Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков
ударной волны достигают нескольких сотен мегапаскалей (тысяч ат-
мосфер) и порядка 10
4
K. В результате конденсации в потоке быстро 
расширяющегося пара образуются частицы очень малых размеров. Ре-
гулируя условия взрыва, можно получать порошки размером частиц 
от 100 мкм до 50 нм. Средний размер частиц монотонно убывает с ро-
стом плотности тока и сокращением длительности импульса. Элек-
тровзрыв в инертной атмосфере позволяет получать порошки метал-
лов и сплавов (оксиды, нитриды и карбиды металлов), а с помощью 
введения в реактор дополнительных реагентов (воздух, смесь кисло-
рода и инертного газа, азот, дистиллированная вода, декан C
10
H
22
, па-
рафин, техническое масло) можно получать тонкодисперсные порош-
ки оксидов, нитридов, карбидов или их смесей. В литературе описаны 
полученные электровзрывом в инертном газе при давлении 200 Па 
порошки меди с максимумом распределения по размерам, соответ-
ствующим около 20 нм, и порошки алюминия средним размером ча-
стиц около 50 нм.
Согласно экспериментальным данным порошки, получаемые мето-
дом электрического взрыва проволоки, имеют очень большую избы-
точную энергию. Так, порошки алюминия средним размером частиц 
от 500 до 800 нм обладают избыточной энергией до 200 кДж · моль
–1
, 
а порошки серебра средним размером частиц около 120 нм имеют 
избыточную энергию до 80 кДж · моль
–1
, что в несколько раз боль-
ше теплоты плавления массивного вещества. Такой избыток энергии 
не может быть обусловлен вкладом только поверхностной энергии. 
Обнаруженное запасание большой избыточной энергии тонкодисперс-
ными порошками, полученными электровзрывом, полного объясне-
ния пока не получило. Высказано мнение, что избыточная энергия 
запасается в виде энергии поверхности, внутренних дефектов и заря-
довых состояний. Распределение частиц порошков по размеру явля-
ется логарифмически нормальным, максимум распределения лежит 
в области от 10 до 500 нм. Частицы порошков металлов и сплавов, по-
лученных электровзрывом, являются сферическими, а частицы ни-
тридных порошков имеют огранку.
В последние 10 лет развивается также электроэрозионный спо-
соб получения нано- и субмикрокристаллических порошков метал-
лов и сплавов.

---

59
1.10. Самораспространяющийся высокотемпературный синтез
1.10. Самораспространяющийся
высокотемпературный синтез
Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС) 
представляет собой быстро распространяющийся процесс твердого го-
рения реагентов (металла и углерода для получения карбидов или ме-
талла в среде азота — нитридов) при температуре от 2500 до 3000 K. 
Размер частиц в продукте СВС обычно бывает от 1 до 5 мкм, и пото-
му предполагалось, что получить методом СВС вещества в нанокри-
сталлическом состоянии нельзя.
Синтез наноразмерных порошков карбида титана был проведен 
методом СВС с использованием инертного разбавителя, предотвра-
щающего рост образующихся частиц. Для синтеза карбида титана ис-
пользовали смесь Ti + C + 
m
NaCl, где 
m
составляло от 0.2 до 0.7 моль 
хлорида натрия на один атом Ti или C. Размер частиц исходных по-
рошков Ti, C и NaCl не превышал 50, 0.1 и 150 мкм соответственно. 
Из порошковой смеси прессовали образцы диаметром 30 и высотой 
40 мм. Синтез проводили в стандартном реакторе в атмосфере арго-
на под давлением 0.5 МПа. Процесс горения инициировали импуль-
сом тока (напряжение 
U 
от 15 до 20 В, продолжительность импульса 
около 1 с), который подводился к образцу с помощью вольфрамовой 
проволоки. При увеличении количества добавленного хлорида на-
трия 
m
от 0.2 до 0.7 температура горения понижалась с 2500 до 1950 K.
В процессе горения происходила спонтанная гомогенизация исход-
ной смеси вследствие плавления Ti и NaCl. Микроскопическое иссле-
дование показало, что образующиеся частицы карбида титана распре-
делены в расплаве NaCl и изолированы одна от другой тонким слоем 
этого расплава, что предотвращает их дальнейший рост. Не обнаруже-
но образования каких-либо промежуточных фаз. Размер частиц кар-
бида титана уменьшается с ростом количества NaCl в исходной смеси. 
После отмывания NaCl полученный порошок карбида титана был из-
учен методами рентгеновской дифракции и электронной микроско-
пии. Синтезированный карбид титана имел кубическую структуру 
B
1 
с периодом 433 пм, порошок состоял из частиц неправильной формы 
размером от 20 до 300 нм, средний размер частиц около 100 нм. Оп-
тимальное содержание NaCl для синтеза наночастиц карбида титана 
соответствует 
m
= 0.4, или около 30 мас. %.

---

60