 |
Компактирование ультрадисперсных порошков.
|
|
|
|
Ответ:
Компактирование нанопорошков (англ. compaction of nanopowders) — это технологический процесс: принудительное уплотнение наноструктурированных материалов различными методами: холодным статическим прессованием с односторонним или двусторонним приложением давления; горячим аксиальным прессованием; холодным или горячим изостатическим прессованием в гидро- или газостатах; магнитно-импульсным, ударным, взрывным и ультразвуковым прессованием и другими, в результате чего из нанопорошка получают готовую деталь.
Основные параметры компактирования — давление прессования и способ его приложения, среда и скорость проведения процесса. Основная трудность, возникающая при использовании порошковых технологий для получения компактных изделий из нанопорошков, связана с остаточной пористостью, которая может быть уменьшена приложением высокого статического или динамического давления. Динамические методы компактирования нанопорошков позволяют преодолеть силы адгезионного сцепления, особенно значимые для наночастиц с их высокоразвитой поверхностью, и при одинаковом давлении достичь большей плотности компактных образцов, чем в условиях стационарного прессования
Ультрадисперсные порошки – это, прежде всего, исходное сырье для получения консолидированных наноструктурных материалов определенной формы с заданными функциональными свойствами, предназначенных для практического использования. По существующим технологиям нанопорошки (или их различные смеси) прессуют, а затем спекают. Консолидация нанодисперсных порошков может осуществляться различными методами, в которых используются высокие температуры и дополнительные внешние воздействия. К наиболее распространенным методам следует отнести горячее прессование, динамическое прессование, экструзию при высоких давлениях, электроразрядное спекание, спекание в ударных волнах и др. Однако традиционные методы консолидации порошков не всегда являются приемлемыми для нанопорошков. В процессах компактирования нанопорошков необходимо обеспечить максимальную плотность, минимальную пористость, и сохранить у конечного материала нанокристаллическую структуру. Эта задача в физическом и материаловедческом отношениях является противоречивой. На уплотнение дисперсных порошков значительное влияние оказывают такие параметры, как средний размер частиц, содержание примесей, состояние поверхности, форма частиц, способ прессования.
|
|
|
Для сохранения малого размера наночастиц в наноструктурах, предпочтительнее использовать низкую температуру, высокое давление и скорости деформации. В ряде случаев понижение температуры спекания достигают за счет введения в шихту модифицирующих добавок. Для эффективной консолидации наноструктур успешно применяется магнитно-импульсный метод. В этом случае прессование осуществляется под действием импульсных волн сжатия за счет быстрого выделения энергии при трении наночастиц в процессе упаковки. Магнитно-импульсное прессование позволяет генерировать импульсные волны сжатия с давлением до 5 ГПа и длительностью в несколько микросекунд, что приводит к более высокой плотности наноматериалов.
Компактирование нанопорошков (англ. compaction of nanopowders) — принудительное уплотнение наноструктурированных материалов различными методами: холодным статическим прессованием с односторонним или двусторонним приложением давления; горячим аксиальным прессованием; холодным или горячим изостатическим прессованием в гидро- или газостатах; магнитно-импульсным, ударным, взрывным и ультразвуковым прессованием и другими
|
|
|
Основные параметры компактирования — давление прессования и способ его приложения, среда и скорость проведения процесса. Основная трудность, возникающая при использовании порошковых технологий для получения компактных изделий из нанопорошков, связана с остаточной пористостью, которая может быть уменьшена приложением высокого статического или динамического давления. Динамические методы компактирования нанопорошков позволяют преодолеть силы адгезионного сцепления, особенно значимые для наночастиц с их высокоразвитой поверхностью, и при одинаковом давлении достичь большей плотности компактных образцов, чем в условиях стационарного прессования[1].
1. Компактирование ультрадисперсных порошков;
2. Схема получения объемных наноматериалов методом испарения, конденсации и компактирования;
3. Метод теплого прессования;
4. Метод горячего прессования.
Второе направление, связанное с компактированием УДП, развивается по нескольким вариантам. В первом случае используется метод испарения и конденсации атомов для образования нанокластеров – частиц, осаждаемых на холодную поверхность вращающего цилиндра в атмосфере разреженного инертного газа, обычно гелия (рисунок 5.1).
|
1 – вращающийся цилиндр, охлаждаемый жидким азотом; 2 – скребок; 3 – инертный газ (обычно Не); 4 – испаритель; 5 – клапан; 6 – фиксирующая пресс-форма; 7 – салазки; 8 – поршень; 9 – гильза; 10 – узел окончательного компактирования при высоком давлении; 11 – узел предварительного компактирования
Рисунок 5.1 – Схема получения объемных наноматериалов методом испарения, конденсации и компактирования
При испарении и конденсации металлы с более высокой температурой плавления образуют обычно частицы меньшего размера. Осажденный конденсат специальным скребком снимается с поверхности цилиндра и собирается в коллектор. После откачки инертного газа в вакууме проводится предварительное (под давлением примерно 1 ГПа) и окончательное (под давлением до 10 ГПа) прессование нанопорошка. В результате получают образцы диаметром 5…15 мм и толщиной 0,2…0,3 мм с плотностью 70…95 % от теоретической плотности соответствующего материала (до 95 % для наноматериалов и до 85 % для нанокерамики). Полученные этим способом компактные наноматериалы, в зависимости от условий испарения и конденсации, состоят из кристаллов (зёрен) со средним размером от единиц до десятков нанометров. Следует подчеркнуть, что создание из порошков плотных, близких к 100 % теоретической плотности наноматериалов – проблема весьма сложная и до сих пор не решенная, поскольку нанокристаллические порошки плохо прессуются и традиционные методы статического прессования не дают результатов.
|
|
|
Другой способ связан с компактированием порошков, полученных способами механического измельчения и механического легирования. Однако здесь также имеются проблемы компактирования получаемых нанопорошков и изготовления объёмных наноструктурных образцов и заготовок с высокой плотностью. При применении методов теплового прессования компактирование порошков аморфных металлических систем (АМС) осуществляется в температурной области Т вблизи температуры стеклования Т g, в которой происходит значительное снижение вязкости аморфного сплава, достигающее нескольких подряд величин. При Т > Тр, где Тр (≈0,7 Т g) – температура перехода от низкотемпературного гетерогенного пластического течения к высокотемпературному гомогенному течению, материал деформируется однородно, а уровень требуемого для достижения этого напряжения может быть значительно понижен.
Однако развитие методов компактирования АМС наталкивается на серьезные трудности – температурный интервал при реализации механизма гомогенного течения с низкой вязкостью достаточно узок и примыкает к температуре кристаллизации. Должны быть выполнены условия в процессе компактирования для предотвращения возникновения кристаллизации АМС. Для успешного развития методов синтеза массивных порошковых АМС и изделий из них необходимо уметь прогнозировать оптимальные параметры (время, температуру, давление) процесса прессования. Значения этих параметров должны определяться из условия достижения требуемой плотности компакта конкретного сплава при сохранении аморфного состояния. Установление оптимальных режимов компактирования опытным путём – чрезвычайно сложная и трудоёмкая задача. Поэтому большое значение имеет теоретический анализ процесса теплого прессования АМС, в том числе выяснение условий получения наноаморфных твёрдых тел.
|
|
|
При сближении частиц под действием внешней нагрузки возникает вязко-пластическое течение поверхностных слоёв в неоднородных полях напряжений при контактных взаимодействиях частиц. Одновременно происходят процессы гомогенизации материала наночастиц. В зависимости от относительных размерных и структурных параметров частиц и их поверхностных слоев (соотношения толщины слоя и радиуса частицы, а также соотношения вязко-пластичных характеристик материала слоя и основной части частиц) возможно формирование разных структурных состояний наноаморфных твёрдых тел.
Если концентрация избыточного свободного объёма в поверхностном слое частицы выше, чем в объёме, и при этом поверхностный слой не обогащён примесями, охрупчивающими АМС, то вязкость материала слоя будет ниже, чем материала внутреннего объема, и процесс уплотнения компакта будет происходить за счёт вязкопластического течения материала поверхностного слоя. При этом будет формироваться структура, показанная на рисунке 5.2, а. Толщина поверхностного слоя (δ) частиц должна быть при этом достаточной для реализации роста контактных перешейков и сближения частиц за счёт течения материала поверхностного слоя (δ > δr). Параметр δr (р) – расстояние сближения частиц для достижения необходимой плотности компакта (р) под действием внешнего давления (Р). В этом случае кинетика уплотнения компакта будет определяться вязкостью материала поверхностных слоёв частиц.
В противном случае (δ < δr) процесс роста контактных перешейков в ходе уплотнения компакта будет происходить за счёт течения, как материала поверхностного слоя частицы, так и материала основного её объёма. В этом случае при расчете кинетики уплотнения нужно использовать эффективную вязкость материала в области контактного перешейка, определяемую с помощью правила смесей через вязкости материалов слоя и внутреннего объёма частицы. При этом будет формироваться структура типа изображённой на рисунке 5.2, б. Возможны также более сложные процессы, например, образование областей с иными параметрами топологического и композиционного порядка на границах контактирующих частиц (рисунок 5.2, в).
|
|
|
В ходе уплотнения компакта происходят также процессы гомогенизации структуры частиц. Для получения компактных материалов с малой пористостью применяют метод горячего прессования, когда прессование происходит одновременно со спеканием. В данном случае давление прессования снижается в десятки раз по сравнению с холодным прессованием. Температура горячего прессования в зависимости от природы спекаемого материала находится в пределах 50…90 % от температуры плавления основного компонента. Однако повышение температуры компактирования приводит к быстрому росту зёрен и выходу из наноструктурного состояния, а консолидация нанопорошков при низких температурах, даже в условиях высоких приложенных давлений, ведёт к остаточной пористости. Более того, проблемами остаются загрязнения образцов при подготовке порошков и особенно увеличение их геометрических размеров.
Рисунок 5.2 – Структурные состояния наноаморфных твёрдых тел
|
|
|
