4 Механические методы получения нанопорошков

Механическим путем измельчают металлы, керамику, полимеры, оксиды, хрупкие материалы. Степень измельчения зависит от вида материала. Так, для оксидов вольфрама и молибдена получают крупность частиц порядка 5 нм, для железа – порядка 10...20 нм. Разновидностью механического измельчения является механосинтез, или механическое легирование, когда в процессе измельчения происходит взаимодействие измельчаемых материалов с получением измельченного материала нового состава.

Другой распространенный механический метод получения порошков наночастиц — диспергирование расплавов потоком жидкости или газа. Это высокопроизводительный процесс, который легко осуществить по непрерывной схеме и автоматизировать, он экономичен и экологичен. Этим методом получают порошки металлов и сплавов Fe, Al, Cu, Pb, Zn, Ti, W и др.

В настоящее время наиболее распространен центробежный метод получения металлических порошков. Расплав металла распыляется при помощи диска, вращающегося со скоростью более 20000 об/мин. В зависимости от способа реализации центробежного метода процессы плавления и распыления могут быть совмещены или разделены.

Одна из разновидностей диспергирования расплавов — спинингование. В этом методе тонкая струя расплавленного металла набрызгивается на вращающийся в инертной атмосфере охлаждаемый барабан.

Физико-химические методы получения нанопорошков

Один из методов, широко применяемых для производства нанопорошков — вакуумное осаждение. Процесс включает три последовательные стадии: испарение вещества, его транспорт к подложке и конденсацию. Тигель с расплавом материала (металла или оксида), разогретого до высокой температуры лазерным излучением, пучком электронов, постоянным или вихревым током, помещается в вакуумированный сосуд.

Испаряющийся при температуре 500–1200 °С материал конденсируется на охлаждаемой поверхности в виде порошка наночастиц. Процесс проводится в атмосфере инертного газа, например, He или Ar, при невысоком давлении (~ 103 Па)

При лазерной абляции материал испаряется под действием импульсного лазерного излучения и затем конденсируется в виде частиц.

При золь-методе в разогретую смесь первичного реагента с различными добавками быстро вводят второй реагент. В результате химической реакции образуется пересыщенный раствор целевого соединения, быстро проходящего нуклеацию и вступающего в стадию роста.

Для синтеза нанодисперсных порошков тугоплавких металлов и их соединений (карбидов, нитридов и др.) перспективен плазмохимический метод, представляющий собой восстановление металлов из их соединений под действием газов. В плазмотроне электрической дугой высокой интенсивности создается плазма с температурой 4000-10000 °С. В плазме, через которую пропускают газообразный восстановитель (водород или углеводороды и конвертированный природный газ), исходный материал превращается в конденсированную дисперсную фазу.

Восстановление — один из наиболее дешевых методов, позволяющих получать высокочистые порошки. (Нанопорошки Fe, W, Ni, Co, Сu и других металлов получаются, например, восстановлением их оксидов водородом.)

Несколько более дорог электролитический метод. Применяется электролиз как водных растворов, дающий порошки Fe, Cu, Ni, так и расплавов солей Ti, Zr, Nb, Ta, Fe, U. В результате электролиза обычно образуются частицы дендритной формы с размерами порядка десятков нм.

Основные параметры для оценки качества нанопорошка

Первый – это средний размер частиц.

Второй– это спектр распределения частиц по размерам, который существенно зависит от метода получения. Например, метод электровзрыва проволоки дает широкий спектр частиц. Если средний размер равен 30 нм, то в порошке будут встречаться частицы от нескольких до 200 нм и даже порядка 1 мкм. Напротив, метод лазерного испарения и конденсации имеет довольно узкий спектр распределения частиц по размерам. В этом случае при среднем размере частиц в 12-15 нм 99 % частиц по весу могут быть распределены в пределах от нескольких до 50 нм. В этом отношении метод лазерного испарения и конденсации является уникальным.

В настоящее время развиваются методы специального химического синтеза нанопорошков, которые позволяют получать монодисперсные нанопорошки, то есть, когда все частицы практически одного размера, распределение по размерам – пиковая функция. Такие нанопорошки очень актуальны для медицинских применений.

Третье – агрегируемость. У нанопорошков есть очень важная особенность: при малых размерах они имеют высокую активность к объединению друг с другом, могут устанавливать прочные связи, собираться в агрегаты. Такие порошки называются «агрегирующими». Агрегаты бывают слабыми, если их можно легко разрушить, например, поместить в жидкость и разбить ультразвуком. А бывают агрегаты сильные, когда сцепление между частицами имеет уровень сильных химических связей, которые не удается разрушить ультразвуком и другими физическими воздействиями. Вот такие порошки имеют совершенно другую сферу применения, у них она ограничена.