Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие

глава 2. Получение компактных двумерных и трехмерных наноматериалов
72 % при средней величине зерна в спеченном образце 120 нм; горя-
чее прессование при этой же температуре и давлении 1.6 ГПа позво-
ляет получить спеченный материал с относительной плотностью 87 % 
и средним размером зерна 130 нм. Снижение температуры спекания 
до 1320 K и увеличение продолжительности спекания до 5 ч дало воз-
можность получить компактный оксид циркония ZrO
2
с относитель-
ной плотностью более 99 % и средним размером зерна 85 нм. Иссле-
дования показали, что самые плотные (с относительной плотностью 
98 %) образцы нитрида титана получаются спеканием образцов, спрес-
сованных из наиболее мелких нанопорошков (
D 
может варьироваться 
от 8 до 25 нм) с минимальной дисперсией размеров зерен.
Для компактирования нанопорошков достаточно эффективным 
является 
магнитно-импульсный метод
, который успешно раз-
рабатывается в Институте электрофизики УрО РАН. Метод основан 
на концентрировании силового действия магнитного поля мощных 
импульсных токов, позволяет относительно просто управлять пара-
метрами волны сжатия, экологически чист и значительно безопаснее 
динамических методов, использующих взрывчатые вещества. Метод 
позволяет генерировать импульсные волны сжатия с максимальной 
амплитудой до 5 ГПа и длительностью в несколько микросекунд.
В отличие от стационарных методов прессования, импульсные вол-
ны сжатия сопровождаются интенсивным разогревом порошка за счет 
быстрого выделения энергии при трении частиц в процессе упаковки. 
Если размер частиц достаточно мал (
D 
≤
0.3 мкм), то время их про-
грева диффузией тепла с поверхности оказывается заметно меньше 
характерной длительности импульсных волн сжатия (от 1 до 10 мкс). 
При одинаковом значении давления прессования магнитно-импульс-
ный метод в некоторых случаях позволяет получать более плотные 
компактные образцы, чем стационарное прессование.
В основе данного метода лежит взаимодействие импульсного маг-
нитного поля индуктора с магнитным полем вихревых токов, наве-
денных в электропроводящем элементе, уплотняющем порошок. 
В качестве таких элементов используются контейнеры из хорошо про-
водящих электрический ток материалов (медь, алюминий) или элек-
тропроводящие плиты — пуансоны. Метод магнитно-импульсного 
прессования (МИП) характеризуется мягкими импульсными волна-
ми сжатия в порошках с амплитудой до 2 ГПа (при многократном ис-

---

73
2.1. Компактирование нанопорошков
пользовании пресса) и длительностью в диапазоне от 10 до 500 мкс. 
Есть возможность генерировать и более высокие импульсные дав-
ления, порядка 10 ГПа, но при однократном использовании пресса.
Мягкие импульсные волны сжатия оказываются весьма эффек-
тивным инструментом для уплотнения порошков с размером частиц 
меньше 100 нм. При импульсном сжатии нанопорошков удачно соче-
таются одновременные действия следующих существенных факторов:
— высокое импульсное давление способствует силовому уплотне-
нию наночастиц;
— влияние большого механического импульса частиц выражается 
в значительном снижении роли потенциального межчастичного вза-
имодействия, препятствующего взаимному перемещению наноча-
стиц, что можно рассматривать как повышение подвижности частиц, 
а на макроуровне — как снижение внутреннего трения. Это позволя-
ет получать прессовки из нанопорошков с более высокой плотностью. 
Причем роль данного эффекта усиливается при уменьшении средне-
го размера частиц в порошке;
— за счет быстротечности импульсного прессования в ряде слу-
чаев удается сохранять метастабильные структурно-фазовые состоя-
ния порошков, предпочтительные для формируемого объемного на-
номатериала.
В установках МИП реализовано прессование с использованием 
плоских и радиально сходящихся волн сжатия. На рис. 2.1 представле-
на схема плоского (одноосного) магнитно-импульсного пресса, кото-
рый содержит плоский спиральный индуктор и расположенный рядом 
механический концентратор (массивная проводящая плита), отделя-
емый от индуктора тонким изолирующим зазором.
Индуктор и концентратор вместе представляют асимметричную 
индукторную систему. При пропускании разрядного тока 

i
нако-
пителя через индуктор в зазоре между ним и концентратором соз-
дается импульсное магнитное поле 

B
, индуцирующее ток плотно-
стью 

j
в проводящей поверхности концентратора. Результирующая 
импульсная сила 

f
, выталкивающая концентратор из области маг-
нитного поля, является результатом взаимодействия индуцирован-
ного тока 

j
и магнитного поля. Концентратор, аккумулируя ме-
ханический импульс, приводит в движение пуансон, сжимающий 
порошок в матрице.

---

74