Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков
дезинтеграции характеризуется переходом одного вида энергии твер-
дого тела в другой: до разрушения тело обладает потенциальной энер-
гией, т. е. находится под действием внешних сил в состоянии упругой 
деформации, в результате разрушения потенциальная энергия пере-
ходит в кинетическую, причем энергия деформации превращается 
в тепло и рассеивается в окружающую среду.
В зависимости от размера кусков исходного и конечного материа-
ла различают два типа измельчения: дробление и размол. Дробление 
производят в дробилках разных систем: щековых, валковых, конусных, 
молотковых и т. д.; размол — в планетарных, шаровых, молотковых, 
вихревых, вибрационных, струйных мельницах и т. д. Механический 
высокоэнергетический размол — простой, эффективный и произво-
дительный способ получения в мельницах различных нанокристал-
лических порошков средним размером частиц менее 100 нм. Дан-
ный метод имеет ряд недостатков, таких как ограничение по классу 
исходных материалов, наличие примесей в продукте размола, невоз-
можность контроля размера частиц, большая длительность процесса 
и др. С помощью механического размола невозможно получить по-
рошки с наноразмерными частицами мягких, пластичных металлов, 
например меди.
Длительность процесса дезинтеграции и размер частиц получаемо-
го порошка связаны нелинейными зависимостями, которые включа-
ют множество параметров и уникальны для каждого материала. При 
прочих равных условиях размер частиц после размола тем меньше, 
чем больше введенная энергия и длительность размола, меньше масса 
и размер частиц исходного размалываемого порошка. Наряду с умень-
шением размера частиц, т. е. с измельчением, при размоле происходит 
микродеформация кристаллической решетки измельчаемого веще-
ства, и часть энергии расходуется на создание микронапряжений, что 
замедляет измельчение порошка. Наиболее тонкий размол осущест-
вляется с использованием жидкой размольной среды (спирты, другие 
органические растворители). Дело в том, что жидкости имеют посто-
янство объема, иными словами, они несжимаемы. При первых вза-
имодействиях мелющей системы с порошком в частицах последнего 
образуются трещины, в которые попадает размольная жидкость; при 
последующем взаимодействии эта жидкость внутри частицы играет 
роль «клина» и частица разрывается изнутри. Такой жидкостью явля-

---

51
1.7. дезинтеграция
ется, например, изопропиловый спирт: после размола он быстро ис-
паряется без сильного нагревания.
Процесс дезинтеграции сводится к простому разрушению крупно-
кристаллического порошка до более дисперсного состояния. Причем 
давление мелющих тел должно превышать при ударе величину моду-
ля сдвига вещества, иначе разрушения не произойдет. Получается, 
что на результат (средний размер частиц порошка) размола основ-
ное влияние оказывает энергия размола. Значение энергии склады-
вается из параметров размалываемого вещества (например, модуль 
сдвига, вектор Бюргерса, энергия атомизации), исходного размера 
порошка, параметров установки, в которой осуществляется размол 
(например, масса мелющей системы, скорость движения тел, геоме-
трия конструкции) и времени размола.
Энергия размола расходуется в двух направлениях — на разрыв 
межатомных связей в частице исходного порошка и на образование 
новой поверхности при измельчении этой частицы. В результате со-
вокупных механических воздействий высокой частоты и периодиче-
ски возникающих напряженных состояний в измельчаемом материале 
слабые места, всегда имеющиеся в структуре твердого материала, еще 
более ослабляются, и разрушение частиц происходит по этим местам.
Химически чистые и монофазные наночастицы нестехиометриче-
ских оксидов можно получать с помощью дезинтеграции крупнокри-
сталлических порошков в шаровой планетарной мельнице. Дезин-
теграция крупнокристаллических порошков монооксидов V, Ti и Nb 
с составом, близким к стехиометрическому МO
1.00
, была проведена 
в шаровой планетарной мельнице Retsch PM 200. Материалом раз-
мольных шаров и стаканов являлся диоксид циркония ZrO
2
, стабили-
зированный оксидом иттрия Y
2
O
3
. Соотношение масс размольных ша-
ров и порошка составляло 10:1, а скорость вращения опорного диска 
размольных стаканов 500 об/мин. В качестве размольной жидкости, 
которая призвана погасить сухое трение между размольными шарами 
и частицами порошка и таким образом предотвратить истирание ша-
ров и намол примесей в конечный продукт размола, был использован 
изопропиловый спирт CH
3
CH(OH)CH
3
, обладающий более высокой 
температурой самовоспламенения (729 K) по сравнению с другими 
часто используемыми размольными жидкостями. После дезинтегра-
ции на дифрактограммах монооксидов наблюдалось значительное 

---

52