научная статья по теме ПОРОШКОВЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «ПОРОШКОВЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ»

ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 78, № 9, с. 777-791

С КАФЕДРЫ ПРЕЗИДИУМА РАН

Статья подготовлена по материалам научного сообщения, состоявшегося на заседании Президиума РАН в начале текущего года. В ней представлены результаты исследований в области порошковых нанотехнологий, которые открывают возможность для создания конструкционных материалов и изделий, работающих в экстремальных условиях эксплуатации, а также многослойных керамических структур для электрохимических устройств. Обсуждение затронутых авторами проблем публикуется в сокращении.

ПОРОШКОВЫЕ НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Ю. А. Котов, В. В. Иванов

С момента создания в 1986 г. Института электрофизики Уральского отделения РАН получение нанопорошков и материалов из них остаётся одним из его научных направлений. За прошедшие 20 лет выполнен большой объём фундаментальных и прикладных исследований, а также конструкторских работ, что позволило создать нанотехнологический комплекс, включающий

• получение нанопорошков металлов, сплавов и их химических соединений методом электрического взрыва проволоки, методом испарения мишени излучением импульсного СО2-лазера и методом испарения мишени импульсным пучком электронов;

• магнитно-импульсное прессование нанопорошков до относительных плотностей 0.75 от теоретической в плоской и цилиндрической геометрии;

Ёт*

Авторы работают в Институте электрофизики УрО РАН. КОТОВ Юрий Александрович - член-корреспондент РАН, заведующий лабораторией. ИВАНОВ Виктор Владимирович - доктор физико-математических наук, заместитель директора.

• приготовление устойчивых суспензий и шликеров;

• получение плёнок из нанопорошков с использованием шликерного литья и электрофореза;

• синтез объёмных и плёночных изделий с плотностью, близкой к теоретической, и формой, близкой к заданной;

• плазменно-дуговое нанесение покрытий, сопровождаемое ионной имплантацией;

• модификацию структуры поверхностных слоёв ионной имплантацией.

Этот комплекс имеет современное приборно-аналитическое сопровождение для исследования свойств получаемых нанопорошков и материалов из них.

В данной работе обобщены результаты поисковых ориентированных исследований в области порошковых нанотехнологий, открывающие возможность для проведения дальнейших опытно-конструкторских работ и создания опытных производств в двух направлениях: конструкционные керамические материалы и изделия, работающие в экстремальных условиях эксплуатации; многослойные керамические структуры для электрохимических устройств, в первую очередь для высокоэффективных твердооксидных топливных элементов. Реально же в институте ведутся исследования и разработки керамических и композиционных на-номатериалов и для других перспективных применений.

Конструкционные керамические материалы с тонкой структурой. Под экстремальными условиями эксплуатации понимаются такие, при которых требуется сочетание высокой твёрдости, прочности, трещиностойкости, износостойкости изделий в широком температурном диапазоне, а также их химическая или радиационная стойкость. К таким изделиям относятся: подшипники

Достигнутые и требуемые характеристики керамических изделий

Свойства Микроструктурная керамика А12О3, имеющаяся на рынке Требуемый уровень свойств керамики А1203

Трещиностойкость, МПа м05 4-5 >7

Предел прочности при изгибе, МПа 300-400 >600

Твёрдость, ГПа 16-20 >20

Износостойкость 1 >5

скольжения и торцевые уплотнения валов насосов, перекачивающих агрессивные жидкости, и забойных двигателей для проходки скважин; струеформирующие сопла различного назначения; защитные пластины футеровки быстро изнашиваемых узлов, режущие элементы инструмента; фильеры, оправы и волоки волочильного инструмента; элементы брони и многое другое. Анализ условий их эксплуатации показал, что в наибольшем объёме предъявляемым требованиям отвечают керамики, а в ряде случаев - металлокерамики. В настоящее время в России практически отсутствует производство керамик подобного назначения. Примерно 5% спроса удовлетворяется микроструктурными керамиками на основе WC, а остальное - изделиями из специальных сплавов или импортными микроструктурными керамиками, характеристики которых недостаточны для обеспечения требуемого ресурса изделий. В частности, для керамик на основе А1203 сравнение уровня характеристик имеющихся рыночных материалов и уровня характеристик, требуемого для экономичных широкомасштабных применений, приведено в таблице. Таким образом, создание производства керамических изделий, характеристики которых удовлетворяли бы возросшим требованиям эксплуатации, позволило бы России

не только заместить импорт, но и создать технику с более высокими ресурсом и надёжностью.

Достичь требуемых характеристик керамик удаётся снижением размера зерна в субмикронный диапазон с сохранением их высокой плотности [1]. Наиболее эффективно при этом использовать технологии синтеза с применением слабо-агрегирующих нанопорошков, позволяющих кроме размера зерна снизить и температуры спекания на 200-400°С. В таких порошках силы межчастичного взаимодействия относительно малы, за счёт этого можно достаточно просто получать однородные смеси, суспензии, шликеры, а также получать однородные и плотные прессовки сухих порошков, особенно при динамическом воздействии. Выполненные исследования [1, 2, 3] показали, что для наиболее дешёвой и доступной керамики А1203 высокие характеристики при тонкой субмикронной структуре реализуются благодаря введению ряда добавок (М§0, 2г02, ТЮ2 и др.).

Получение слабоагрегированных сферических нанопорошков методом электрического взрыва проволоки. В этом направлении разработано несколько методов: левитационный, плазменный, испарение мишеней лазерным или электронным пучком и др. Выбор метода приготовления нано-порошка зависит от его соответствия поставленной задаче по производительности, характеристикам порошка, в том числе по адаптируемости к последующей технологии переработки, стоимости и чистоте продукта, экологической чистоте метода и др. Мы используем один из наиболее производительных методов - получение нанопорошков металлов, сплавов и ряда их химических соединений [4] электрическим взрывом проволоки (ЭВП), разработанным под руководством Ю.А. Котова.

Когда импульс тока высокой плотности (104106 А/мм2), обычно получаемый при разряде батареи конденсаторов, проходит через проволоку, наблюдается взрывное разрушение металла, сопровождаемое яркой вспышкой света, ударной волной, диспергированием металла и быстрым

Рис. 1. Стадии получения слабоагрегированных сферических нанопорошков методом ЭВП

а - ударная волна и расширение продуктов взрыва медной проволоки диаметром й = 0.1 мм, б - микронные частицы нержавеющей стали, в - БеА1-наночастицы

расширением смеси кипящих капель металла и пара в окружающую среду (рис. 1, а). В зависимости от условий взрыва после конденсации образуются частицы с характерным размером от десятков микрометров до нескольких нанометров (рис. 1, б, в).

Результаты фундаментальных исследований по получению нанопорошков ЭВП-методом достаточно подробно представлены в обзоре [5]. Здесь же мы опишем только вопросы, относящиеся к теме доклада.

Схематично установка представлена на рисунке 2 и работает следующим образом. Проволока с катушки подаётся во взрывную камеру. Когда конец проволоки достигает противоположного электрода, подаётся управляющий сигнал на разрядник и предварительно заряженная батарея конденсаторов разряжается на отрезок проволоки в камере. Происходит взрыв материала проволоки и расширение продуктов взрыва в рабочий газ (см. рис. 1, а), который прокачивается непрерывно компрессором и переносит образовавшиеся при конденсации частицы (см. рис. 1, б, в) в систему сепарации и улавливания (циклоны и фильтры) порошка. Очищенный газ снова подаётся в камеру. Подача проволоки, зарядка батареи и поддержание состава рабочего газа (если какой-то из его компонентов расходуется) автоматизированы.

Установка занимает 4 м2 и, в зависимости от типа порошка и его характеристик, обеспечивает получение 50-800 г/ч порошка при потреблении энергии не более 50 кВт ■ ч/кг. Например, при получении порошка А1203 с характерным размером частиц (¿ВЕТ = 30 нм (удельная поверхность 60 м2/г) производительность составляет 400 г/ч при потреблении энергии 2 кВт ■ ч/кг [6]. При получении порошков металлов и сплавов используется проволока соответствующих металлов, сплавов или биметаллов и в качестве рабочего газа - аргон (иногда азот), а при получении оксидов - смесь аргона или азота с кислородом.

Имеется методика расчёта разрядного контура с ЭВП [5], позволяющая достаточно быстро выбрать область условий взрыва, обеспечивающих получение порошка с заданным размером частиц. Однако оптимизация этих условий, видимо, всегда будет предметом исследований при получении порошков новых материалов.

Вид получаемых частиц и их распределений по размерам представлен на рисунке 3. Так как в процессе получения порошков участвуют только материал проволоки и рабочий газ, а температура установки не превышает 50°С, чистота порошков обычно не ниже чистоты взрываемого материала. Получались порошки металлов и сплавов: Си, А1, N1, Бе, Р1, Аи, А1Бе, №Сг и др., оксидов: СиО, №0, А1203, у-Бе203, Т102, 7г02, (М§А1)203 и др. Следует отметить высокую пирофорность всех металлических (кроме благородных металлов) порошков, что требует их консервации непосредственно в установке нейтральным газом или жидкостями, которые не содержат окислителей. Частицы в процессе их получения можно капсули-ровать защитными плёнками, если это допускается технологией дальнейшего использования порошка. Структура металлических частиц обычно неоднородна, она имеет микроискажения в виде двойников дислокаций и др.

Нанопорошки некоторых оксидов (N10 -рис. 3, в [7]) имеют частицы разной формы: сферические, кубические, параллелепипедные и др. Во многих оксидах фиксируются метастабильные структуры: у-Бе203, тетрагональный 2г02, у- и 5-А1203 и т.д.

Следует также отметить, что при ЭВП из сплава иногда в порошках компон

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком