Метод компактирования ультрадисперсных порошков.

Ответ:

Широкую известность и популярность приобрел метод получения компактных нанокристаллических материалов. Данная технология использует метод испарения и конденсации для получения нанокристаллических частиц, осаждаемых па холодную поверхность вращающегося цилиндра; испарение и конденсация проводятся в атмосфере разреженного инертного газа, обычно гелия; при одинаковом давлении газа переход от гелия к ксенону, т.е. от менее плотного инертного газа к более плотному, сопровождается ростом размера частиц в несколько раз. Частицы поверхностного конденсата, как правило, имеют огранку. При одинаковых условиях испарения и конденсации металлы с более высокой температурой плавления образуют частицы меньшего размера. Осажденный конденсат специальным скребком снимается с поверхности цилиндра и собирается is коллектор. После откачки инертного газа в вакууме проводится предварительное (под давлением ~ 1 ГПа) и окончательное (под давлением до ЮГПа) прессование нанокристаллического порошка (рис. 1).

Рисунок 1. Схема аппаратуры для полумения компактных нанокристаллических материалов методом испарения, конденсации и комлактирования [8|: вещество, испаренное или распылённое ил одного или нескольких источников, конденсируется в виде наночастиц в атмосфере разреженного инертного газа и с помощью конвекции переносится на поверхность вращающегося и охлаждающегося жидким азотом цилиндра; нанопорошок скребком удаляется с поверхности цилиндра, собирается в пресс-форму и последовательно компактируется при низком, а затем при высоком давлении прессования

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 в [5 9] аппаратуру можно применять для получения компактных нанокристаллических оксидов и нитридов; в этом случае металл испаряется в кислород- или азотсодержащую атмосферу. Как пример па рис. 2 показан компактный образец нанокристаллического оксида Z1O2, полученный описанным методом. Средний размер зёрен в образце равен 20 им. Диаметр образца равен 5 мм, толщина составляет около 1 мм.

Рисунок 2. Компактный образец панокристаллическот оксида ZrOa, приготовленный методом испарения, конденсации и компактирования, предло - женным Г. Пляйтером |5, 8|. Диаметр образца 5 мм, толщина около 1 мм, средний размер зёрен в образце 20 им (Институт теоретической и прикладной физики Штутгартского университета, Штутгарт, Германия)

Перспективным методом получения высокоплотных компактных тонкозернистых материалов является спекание при высоком (до 10 ГПа и более) давлении. Например, порошок TiN со средним размером частиц 40 нм спекали при давлении 3 и 4ГПа и температуре от 1000 до 1800 К. Максимальная плотность спечённого образца достигалась при температуре спекания 1670К. Повышение давления сопровождалось увеличением плотности до 94% от теоретической. Размер кристаллитов составлял 200-400 нм. Заметим, что в образцах, спечённых при температуре 1400 1500 К, размер кристаллитов не превышал 60 им, а относительная плотность образца достигала 92 93%.

В целом для получения компактных нанокристаллических материалов, в особенности керамических, перспективно прессование с последующим высокотемпературным спеканием нанопорошков. При реализации этого способа необходимо избегать укрупнения зёрен па стадии спекания спрессованных образцов. Это возможно при высокой плотности прессовок (не менее 0,7 от рентгеновской плотности), когда процессы спекания протекают достаточно быстро и при относительно низкой температуре Т < 0,5Tmeit (температура плавления). Получение таких плотных прессовок является серьезной проблемой, поскольку нанокристаллические порошки плохо прессуются и традиционные метода статического прессования не приводит к достаточно высокой плотности. Физической причиной плохой прессуемости нанопорошков являются межчастичные адгезионные силы, относительная величина которых резко возрастает с уменьшением размера частиц.

Применение динамических методов сжатия нанопорошков позволяет преодолеть силы адгезионного сцепления частиц и при одинаковом давлении достичь большей плотности компактных образцов, чем в условиях стационарного прессования.

Для компактирования нанокристаллических порошков достаточно эффективным оказался магнитно-импульсный метод. Этот метод представляет собой сухое интенсивное прессование порошков. Метод магнитного импульсного прессования позволяет генерировать импульсные волны сжатия с амплитудой до 5 ГПа и длительностью в несколько микросекунд. Метод основан на концентрировании силового действия магнитного поля мощных импульсных токов, позволяет относительно просто управлять параметрами волны сжатия, экологически чист и значительно безопаснее динамических методов, использующих взрывчатые вещества.

Принципиальная схема одноосного магнитно-импульсного прессования показана на рис. 3. Индуктор 1 создаёт импульсное магнитное поле В. Механический импульс силы F, сжимающей порошок, генерируется в результате взаимодействия импульсного магнитного поля с проводящей поверхностью концентратора 2. Концентратор приводит в действие верхний пуансоп 3, которым сжимается порошок. Перемещение концентратора основано на использовании диамагнитного эффекта выталкивания проводника из области импульсного магнитного поля. Матрица с образцом помещается в вакуумную камеру, и все операции с порошком осуществляются в вакууме.

а                         б

Рисунок 3. Схема одноосного магнитно-импульсного прессования; а-стадия сжатия, б-стадия выемки готового образца, 1-индуктор, 2-концентратор, 3-верхний и нижний пуансоны, 4-порошок, 5-матрица, 6-устройство выемки образца

В отличие от стационарных методов прессования, импульсные волны сжатия сопровождаются интенсивным разогревом порошка за счёт быстрого выделения энергии при трении частиц в процессе упаковки. Если размер частиц достаточно мал (D 4 0, Змкм), то время их прогрева диффузией тепла с поверхности оказывается заметно меньше характерной длительности импульсных воли сжатия (1-10 мкс). При определённых условиях, подбором параметров волны сжатия, можно реализовать динамическое горячее прессование ультрадисперсного порошка за счёт высокой поверхностной энергии последнего. При одинаковой величине давления прессования магнитно-импульсный метод позволяет получать более плотные компактные образцы, чем стационарное прессование.

Полученные с помощью электровзрыва порошки нитрида алюминия А1N прессуются магнитно-импульсным методом под давлением 2 ГПа до плотности 95% от теоретической, a AI2O3 - до относительной плотности, равной 86%. Магнитно-импульсный метод прессования использован для получения изделий различной формы, причём в большинстве случаев эти изделия не требуют какой-либо дополнительной механической обработки. В частности, при работе со сверхпроводящими оксидными керамиками |20] были получены изделия с плотностью более 95% от теоретической. В общем случае применение импульсных давлений приводит к более высокой плотности образцов по сравнению со статическим прессованием благодаря эффективному преодолению сил межчастичного взаимодействия при быстром движении порошковой среды. Краткость разогрева нанопорошка позволяет уменьшить его рекристаллизацию при высокой температуре и сохранить малый размер частиц.

Магнитно-импульсный метод применялся для прессования нано - кристаллических порошков AI2O3 |23, 24] и TiN [25]. Результаты |25] показали, что повышение температуры прессования до ~ 900 К более эффективно, чем увеличение давления при холодном прессовании. При импульсном давлении 4,1 ГПа и температуре 870 К удалось получить компактные образцы нанокристалличсского нитрида титана с размером зёрен ~ 80 им и плотностью около 83% от теоретического значения. Снижение температуры прессования до 720 К сопровождалось уменьшением плотности до 81%.

Перспективным и эффективным методом компактирования керамических нанопорошков без применения пластификаторов является сухое холодное ультразвуковое прессование [27, 28]. Воздействие на порошок мощного ультразвука в процессе прессования уменьшает межчастичное трение и трение порошка о стенки пресс-формы, разрушает агломераты и крупные частицы, повышает поверхностную активность частиц порошка и равномерность их распределения по объёму. Это приводит к повышению плотности спрессованного изделия, ускорению диффузионных процессов, к ограничению роста зёрен при последующем спекании и к сохранению наноструктуры. Например, в результате ультразвукового прессования нанопорошка Zr02, стабилизированного оксидом Y2O3, и последующего спекания образцов на воздухе при температуре 1923 К удалось получить керамику с относительной плотностью около 90%. Средний размер частиц в исходном нанопорошке был около 50 им. Средний размер зёрен в спечённой керамике зависит от мощности ультразвуковых колебаний при прессовании: увеличение мощности ультразвука от О до 2 кВт приводит к уменьшению среднего размера зёрен от 440 до 200 нм.

Ультразвуковое прессование нанопорошков особенно эффективно для изготовления изделий сложной формы: втулок, конических шестеренок, спиралей и т.д. (рис. 4) [29]. Полученные керамические изделия отличаются однородной микроструктурой и плотностью.

Рисунок 4. Керамические изделия, полученные ультразвуковым прессованием нанопорошков

Таким образом, имеется несколько методов компактирования нанокристаллических порошков, с помощью которых можно изготовить керамические заготовки с высокой относительной плотностью и однородностью. Последующее спекание таких керамических заготовок позволяет сохранить их высокую плотность и, в меньшей степени, наноструктуру.