: кристаллиты более прочно связаны и имеют меньшую межкристаллитную пористость, чем в агломератах Проблема: При определении размеров наночастиц, необходимо различать размеры отдельных частиц (кристаллитов) и размеры объединений частиц. Требуются большие механические усилия или повышение температуры (при спекании), чтобы преодолеть силы агломерирования. Стадия возникновения проблемы: компактирование наночастиц. При компактировании агрегированного порошка путем спекания, для достижения определенной плотности материала требуются температуры тем выше, чем более крупные объединения наночастиц имеются в порошке. Способы решения: В методах получения нанопорошков путем конденсации из паровой фазы - точное регулирование температуры образования наночастиц. В химических методах - исключение воды из некоторых стадий синтеза для уменьшения степени агломерирования. Используются также методы уменьшения контакта между частицами путем их покрытия (капсулирования), которое удаляется перед компактированием.

Производство и коммерциализация наноматериалов Освоение наноматериалов в последние годы уверенно выходит на промышленный уровень. Сотни миллионов долларов вкладываются в разработку способов синтеза, исследования свойств, производство наноматериалов, изготовление приборов и конструкций с использованием наноматериалов В конце 80-х годов XX века США и Япония ежегодно тратили на исследования в области наноматериалов 110...120 млн. долларов. Начиная с 90-х годов XX века научно-технический прогресс человечества стал определяться наноматериалами и нанотехнологиями Только в США более трех десятков компаний ведут на различном уровне работу по их производству.

Применение наноматериалов Микроэлектроника: дальнейшее миниатюризации электронных приборов, в защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений, в качестве катализаторов (чему способствует огромная, порядка 5 * 10 7 м -1 удельная поверхность на но порошков). Атомная энергетика: таблетки ТВЭЛов изготавливаются из УДП UO2 Термоядерная техника: из УДП бериллия изготавливают мишени для лазерно-термоядерного синтеза. Автомобилестроение: Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей. Строительство: Наноматериалы используют в качестве сверхпрочных конструкционных материалов и износостойких покрытий.

Применение наноматериалов Производство техники: Пленочные наноматериалы плоской и сложной формы из магнито-мягких сплавов используются для видеоголовок видеомагнитофонов. Полученные плазмохимическим способом УДП металлов с включениями карбидов используются в качестве шлифующего и полирующего материала при «финишинге» полупроводников и диэлектриков. Медицина: УДП применяют для защиты персонала от рентгеновского излучения (перчатки, фартуки и т. п. из резины с УДП свинцовым наполнителем в четыре раза легче обычных), для лекарств быстрою усвоения и действия, используемых в экстремальных условиях (ранения в катастрофах, боевых действиях и т. п.). Военное дело: УДП применяются в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок «Стелс», в новых видах взрывного оружия. В «графитовой бомбе» используются углеродные нановолокна, выводящие из строя энергосистемы противника. Трубчатые углеродные нановолокна и фуллерены перспективны для армирования композиционной «суперброни» для танков и бронежилетов.

3 метода получения наночастиц 1. метод впрыскивания раствора металлорганического соединения с низкой температурой разложения в нагретый раствор, содержащий смесь поверхностно-активных веществ, в результате «быстрого» термолиза приводящий к получению наночастиц. 2. восстановление металлсодержащих соединений (ацетатов, формиатов и ацетилацетонатов металлов) при помощи длинноцепных (С14-С18) многоатомных спиртов или аминов 3. терморазложение солей жирных кислот (олеатов, стеаратов, миристиатов) в высококипящих углеводородах (октадецен, тетракозан, эйкозан, гептадекан и т.д.).

Приготовление монометаллических наночастиц с размерами в пределах от 3 до 10 нм Приготовление монометаллических наночастиц с размерами в пределах от 3 до 10 нм Никеля Железа Кобальта Приготовление биметаллических наночастиц имеется подходящий гетерометаллорганический прекурсор используется смесь металлорганических соединений.

Спектр получаемых материалов гораздо шире: Спектр получаемых материалов гораздо шире: от наночастиц металлов, оксидов – NiO Fe3O4 CoO MnO до биметаллических – FePt, MnPt3, FeCo триметаллических – FexCoyPt100x-y (наночастиц, ферритов – CoFe2O4, NiFe2O4 бислойных core-shell наночастиц, например FePtFe3O4

Разложение солей жирных кислот – относительно новый экспериментальный подход: Разложение солей жирных кислот – относительно новый экспериментальный подход: возможность прецизионно контролировать размер получаемых наночастиц. Размерная серия наночастиц магнетита (Fe3O4,) полученных термолизом олеата железа в октадецене. Серьезное преимущество: возможность производить за один эксперимент наночастицы в количествах до 40 грамм

ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ХИМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА МАГНИТНЫХ НАНОЧАСТИЦ

ГИДРОЛИЗ, СООСАЖДЕНИЕ

МИЦЕЛЛЫ