Нанотехнологии в реновации

Лекция № 10

Компактирование нанопорошков

Прессование нанопорошков. Магнитно-импульсное прессование. Взрывное

прессование. Всестороннее (изостатическое) прессование. Спекание нанопорошков

под давлением. Спекание при одноосном приложении давления. Газовая экструзия.

Быстрое всестороннее компактирование. – 4 часа.

Компактирование нанопорошков

(прессование и / или спекание под давлением)

– наиболее распространенный способ получения объемных наноматериалов

Выбор метода компактирования обусловлен свойствами получаемого

материала (твердость, прочность, …), а также свойствами используемого

порошка (средний размер и форма частиц, …)

Наиболее широко распространены виды компактирования нанопорошков:

- Статическое:

- одностороннее (одноосное) сжатие;

- всестороннее сжатие;

- прокатка;

- экструзия;

- Динамическое:

- магнитно-импульсное;

- взрывное и др.

Схемы процессов компактирования

нанопорошков:

а — одностороннее сжатие;

б — всестороннее сжатие;

в — прокатка;

г — экструзия;

P 1

1

2 P

2

4

2

5 5

P

1

2

3

a) б)

в) г)

1 — пунсон;

2 — порошок;

3 — фильера;

4 — эластичная оболочка;

5 — вал прокатного стана

С уменьшением размера частиц давление прессования, необходимое для

достижения заданной плотности компактов, увеличивается (при размере зерна

меньше критического частицы становятся бездислокационными и значительно

возрастает давление, необходимое для их деформирования).

Диаметр бездислокационных частиц железа равен 23, а никеля – 140 нм..

Квазигидростатическе прессование позволяет повысить плотность прессовок

по сравнению с одноосным прессованием из-за снижения пористости при

давлении 1 ГПа:

- для компактов железа - в 1,5 раза.

- для никелевых порошков - 1,2 раза.

P 1

1

2 P

2

4

2

5 5

P

1

2

3

a) б)

в) г)

- гидростатическое;

- газостатическое;

- квазигидростатическое (в специальных

пресс-формах под высоким давлением).

Виды всестороннего (изостатического) прессования:

МЕТОДЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ПРЕССОВАНИЯ

Магнитно-импульсное прессование

- позволяет повысить плотность компактов по сравнению со статическим

прессованием.

Принцип – преобразование энергии емкостного накопителя в энергию пресс-

инструмента.

Метод характеризуется импульсными волнами сжатия с амплитудой до 2 Гпа и

длительностью в диапазоне 10–500 мкс.

Позволяет генерировать высокие импульсные давления (до 10 ГПа).

Производится при температуре до 500°С в условиях вакуума после термической

дегазации, обеспечивающей удаление адсорбированных веществ с поверхности

частиц.

j

i

i i

Mf

f

B B концентратор

индуктор

пуансон

порошок

матрица

Принцип действия плоского (одноосного) магнитно-импульсного пресса

Пресс содержит спиральный индуктор и механический концентратор

(массивная проводящая плита), отделяемый от индуктора изолирующим зазором.

При пропускании тока i накопителя через индуктор в этом зазоре создается

импульсное магнитное поле B, индуцирующее ток плотностью j в проводящей

поверхности концентратора. Концентратор, аккумулируя механический импульс,

приводит в движение пуансон, сжимающий порошок в матрице. ,

Принцип действия радиального магнитно-импульсного пресса

C

i

1 2 3

4 5

Порошок 3 укладывается в трубчатую полость между медной трубой 1 и

стержнем 2 из твердого материала, выполняющего функцию формирования

канала.

После дегазации порошка внутри специального бокса осуществляется

газоплотное капсулирование пресс-формы с помощью прокладок 4 и 5.

Подготовленная пресс-форма подключается к генератору импульсных токов с

емкостным накопителем энергии С. В ходе прессования большой импульсный ток

протекает вдоль медной оболочки и возвращается к генератору по

осесимметричной массивной внешней металлической трубе.

Взрывное прессование

В установке имеется плоская ампула сохранения (из меди или нержавеющей

стали).

Ударное нагружение осуществлялось ударом пластин из дюралюминия,

ускоренными при помощи взрыва до 5 км/с.

В верхней крышке ампулы давление составляет 52–53 ГПа, давление под

образцом не превышает 35–36 ГПа.

После нагружения ампула сохранения вскрывается, продукт очищается в

азотной кислоте (для удаления меди и остатков ампулы), промывался водой и

высушивается.

1

2

4

3

5

6

Схема установки для ударно-волнового

синтеза кубических нитрида кремния и

карбонитрида бора:

1 - образец;

2 - ампула сохранения;

3 - основной заряд ВВ: ТГ 50/50;

4 - ударник;

5 - отрезки детонирующего шнура;

6 - «поддерживающий» заряд

Исследования образцов на электронном микроскопе выявило наноструктуру,

содержащую кристаллические и аморфные области.

Эффективность взрывных методов компактирования нанопорошков пока

низкая. Полученный наноструктурный материал имеет:

- высокую неоднородность,

- значительные остаточные вн. напряжения,

- склонен к образованию трещин.

10 нм 10 нм

Аморфная фаза

Кристаллическая фаза

Наноструктура продукта

Спекание нанопорошков под давлением

Для получения металлических наноматериалов предварительно прессуют

заготовку с низкой плотностью (30–40%), затем нагревают и выдерживают до

полного восстановления оксидов, прикладывают давление прессования,

необходимое для достижения требуемой плотности.

Наиболее простой способ — спекание при одноосном приложении давления.

Так, с увеличением давления прессования нанопорошков железа до 400 МПа

температура спекания, при которой отсутствует пористость, уменьшается от 700

до 350°С, размер зерна спеченных компактов при этом уменьшается от 1,2 мкм

до 80 нм, т.е. больше, чем на порядок

1

2

3

4 5

6

7

8 9

10

В случае металлических нанопорошков для активации процесс проводят в

вакууме или восстановительной атмосфере.

Схема установки для спекания нанопорошков под давлением:

1 - вход инертного или реакционного газа, 2 - формовка, 3 - наковальня,

4 - нагревательный элемент, 5 - вывод газа, 6 - рабочая камера, 7 - термопара, 8

- пуансон, 9 - сильфон, 10 - герметизирующая прокладка

Сравнение методов спекания под давлением

Методом горячего изостатического прессования (ГИП) получают

беспористые микроструктуры при Р до 300 МПа и Т до 2000оС.

Перед компактированием порошки дегазируют, т.к. высокая удельная

поверхность нанопорошков приводит к газовой насыщенности.

Метод газовой экструзии (ГЭ), заключается в получении прессовки при

Т = 20С, предварительной ее термической обработке в среде водорода при

низкой температуре и экструдировании при повышенной температуре,

позволяет компактировать порошки при кратковременном температурном

воздействии и больших давлениях.

Методы ГИП и ГЭ позволяют получить массивные равноплотные

компакты с гомогенной зеренной структурой.

Быстрое всестороннее компактирование – процесс квазиизостатической

консолидации, используемый для уплотнения порошков.

Используется ковочный пресс и закрытая пресс-форма для приложения

давления к предварительно нагретой конструкции, называемой жидкой матрицей.

При высоких Т плотность возрастает, но увеличивается размер зерна.

С уменьшением размера частиц Т спекания порошков уменьшается.

Перспективным является метод контролируемого спекания, позволяющий

получить наноструктуру при отсутствии пор. Например, отсутствие пористости

прессовок из оксида иттрия достигается при росте зерна до 400 нм.

Контролируемое двухступенчатое спекание с перегревом до 1250–1310°С и

последующим спеканием при 1150°С позволяет достичь размера зерна около 100

нм при отсутствии пористости в этих прессовках.

Преимущества методов компактирования под давлением:

- простота;

- универсальность.

Недостатки:

- остаточная пористость, понижающая механические свойства

(модуль Юнга, предел текучести и др.);

- остаточные напряжения, приводящие к постепенному росту зерен

материала;

- при нагреве слияние зерен материала до размеров больше 100 нм и

даже несколько мкм