ПОЛУЧЕНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ПОРОШКОВ МЕТОДОМ ЭРОЗИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ГРАНУЛ ИМПУЛЬСНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ
В ЖИДКИХ СРЕДАХ
А.И. Галанов, Я.И.Корнев, Н.А.Яворовский, Г.Г.Савельев,
Т.А. Юрмазова, Г.Л. Лобанова, Л.Н. Шиян, Ф.П.Сапрыкин
Томский политехнический университет, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30, e-mail: and-galanov@yandex.ru
Одним из важных направлений нанотехнологии является получение наноразмерных порошков металлов, оксидов, композиционных материалов. Современные методы получения наноразмерных порошков металлов и оксидных материалов (диспергирование в плазменной струе, электрический взрыв, воздействие лазерного или электронного луча, золь-гель технологии и др.) требуют достаточно сложного аппаратурного оформления и (или) трудоемкой предварительной подготовки. С точки зрения упрощения процесса и снижения стоимости получаемых порошков значительный интерес представляет метод электроимпульсной эрозии металлических гранул в жидких средах. Применение данного метода позволяет значительно упростить конструкцию реактора и свести к минимуму процесс подготовки исходных материалов, а также значительно расширить гамму получаемых продуктов (металлические порошки, индивидуальные оксиды, различные композиционные материалы) [1, 2].
В настоящем сообщении приведены результаты по получению наноразмерных систем в условиях импульсного электрического разряда для различных металлических загрузок (титан, алюминий, железо).
Подробно схема установки, геометрия реактора и металлической загрузки представлены в работах [3, 4, 5]. Электрофизические условия проведения процесса: энергия импульса 0,5 - 1,5 Дж, подаваемое напряжении 500 В, частота следования импульсов 100 Гц, продолжительность импульса —20 мкс. При действии импульса в слое загрузки возникает множество искровых микроразрядов, приводящих к образованию брызг расплава, которые реагируют со средой. Порошки на основе титана и алюминия были получены диспергированием в воде. Для порошков на основе железа в качестве дисперсионной среды использовали дистиллированную воду, этиловый спирт, 10% раствор фосфорной кислоты и гексан. Фазовый состав получаемых образцов изучен с использованием дифрактометра Shimadzu XRD-6000 на CuKa-излучении. Морфологические характеристики образцов, распределение частиц по размерам, а также дополнительные сведения о фазовом составе образцов определяли методом просвечивающей электронной микроскопии (микроскоп JEM-100CXII). Удельные поверхности образцов определены методом тепловой десорбции азота с использованием анализатора удельной поверхности Sorbi-3M.
I. Порошки на основе титана
Для системы «титановая стружка–вода» характерно образование сферических частиц со средним размером 32-34 нм (рисунок 1). В этом случае характерно образование преимущественно фазы металлического титана и оксидов титана в низких степенях окисления. По-видимому, при образовании частиц расплавленного металла происходит быстрая пассивация продуктами, то есть блокирование процесса дальнейшего окисления металлического титана.
|
| Рисунок-1- Электронно-микроскопическое изо бражение наноразмерного порошка титана |
Полученный порошок обладает более высокой устойчивостью к факторам внешней среды, чем порошок титана, получаемый методом электровзрыва проводника. Изучение скорости накопления наноразмерного титана в использованных неоптимизированных условиях показало, что энергетический выход порошка составляет ~ 10-4 г/Дж, то есть ~ 400 кДж/моль, что примерно соответствует энергии сублимации; выход пропорционален количеству импульсов тока.
II. Наноразмерные системы на основе алюминия
При диспергировании алюминия в воде фазовый состав и морфология частиц определяется состоянием дисперсионной среды: ее температурой и значением водородного показателя. Электронно-микроскопические исследования показали (рисунок 2), что при диспергировании алюминия в дистиллированной воде со стационарной температурой 20-40 °С, наблюдается формирование пластинчатых, полых сферических, а также ограненных частиц со средним линейном размером 50 – 500 нм.
По данным РФА полученные порошки содержат, в основном, металлический Al и фазу гиббсита. Детальный электронно-микроскопический анализ морфологичесого состава показал, что в отдельных частицах присутствует слабовыраженная внутренняя структура в виде сросшихся пластин и волокон.
При увеличении исходной температуры воды до 90 °С существенно меняется фазовый состав продуктов диспергирования и морфология частиц. Так согласно данным РФА основной фазой является бемит. По данным электронной микроскопии в этих условиях идет формирование нановолокон оксогидроксида алюминия с диаметром 3-8 нм и соотношением длины волокна к диаметру 200-500. По своим физико-химическим свойствам, нановолокна аналогичны получаемым при окислении наноразмерных электровзрывных порошков алюминия [6].
| А) |
| Б) |
| Рисунок 2 - Электронно-микроскопическое изображение образцов полученных: а) при 20-40 °С, б) при 90 oС |