|
глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов
разложения термопластических веществ с материалом порошка, обе-
спечение свободного удаления смеси при выжигании). Поэтому дан-
ный метод ограниченно используется для получения небольших спе-
циальных деталей сложной формы с толщиной стенок менее 10 мм.
Вариантом метода является использование водной суспензии порош-
ка. Суспензию отливают в форму, а затем замораживают. Просушка
заготовки осуществляется в замороженном виде, а затем проводится
процесс спекания.
Следует отметить, что необходимым условием формирования на-
ноструктуры при спекании компактов нанопорошков является обе-
спечение высокой скорости уплотнения, которая достигается при наи-
меньших размерах пор. Создание плотных прессовок с равномерной
плотностью по объему является сложной задачей, поскольку нано-
кристаллические порошки плохо прессуются. Физической причиной
плохой прессуемости нанопорошков являются межчастичные адге-
зионные силы, относительная величина которых резко возрастает
с уменьшением размера частиц, а значит, и существенно возрастает
компонента межчастичного трения в прессуемом порошковом теле.
В то же время для нанопорошков характерна низкая насыпная плот-
ность вследствие большого объема сорбированных газов. Количество
физически и химически сорбированных газов в нанопорошках метал-
лов и их оксидов может достигать 20 об. %. Отсюда возникают особые
требования к хранению, технологической подготовке и применению
нанопорошков на всех этапах порошковой технологии.
Однако высокая поверхностная активность нанопорошков из-за
большой доли поверхностных атомов в наночастицах должна приво-
дить к более высоким коэффициентам диффузии при механоактива-
ции и спекании, к снижению температуры эффективного протекания
этих процессов. Однако на практике возникает проблема сохранения
наноструктуры компактов до спекания, т. е. предотвращения интен-
сивной агломерации наночастиц при высоких давлениях прессования,
чтобы сохранить центры зародышеобразования нанозерен перед спе-
канием и предотвратить рост зерен в процессе спекания.
Дисперсность порошков оказывает на их уплотняемость гораздо
большее влияние, чем их физико-механические свойства. Например,
в ультрадисперсном состоянии порошки пластичного никеля и хруп-
кого нитрида кремния прессуются практически одинаково, несмотря
71
2.1. Компактирование нанопорошков
на различия их свойств. Тем не менее тип нанопорошка имеет суще-
ственное значение для описания процесса их прессования и разра-
ботки методов компактирования. Именно поэтому традиционные
методы статического прессования не приводят к достаточно высокой
плотности прессовок.
Метод получения компактных нанокристаллических материалов
заключается в конденсации наночастиц в атмосфере разреженного
инертного газа, осаждении наночастиц на холодную поверхность вра-
щающегося цилиндра, соскребании наночастиц с поверхности цилин-
дра в коллектор. После откачки инертного газа из камеры в вакууме
проводится предварительное (под давлением около 1 ГПа) и оконча-
тельное (под давлением до 10 ГПа) прессование нанокристалличе-
ского порошка. Такой метод получения плотных трехмерных (3D)
наноматералов называется методом Гляйтера. На установках получа-
ют пластинки диаметром от 5 до 15 мм и толщиной от 0.2 до 3.0 мм
с плотностью от 70 до 90 % от теоретической плотности соответству-
ющего материала. В частности, для нанокристаллических металлов
плотность доходит до 97 %, а для нанокерамики — до 85 %. Получен-
ные этим способом компактные наноматериалы в зависимости от ус-
ловий испарения и конденсации состоят из частиц со средним раз-
мером
D
от 1 до 100 нм. Исключение контакта с окружающей средой
при получении нанопорошка и его прессовании позволяет избежать
загрязнения компактных нанокристаллических образцов, что весьма
важно при изучении наносостояния металлов и сплавов. Описанную
аппаратуру можно применять для получения компактных нанокри-
сталлических оксидов и нитридов. В этом случае металл испаряется
в кислород- или азотсодержащую атмосферу.
Пористость нанокерамики, полученной компактированием по-
рошков, в первую очередь обусловлена порами, расположенными
в тройных стыках кристаллитов и на границах зерен. Уменьшение
дисперсности порошков сопровождается заметным снижением их
уплотняемости при прессовании с одинаковым значением давления.
Равномерное распределение пористости достигается прессованием
при такой повышенной температуре, которая еще не приводит к ин-
тенсивной рекристаллизации. Так, обычное спекание высокодисперс-
ного порошка оксида циркония размером частиц от 40 до 60 нм при
1370 K в течение 10 с позволяет достичь относительной плотности
72
Do'stlaringiz bilan baham: |
