|
Плазмохимический синтез нанопорошков
(англ.
plasma chemical
technique)
— химический метод получения высокодисперсных порош-
ков нитридов, карбидов, боридов и оксидов, заключающийся в про-
текании реакции в низкотемпературной плазме вдали от равновесия
при высокой скорости образования зародышей новой фазы и малой
скорости их роста.
Метод порошковой металлургии разработали российские ученые
П. Соболевский и В. Любарский, впервые на практике применив его
в 1826 году при изготовлении монет из платины в Петербургском мо-
нетном дворе. Температура плавления платины, составляющая 1770 °C,
в то время была недостижимой, а спекание в специальной форме из-
мельченного порошка этого металла тогда удалось осуществить, по-
скольку спекание происходит при более низкой температуре.
В начале XX века эта технология вновь привлекла к себе внимание
в ряде стран, в результате стали производить материалы, обладающие
уникальными свойствами (повышенная твердость, износостойкость
18
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков
и другие ценные качества), получение которых иными способами
недостижимо.
Как известно, плазма «четвертое состояние вещества» — пол-
ностью или частично ионизованный газ, который, в частности, по-
зволяет стабилизировать ее состояние, воздействуя на плазменную
струю электромагнитным полем. Применение в химической техно-
логии и металлургии получила термическая, или низкотемператур-
ная плазма, для которой, в отличие от космической или термоядер-
ной, характерен диапазон температур от 10
3
до 10
4
K, достижимый
в специальных электроразрядных устройствах, называемых плаз-
мотронами. Как правило, в металлургии используют их электроду-
говой вариант, но для получения особо чистых материалов можно
применять и без электродные высокочастотные установки, посколь-
ку плазма образуется в результате дугового разряда и затем стаби-
лизируется, во-вторых, она образуется вследствие разряда между
обкладками конденсатора или при воздействии высокочастотных
полей на газовую среду.
Термическая плазма в данном случае является высокотемператур-
ным теплоносителем. С его помощью материал плавится, испаряется,
претерпевает физико-химические превращения, а затем конденсиру-
ется, т. е. возвращается в твердое состояние. Отсутствие темпера-
турных ограничений, существующих в традиционных технологиях,
позволяет интенсифицировать физико-химические процессы и обе-
спечивает создание продуктов требуемого химического состава, агре-
гатного состояния и форморазмеров, в т. ч. и в виде нанопорошков.
Основными условиями получения высокодисперсных порошков
этим методом являются протекание реакции вдали от равновесия
и высокая скорость образования зародышей новой фазы при малой
скорости их роста. В реальных условиях плазмохимического синтеза
получение наночастиц целесообразно осуществлять за счет увеличе-
ния скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит кон-
денсация из газовой фазы. Благодаря этому уменьшается размер обра-
зующихся частиц, а также подавляется рост частиц путем их слияния
при столкновении.
В этом методе используется низкотемпературная (от 4000
до 10 000 K) азотная, аммиачная, водородная, углеводородная, арго-
новая плазма, которую создают с помощью дугового, тлеющего, вы-
19
1.2. Плазмохимический синтез
соко- или сверхвысокочастотного разрядов. Характеристики получа-
емых порошков зависят от используемого сырья, технологии синтеза
и типа реактора. Часто частицы плазмохимических порошков являют-
ся монокристаллами и имеют размеры от 10 до 200 нм и более. Плаз-
мохимический синтез обеспечивает высокие скорости образования
и конденсации соединения и отличается достаточно большой про-
изводительностью. Главные недостатки плазмохимического синте-
за — широкое распределение частиц по размерам, т. е. низкая селек-
тивность процесса, а также высокое содержание примесей в порошке.
Высокая температура плазмы обеспечивает переход всех исходных
веществ в газообразное ионизированное состояние. Наличие ионов
приводит к высоким скоростям взаимодействия и быстрому (от од-
ной микросекунды до одной миллисекунды) протеканию реакций.
На первом этапе плазмохимического синтеза происходит образова-
ние активных частиц в дуговых, высокочастотных и сверхвысокоча-
стотных плазменных реакторах. На следующем этапе в результате за-
калки происходит выделение продуктов взаимодействия. Выбор места
и скорости закалки позволяет получить порошки с заданными соста-
вом, формой и размером частиц.
Существуют различные варианты получения порошков плазмо-
химическим способом: реагенты подаются в плазму в газообразном
виде, в виде диспергированной жидкости, в виде порошка (взвешен-
ных в потоке плазмы либо в медленно перемещающемся слое).
Переработка газообразных соединений в плазме представляет наи-
больший интерес с точки зрения задачи получения нанодисперсных
порошков:
— поскольку химические реакции образования целевого продук-
та протекают в газовой фазе при очень высоких температурах, что
обусловливает их высокую скорость и высокую производительность
реактора;
— продукты получаются в результате конденсации соединений
из газовой фазы и, как правило, представляют нанодисперсные по-
рошки;
— исходное сырье может быть подвергнуто глубокой очистке,
в ходе реакции оно не соприкасается со стенками реактора;
— метод позволяет путем смешивания исходных паров получать
на выходе сложные вещества, а также твердые растворы и композиты.
20
Do'stlaringiz bilan baham: |
