МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ АЛЬ-ФАРАБИ
Физический факультет
Кафедра физики твердого тела и материаловедения
Дипломная (Выпускная) работа
Изучение наноструктуры порошков AL, Ni, W
Алматы, 2010
РЕФЕРАТ
Название работы: Изучение наноструктуры порошков AL (алюминий), Ni (никель), W (вольфрам).
Дипломная работа состоит из 20 листа, 3 таблиц и 16 рисунков.
Основные используемые слова и понятия: порошок, наноструктура, алюминий, никель, вольфрам, наноматериал, нанопорошок, метод электрического взрыва проводника, противоизносные и антифрикционные свойства, дифрактограмма, нанопорошковый металл, малодисперсность, облучение, нуклеинезация, новые технологии, технология, эксперимент, деталь, износ, термообработка.
Объектом исследования являются нанопорошковые дефекты AL (алюминия), Ni (никеля), W (вольфрама).
СОДЕРЖАНИЕ
РЕФЕРАТ
ВВЕДЕНИЕ 4
- НАНОПОРОШКИ 5
1.1 Нанопорошок алюминия 5
1.2 Нанопорошок никеля 5
1.3 Нанопорошок вольфрама 6
- ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ 7
2.1 Смазочные материалы, легированные нанопорошками 7
2.2 Применение нанопорошков в высокоэнергетических материалах
и процессах 10
- ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ МЕТОДОМ
«ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА» ПРОВОДНИКА 13
- ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 20
ВВЕДЕНИЕ
Целью работы является исследование стуктурных осообенностей нанопорошков.
Задачей данного исследования является определение состава, структуры и свойств нанопорошков.
Актуальностью является необходимость материалов для новой технологии и наноэлектроники
Одно из важнейших направлений нанотехнологии — это получение, изучение наночастиц (нанопорошков) и их применение в практике. К наночастицам, научное сообщество относит такие объекты, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм и которые обладают качественно новыми функциональными свойствами. По мнению экспертов в области нанотехнологий и инвестиций применение нанопорошков позволит существенно улучшить параметры существующих технологических процессов и создать новые технологии.
Используя нанопорошки, например как добавки, можно значительно улучшить качество многих продуктов — лекарств, смазочных материалов, топлив, полимеров, фильтров, геттеров, присадок к смазочным материалам, красящих и магнитных пигментов, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др. Для производства нанопорошков, используют метод электрического взрыва проводника (ЭВП). Особый интерес ЭВП представляет как метод получения порошков металлов с высокой химической активностью. По данным ряда исследователей, вследствие экстремальных условий образования электровзрывных наночастиц (высокие температуры и скорость процесса) при ЭВП возможно формирование неравновесной структуры дисперсной фаз[1].
1 НАНОПОРОШКИ
Нанопорошки – только один из многих существующих на сегодняшний день наноматериалов. Большинство из них, такие как, например, дендримеры, фуллерены, нанотрубки, нанопрокладки и нанопоры, производятся из ограниченного количества видов сырья. А нанопорошки можно производить из сотен различных материалов. Все наноматериалы, которые производятся в настоящее время, подразделяются на четыре группы: оксиды металлов, сложные оксиды (состоящих из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси[2].
1.1 Нанопорошок алюминия
Порошок алюминия получен распылением металлического проводника в атмосфере аргона, затем обработан пальмитиновой кислотой с целью пассивации порошка.
Внешний вид и цвет: порошок серого цвета. Порошок сильно агломерирован. Среднеарифметический размер частиц от 90 до 110 нм. Насыпная плотность 0,32 — 0,37 г/см³. Точка плавления 640°С. Электронная микроскопия высокого разрешения свидетельствует о наличии многочисленных кристаллических дефектов в отдельных частицах. Порошок не реагирует с водой до температуры кипения. При взаимодействии с открытым пламенем в воздухе воспламеняется. При нагревании в атмосфере сухого воздуха до 80 °С не воспламеняется.
1.2 Нанопорошок никеля
Порошок получен методом электрического взрыва проводника в атмосфере аргона .
Внешний вид и цвет: порошок темно-серого цвета. Форма отдельных частиц сферическая. Частицы в порошке агломерированы с размерами агломератов до 10 мкм. Среднеарифметический размер частиц 70-80 нм. Характерное изображение порошков никеля приведено на рис. Насыпная плотность — около 0,66 г/см³. Площадь удельной поверхности, измеренная методом БЭТ — 4.5- 6.0 м2/г. Рентгенофазовый анализ показывает, что материал представляет собой чистый кристаллический никель с ГЦК решеткой и параметром а = 3,522 — 3,524 Å. Электронная микроскопия высокого разрешения свидетельствует о наличии многочисленных кристаллических дефектов. После контакта с воздухом порошок никеля воспламеняется низкокалорийным источником тепла (спиртовка) в течение 5 с. Линейная скорость фронта горения 0,79 мм/с, протяженность фронта горения 22 — 23 мм. Точка плавления 1452°С.
Порошок никеля может найти применение в катализе и материаловедении; в получении эластичного слоистого электропроводящего материала; получении мелкодисперсных покрытий на керамических, кварцевых, металлических, пластмассовых, композиционных изделиях любой сложности формы; в изготовлении конденсаторов; в электронной промышленности.
1.3 Нанопорошок вольфрам
Порошок получен методом электрического взрыва проводника в атмосфере аргона.
Внешний вид и цвет: порошок черного цвета. Среднеарифметический размер частиц 200-500 нм. Форма отдельных частиц сферическая. Отдельные частицы образуют агломераты. Характерное изображение порошка вольфрама приведено на рис. Насыпная плотность около 15 г/см³. Точка плавления 3200 °С. При взаимодействии с открытым пламенем на воздухе воспламеняется. Скорость горения 1,33 мм/с. Площадь удельной поверхности, измеренная методом БЭТ — 1,7 — 2,4 м2/г. Порошок вольфрама может найти применение в материаловедении, электронной технике, изготовлении нитридсодержащих керамических материалов, производстве режущего инструмента, электроэрозионностойких материалов, наполненных полимеров.
2 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ
Нанопорошки неорганических материалов являются самостоятельным объектом со своими характеристиками, которые определяются размерным фактором и структурными особенностями наночастиц. Исходя из этого, путь простой замены порошков микронных размеров нанопорошками в стандартных технологических процессах, представляется бесперспективным. Поэтому широкое применение нанопорошков возможно только в технологиях, учитывающих или базирующихся на их специфических свойствах.
2.1 Смазочные материалы, легирование нанопорошками
Представлены результаты исследования по применению нанопорошков мягких металлов в смазочных композициях.
Для исследований использовались электровзрывные нанопорошки меди, цинка и латуни (сплав ЛС 59-1Л, состав 57 — 60% масс. Cu, 0,8 — 0,9% масс. Pb, остальное цинк). Проведенные эксперименты показывают, что износ детали трения и коэффициент трения зависят как от вида нанопорошка, так и от твердости поверхности детали трения (таблица № 1). Из представленных данных следует, что величина износа зависит от того, какая из деталей трения была подвергнута термообработке (закалка до твердости 58 HRC): подвижный вал или неподвижные колодки.
Таблица 1
Данные сравнительных испытаний масла И-20 легированного нанопорошками
Рисунок 1. Профили 2D детали трения (колодки) после проведения трибологических испытаний: 1 — чистое масло И — 20, 4 — масло И — 20 + 0,3% масс. нанопорошка латуни
При термообработке вала износ колодки снижает в ряду нанопорошков Zn – Cu (Рисунок 1). При термообработке колодок незначительное снижение износа наблюдалось только на нанопорошках Zn и латуни.
Вероятно, образование плакирующих слоев на поверхности тела трения обусловлено механическими процессами внедрения наночастиц в поверхностные слои колодки, которые в свою очередь определяются твердостью поверхностных слоев. В приповерхностных слоях трущихся деталей было обнаружено присутствие элементов меди и цинка до глубины 0,2 мкм с неравномерным расположением по поверхности.
Износ деталей трения также связан с природой базового масла. В таблица № 2 приведены данные противоизносных испытаний в масле А-8, проведенных в Омском танковом институте. Из данных таблицы следует, что наименьший износ деталей трения наблюдается при легировании масла порошком меди.
Испытания при ступенчатом повышении нагрузки показывают снижение величины коэффициента трения по мере увеличения нагрузки (рисунок 2).
Таблица 2
Противоизносные испытания в масле А-8
Рисунок 2. Зависимость коэффициента трения (f) от продолжительности проведения испытаний при различных нагрузках (F)
Рисунок 3. Зависимость износа детали трения в среде масла И-20 и масла И-20, легированного нанопорошками меди (Cu), латуни (Cu-Zn), цинка (Zn)
Наименьший коэффициент трения наблюдается при использовании нанопорошков меди и латуни, при нагрузках около 800 Н. Существенного понижения коэффициента трения при применении нанопорошков цинка не происходит. Тем не менее, снижение износа детали трения наблюдается при применении нанопорошков всех указанных металлов (рисунок 3).
Данные противозадирных испытаний, проведенных в Томском государственном архитектурно — строительном университете, представлены в таблице № 3. Введение в масло нанопорошков металлов увеличивает значение нагрузки схватывания на всех испытанных составах. Наиболее эффективно применение нанопорошков меди, величина нагрузки схватывания возросла в 1,83 раза.
Таблица 3
Данные противозадирных испытаний
Смазочные среды, состоящие из масел с добавками нанопорошков меди, латуни и цинка обеспечивают противоизносные свойства пары трения сталь-сталь в условиях высокой. Введение нанопорошков в масла позволяет несколько улучшить антифрикционные свойства базового масла. Снижение величин износа и коэффициента трения определяется типом применяемого базового масла, нанопорошка и твердостью детали трения.
Улучшение противоизносных и антифрикционных свойств пары трения после введения в базовое масло добавок нанопорошков вероятно происходит за счет образования на поверхности и внедрения в приповерхностные слои детали трения частиц нанопорошков.
Перспективным направлением улучшения характеристик смазочных составов является применение нанопорошков для легирования консистентных смазок.
2.2 Применение нанопорошков в высокоэнергетических материалах и процессах.
Уже длительное время порошки алюминия микронных размеров широко используются для улучшения энергомассовых и баллистических характеристик высокоэнергетических конденсированных систем, в том числе, таких как термиты, взрывчатые вещества, пороха, ракетное топливо. Из-за большой площади удельной поверхности наноразмерные электровзрывные частицы алюминия могут обеспечить ряд преимуществ над обыкновенным алюминиевым порошком, в частности, в отношении скорости горения.
Термические свойства (дифференциальный термический анализ) электровзрывного порошка алюминия, сравнивались с характеристиками промышленного порошка алюминия при их нагреве в воздухе, кислороде и азоте. Для порошка Аl экзотермический процесс начинается при температуре ниже точки плавления алюминия (660 ºС), в то время как порошок алюминия с размером около 20 мкм не реагирует с кислородом, воздухом или азотом примерно до температуры 1000 ºC. Также наноалюминий воспламеняется гораздо быстрее по сравнению с порошками микронных размеров. При сгорании в воздушной ударной трубе нанопорошок алюминия имел задержку возгорания только 3 микросекунды, по сравнению с задержкой в 600 микросекунд для алюминиевого порошка со средним диаметром частиц 3 мкм.
Порошки алюминия были испытаны рядом исследователей с целью возможного применения в высокоэнергетических композициях.
Влияние нанопорошка алюминия на скорость детонации (СД) было экспериментально продемонстрировано в нескольких исследовательских организациях, изучавших возможность применения нанопорошка во взрывчатых веществах. В смеси с динитрамидом аммония (AND или SR12) нанопорошок показал увеличение СД от 4380 м/с до 5070 м/с (73:24:3 ADN/Нанопорошок алюминия/фторэластомер). Добавка обычного крупнодисперсного порошка алюминия не оказала заметного влияния на СД. В экспериментах по измерению скорости детонации в детонационной трубе в атмосфере азота сравнивались хлопьевидный алюминий типа 40XD и Аl в смеси с диспергированными лактозой и перхлоратом аммония. Результаты исследования показали преимущество нанопорошка по величине СД над хлопьевидным алюминием при четырех различных концентрациях алюминия.
Данные показывают повышение характеристик как СД, так и бризантности для ряда составов на основе ТНТ, содержащих нанопорошок алюминия. При замене индустриального алюминия порошком нанопорошка рост скорости детонации составил 200-300 м/сек, а также в ряде зарядов было отмечено возрастание бризантности до 27%.
Увеличение скорости горения стандартного ракетного топлива увеличивает тягу и скорость истечения газов из ракетного двигателя. В исследованиях было отмечено возрастание скорости горения топлива вдвое при замене микронного порошка алюминия на нанопорошок в обычных видах твердого ракетного топлива, таких как Al/AP/HTPB (алюминий/перхлорат аммония/связывающее вещество на основе изобутилена). Повышение скорости горения происходит вследствие меньших размеров частиц нанопорошка алюминия. Модели сгорания алюминиевых частиц в ракетном двигателе показывают, что время жизни сгорающей частицы пропорционально квадрату диаметра частицы. Из экспериментальных данных следует, что алюминиевая частица с размером 5 мкм сгорает в двигателе приблизительно за 4 миллисекунды. Экстраполяция по указанным моделям показывает, что при диаметре частицы 100 нм, она сгорит примерно за 0,6 микросекунд, что является величиной на четыре порядка меньшей, чем для частицы микронного размера. Высокоскоростная фотография поверхности горящего топлива подтверждает, что частица наноразмерного алюминия полностью сгорает на поверхности горящей гранулы топлива, а не выбрасывается выхлопной струей, как это происходит в случае с алюминием микронного размера, т. е. горение частицы завершается внутри двигателя, а не в выхлопных газах ракеты.
Применение наноразмерных порошков алюминия позволяет улучшить характеристики и гибридных ракетных двигателей. В типичном гибридном двигателе используется жидкий кислород и гранулы на резиновой основе (например, HTPB), которые или не содержат окислителя, или содержат в количестве, достаточном для реакции с гранулами. При пиролизе резины образуются органические молекулы с низким молекулярным весом, которые поступают в двигатель и реагируют с жидким кислородом. Если в твердое топливо, такое как HTPB, ввести алюминий, то теоретически возможен прирост импульса двигателя, но алюминий микронных размеров не горит эффективно в подобном двигателе.
Из данных следует, что при добавке 10 % нанопорошка алюминия к HTPB импульс увеличивается на 70%, а процесс горения становится более равномерным по сравнению с горением чистого HTPB.
Добавка алюминия к керосину увеличивает удельную энергию в единице объема жидкого ракетного топлива. Однако алюминий микронных размеров в керосине полностью не сгорает. Добавка нанопорошка приводит к полному сгоранию металла. Соответственно высокие температуры, возникающие при сгорании алюминия, приводят к увеличению интенсивности горения керосина.
3 ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ МЕТОДОМ «ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА» ПРОВОДНИКА
Существует метод получения нанопорошков – это метод электрического взрыва проводников. Такой метод имеет достаточную производительность и высокое металлическое содержание, такие порошки проявляют высокую активность при повышенных температурах и стабильность при хранении. Изменив параметры электровзрыва, можно регулировать дисперсность порошков и содержание металла в них. Подбор условий пассивации позволяет нам регулировать физико-химические свойства и стабильность.
Работа основана согласно процессу электрического взрыва проводника, происходит взрывообразное разрушение металлического проводника при прохождении через него импульса тока большой мощности, сопровождающееся яркой вспышкой света, резким звуком и ударной волной. Установка для получения НП металлов(рисунок 4) оборудована устройством непрерывной подачи проволоки в камеру. Образовавшийся во взрывной камере золь металла подается вентилятором в электрофильтр или циклотрон, где осаждается. Дисперсность порошков, получаемых методом ЭВП, определяется удельным энергосодержанием взрывающихся проводников, а также зависит от диаметра проводника и давления среды.
Рисунок 4. Установка по получению нанопорошков методом «электронного взрыва»
4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
При анализе дифрактогрмм нанопорошковых металлов Аl, Ni и W, полученых методом «электронного взрыва» проводника, были получено следующие:
1.По данным электронного микроскопа нанопорошок алюминия имеет размеры от 300 мкм до 30нм (рисунок 5). Исследования по мало угловому рассеянию (распределение порошков по размерам) показало то, что распределение приходит на радиус инерции 12 нм, аналогичное заключение можно отнести и к порошкам Ni и W(рисунок 6-7).
Рисунок 5. Изображение нанопорошока Al полученное электронным микроскопом
Рисунок 6. Изображение нанопорошока Ni полученное электронным микроскопом
Рисунок 7. Изображение нанопорошока W полученное электронным микроскопом
- В зернах порошков Al и Ni имеется дефект связанный с нарушением упаковки, наблюдаемый на дифрактограммах (рисунок 9-11), пиком 110, который на исходной (не облученной) дифрактограмме отсутствует (рисунок 9).
При облучении нанопорошка Al дозой 1Мрд, появляется пик 110, связанный с процессом нуклеинезацией, т.е. увеличение размера нанопорошка. При облучении 5 Мрд происходит увеличение пика, связанный с продолжением процесса нуклеинизацией, данный процесс происходит с нарушением идеальной структуры кристалла. С увеличением дозы облучения до 10 Мрд, пик уменьшается, это связанно с тем, что за счет диффузионных процессов облучения, кристалл совершенствуется и количество дефектов уменьшается, аналогичный процесс наблюдается и у нанопорошка Ni(рисунок )
Рисунок 8. Дифрактограмма нанопорошка алюминия не облученного
Рисунок 9. Дифрактограмма нанопорошка алюминия при облучении 1Мрд
Рисунок 10. Дифрактограмма нанопорошка алюминия при облучении 5Мрд
Рисунок 11. Дифрактограмма нанопорошка алюминия при облучении 10Мрд
- Так же на дифрактограммах нанопорошка Al наблюдаются расщепление пиков, которые не наблюдаются на дифрактограмме монолита (рисунок 11).
Рисунок 12. Дифрактограмма монолита алюминия
Расщепления основных пиков нанопорошка Al говорят о том, что образуется новая фаза с большим радиусом атома[3,4], которое объясняется тем, что электроны атома переходят с d- оболочки на s- оболочку. Данные переходы электронов приводят к увеличению радиуса атома, и следовательно к возникновению новой фазы Al. Увеличение и обострение пиков продолжается при облучении 5 Мрд, и при облучении 10 Мрд расщепление пиков исчезает, это связанное с тем, что происходит снятие возбуждения у атомов алюминия и происходит образование одной единой фазы, соответствующее монолиту Al.
Аналогичное поведение пиков наблюдаются и на дифрактограммах нанопорошка Ni (рисунок 12-15), связанных с перераспределением электронов на оболочках.
Рисунок 13. Дифрактограмма нанопорошка никеля не облученного
Рисунок 14. Дифрактограмма нанопорошка никеля при облучении 1Мрд
Рисунок 15. Дифрактограмма нанопорошка никеля при облучении 5Мрд
Рисунок 16. Дифрактограмма нанопорошка никеля при облучении 10Мрд
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В выполненной работе было проведено исследование нанопорошковых металлов полученных методом «электрического взрыва» проводника. По результатам которого можно сделать следующие выводы:
- Нанопорошки мелкодисперсны;
- Расщепления пиков связанны с переходами электронов с оболочек, в результате, которого образуются новые фазы;
- В нанопорошках металлов присутствуют дефекты в структуре.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- http://www.nanosized-powders.com/
- http://nano-info.ru/
- Китель Ч. «Элементарная теория твердого тела»
- Сергеев Г.Б. «Нанохимия»-М.: Издательство МГУ, 2007г.
- Миркин Л.И. «Справочник по рентгеноструктурному анализу поликристаллов»-М.: Издательство физико-математической литературы, 1961 г.
- Положительное решение по заявке на изобретение C01F 7/42.
Способ получения порошка оксида алюминия / Ильин А.П., Краснятов
В.А., Назаренко О.Б. — № 94027478/26. Заявлено 19.07.95, выдано
2.II.95.
- Положительное решение по заявке на изобретение B22F 9/14;
С01В 13/13; 31/30. Способ получения высокодисперсных порошков
соединений металлов с неметаллами / Ильин А.П., Назаренко О.Б. —
№ 95112615/02(021592). Заявлено 19.07.95, выдано 30.01.96.
- Давыдович В.И. Разработка технологического процесса и обо-
рудования для электровзрывного получения порошков метал-
лов с низкой электропроводностью: Дис. … канд. техн. наук. –
Томск, 1986. – 254 с. 4
9.Громов А.А., Ильин А.П., Верещагин В.И. Исследование про-
цесса окисления электровзрывного нанопорошка вольфрама в
воздухе // Известия Томского политехнического университета.
– 2003. – Т. 306. – № 6. – С. 59–62.
- Чейс В. Введение // Электрический взрыв проводников: Сб
науч. тр. Под ред. А.А. Рухадзе. – М.: Мир, 1965. – С. 7–11.
- Котов Ю.А., Яворовский Н.А. Исследование частиц, образую-
щихся при электрическом взрыве проводников // Физика и
химия обработки материалов. – 1978. – № 4. – С. 24–29.
- Ан В.В. Применение нанопорошков алюминия при
получении нитридсодержащих материалов. Дис. к.т.н. — Томск, 1999. — 160 с.
- Громов А.А. Получение нитридсодержащих материа-
лов при горении сверхтонких порошков алюминия и
бора. Дис. … к.т.н. — Томск, 2000. — 189 с.
14.Ляшко А.П. Особенности взаимодействия с водой и
структура субмикронных порошков алюминия. Дис.
… к.х.н. — Томск. 1988. — 178 с.
- Andrievski R.A. Review – Stability of nanostructured materials // J. Mater.
Science. 2003. 38. P. 1367-1375.
- 16. Андриевский Р.А. Могут ли консолидированные наноматериалы работать
в экстремальных условиях? // Deformation and Fracture of Materials and
Nanomaterials. DFMN2009. Сборник материалов Третьей Международной
конференции «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»
(Москва, 12-15 октября 2009 г.) (Отв. Ред. О.А. Банных).Т. 1. М.:
Интерконтакт Наука, 2009. С. 394.
