Нанопорошки металлов и их применение в технологии керамических материалов

Июль 23, 2022

Главная
Физика
Нанопорошки металлов и их применение в технологии керамических материалов

Содержание

2. Список литературы Хабас Т.А. Нанопорошки металлов в технологии керамики /Томск: Изд-во ТПУ, 2009. - 230с. Громов
3. Зачем нужны нанопорошки? Нанопорошки находят все более широкое применение в качестве исходного сырья при производстве керамических
4. Микрофото нанопорошков металлов фирмы «ПЛАЗМОТЕРМ», Москва Платина никель
5. Нанопорошки обладают особыми свойствами: - очень низкие температуры спекания, иногда - высокая химическая активность; - наличие
6. Физические методы производства нанопорошков в основном базируются на испарении и последующей быстрой конденсации металлов. При этом
7. Основными достоинствами ЭВП-технологии по отношению к другим физическим методам получения нанопорошков являются [4]: 1. Высокий КПД
8. Рис. - Принципиальная схема установки электровзрывного распыления проводников: 1- высоковольтный электрод; 2 – заземление ; 3
9. Рис. Установка УДП-4 Г для получения НП металлов, сплавов и химических соединений: 1 – взрывная камера;
10. Рис. Фото опытного участка НИИ ВН
11. М.И. Лернер, Н.В. Сваровская, С.Г. Псахье, О.В. Бакина
12. В качестве газовой атмосферы используются инертные газы, преимущественно аргон. В некоторых случаях предпочтительнее применение водорода, азота
13. Размер наночастиц определяется плотностью энергии, введенной в проводник, давлением газовой среды, диаметром проводника, температурами рабочего газа
14. Рис.- Кривые распределения частиц нанопорошка меди (Cu) по размерам, в зависимости от введённой в проводник энергии
15. Структура наночастиц зависит от разных параметров, в т.ч. от температуры газовой среды: На микрофото (1) показана
16. СВОЙСТВА ПОРОШКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ЭВП повышенная химическая активность при достижении пороговых температур; спекаются в режиме самораспространяющегося
17. Металлические нанопорошки обладают повышенной реакционной способностью, в частности, они спекаются при относительно низких температурах. Для исследования
20. Общие характеристики порошков Форма частиц- сферическая или со слабо выраженной огранкой Размер частиц, нм 10-500 Размер
21. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ металлов Активатор спекания металлических и композиционных материалов, содержащих в своем составе один из элементов
22. Металлоплакирующий модификатор поверхностного трения - для улучшения технико-эксплуатационных свойств двигателей внутреннего сгорания. Препарат используется в качестве
23. Индикаторный материал для магнитопорошковой дефектоскопии предназначен для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов ( трещин, непроваров сварных
24. Для выявления следов рук используются магнитные и немагнитные порошки. Порошок на основе железа черного цвета, обладающий
26. Рис.- Микрофотография продуктов взаимодействия нанопорошка алюминия с водой (применение для очистки жидких сред)
27. Электровзрывные нанопорошки металлов (Ni и Fe) применяются также, как активные каталитические компоненты и сорбенты для удаления
28. Нановолокна обладают максимально возможной поверхностью, за счет чего увеличивается их поглотительная способность.
29. Возможность применения в водородной энергетике Одним из способов решения проблем транспортировки и хранения водорода может стать
30. При использовании промышленного порошка алюминия микронного размера скорость выделения водорода составляет лишь 0,138 мл в секунду
31. В водородной энергетике (пиротехнике, при получении пористой керамики) могут найти применение гидриды металлов, для получения которых
32. Рис.– Электронные микрофотографии нанопорошка алюминия, пассивированного на воздухе
33. Электровзрывной нанопорошок алюминия 100 нм
34. Характеристика нанопорошка алюминия
36. Рисунок - Гистограмма распределения частиц по размерам по данным седиментационного анализа (седиментометр ВС-3)
37. Рис.– Рентгенограмма нанодисперсного порошка алюминия
38. Термограмма НП Al
39. Применение металлов в технологии керамических материалов Получение композиционных керамико-металлических материалов Получение безметалловой керамики слоистые дисперсно- упрочненные
40. MgO Al пудра MgO MgAl2O4 MgAl2O4
41. Nils Claussen Нильс Клауссен Профессор , Гамбургского Технического университета ТUHH Technische Universität Hamburg-Harburg
42. Методы получения керамических материалов из металлсодержащих шихт 1.Окисление прекурсоров, содержащих щелочноземельный металл (Mg, Cа, Sr, Ba);
43. Рис. Схема подготовки и обработки заготовки изделия
44. График термообработки прекурсора, содержащего Mg-Al2O3.
45. Рентгенограмма пропитанного прекурсора
46. Рис. Изменение фазового состава при окислении на воздухе
47. Результативность процесса при обжиге в инертной атмосфере Введение металлических порошков при получении керметов способствует увеличению теплопроводности
49. Скачать презентацию

Слайд 2

Список литературы
Хабас Т.А. Нанопорошки металлов в технологии керамики /Томск: Изд-во ТПУ,

2009. - 230с.
Громов А.А., Хабас Т.А., Ильин А.П. и др. Горение нанопорошков металлов / Томск: Дельтаплан, 2008. - 382 с.
Назаренко О.Б. Электровзрывные нанопорошки: получение, свойства, применение / Под ред. А.П. Ильина. Томск: Изд-во ТПУ, 2005. 148 с.
М.И. Лернер, Н.В. Сваровская, С.Г. Псахье, О.В. Бакина. Технология получения, характеристики и некоторые области применения электровзрывных нанопорошков металлов. Обзор//Российские нанотехнологии, 2009.-Т4.-№11-12.-С. 56-68.
Журнал «Российские нанотехнологии»
http://nanorf.ru/science.aspx?cat_id=4353&d_no=4380&print=1&back_url=%2fscience.aspx%3fcat_id%3d4353%26d_no%3d4380

Слайд 3

Зачем нужны нанопорошки?
Нанопорошки находят все более широкое применение в качестве исходного

сырья при производстве керамических и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, геттеров, присадок к смазочным материалам, красящих и магнитных пигментов, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др. По мере выполнения фундаментальных и прикладных исследований этот перечень быстро расширяется.

Слайд 4

Микрофото нанопорошков металлов фирмы «ПЛАЗМОТЕРМ», Москва
Платина никель

Слайд 5

Нанопорошки обладают особыми свойствами:
- очень низкие температуры спекания, иногда < 100°

С;
- высокая химическая активность;
- наличие избыточной (запасенной) энергии.
В нанодисперсном состоянии изменяются фундаментальные свойства традиционных материалов (понижаются: температура начала плавления, теплота испарения, энергия ионизации, работа выхода электронов и др.). Это открывает широчайшие возможности в области создания новейших материалов и технологий, принципиально новых приборов и устройств.

Слайд 6

Физические методы производства нанопорошков в основном базируются на испарении и последующей

быстрой конденсации металлов. При этом высокие скорости охлаждения являются одним из обязательных условий получения активных нанопорошков.
Этому требованию в полной мере отвечает ЭВП-технология - скорости расширения продуктов взрыва составляют километры в секунду.
ЭВП относится к числу наиболее развитых технологий, позволяющих получать нанопорошки с заданными характеристиками.
Электрический взрыв проводника (ЭВП) реализуется при прохождении через металлическую проволоку импульса тока с плотностью 106–109 А/см2. Проволока нагревается до температуры плавления, плавится, а затем взрывообразно разрушается. При расширении продуктов взрыва в газовую атмосферу происходит образование наночастиц.

Слайд 7

Основными достоинствами ЭВП-технологии по отношению к другим физическим методам получения нанопорошков

являются [4]:
1. Высокий КПД передачи энергии. В ЭВП-технологии энергия импульсно передается объему металлической проволоки, потери энергии на нагрев окружающей среды малы.
2. Возможность гибкого регулирования параметров процесса и, соответственно, характеристик получаемых нанопорошков.
3. Универсальность. Единственное ограничение в ЭВП-технологии – это использование металлической проволоки необходимого диаметра. Метод позволяет получать широкий спектр нанопорошков.
4. Сравнительно небольшой разброс частиц по размерам.
5. С одной стороны, относительная стабильность свойств электровзрывных нанопорошков в нормальных условиях, с другой, высокая активность в химических процессах.
6. Невысокая стоимость оборудования, его простота, малые массогабаритные показатели.

Слайд 8

Рис. - Принципиальная схема установки электровзрывного распыления проводников: 1- высоковольтный электрод;

2 – заземление ; 3 – устройство подачи проводника ; 4- бухта с проводником-; 5 - ось взорванного проводника

Слайд 9

Рис. Установка УДП-4 Г для получения НП металлов, сплавов и химических

соединений:
1 – взрывная камера;
2 – фильтр для порошка;
3 – сборник порошка;
4 – высоковольтный блок

Слайд 10

Рис. Фото опытного участка НИИ ВН

Слайд 11

М.И. Лернер, Н.В. Сваровская, С.Г. Псахье, О.В. Бакина

Слайд 12

В качестве газовой атмосферы используются инертные газы, преимущественно аргон. В некоторых

случаях предпочтительнее применение водорода, азота или смеси газов, например, аргон + кислород

Слайд 13

Размер наночастиц определяется
плотностью энергии, введенной в проводник,
давлением газовой среды,
диаметром проводника,
температурами рабочего

газа и плавления металла,
условиями пассивации нанопорошков.
Частицы дисперсной фазы формируются в результате объединения кластеров, образующихся на ранних стадиях процесса.

Слайд 14

Рис.- Кривые распределения частиц нанопорошка меди (Cu) по размерам, в зависимости

от введённой в проводник энергии

Слайд 15

Структура наночастиц зависит от разных параметров, в т.ч. от температуры газовой

среды:
На микрофото (1) показана блочная структура наночастиц алюминия, полученных при -5оС
Наночастицы, полученные при температуре около 70 оС (2), имеют близкую к сферической форму, а блочная структура наночастиц отсутствует

Слайд 16

СВОЙСТВА ПОРОШКОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ЭВП
повышенная химическая активность при достижении пороговых температур;
спекаются

в режиме самораспространяющегося процесса при чрезвычайно низких температурах;
легко образуют интерметаллические соединения;
имеют пониженную работу выхода электронов. (Величина энергии, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы он покинул поверхность металла, называется работой выхода)

Слайд 17

Металлические нанопорошки обладают повышенной реакционной способностью, в частности, они спекаются при

относительно низких температурах. Для исследования закономерностей спекания таблетки из нанопорошков нагревали в токе аргона с измерением их электропроводности. Точка резкого падения сопротивления образца свидетельствует о процессе спекания частиц с образованием между ними токовых контактов.

Слайд 18

Слайд 19

Слайд 20

Общие характеристики порошков
Форма частиц- сферическая или со слабо выраженной огранкой

Размер частиц, нм 10-500
Размер структурных фрагментов, нм 3-50
Удельная поверхность, м2/г 2-50
Распределение частиц по размерам - нормально-логарифмическое

Слайд 21

ПРИМЕНЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ металлов
Активатор спекания металлических и композиционных материалов, содержащих в своем

составе один из элементов (железо, никель, вольфрам, алюминий) или их любые композиции, а также керамических материалов на основе оксидов и нитридов алюминия, титана, циркония.
Небольшая добавка в спекаемую шихту активатора от 0,1 до 5 мас % позволяет:
снизить температуру спекания;
повысить физико-механические характеристики материалов и изделий;
снизить требования к чистоте исходного сырья.

Слайд 22

Металлоплакирующий модификатор поверхностного трения - для улучшения технико-эксплуатационных свойств двигателей внутреннего

сгорания. Препарат используется в качестве присадки к моторным маслам, представляет собой концентрат, получаемый в результате соединения нанопорошков (НП) меди, моторного масла и специальных компонентов.
Действие присадки заключается в создании на поверхности трущихся деталей (например, вкладыш-вал, цилиндр-поршень и др.) саморегулирующего слоя, что обеспечивает их восстановление и работу в режиме «безызносность».

Слайд 23

Индикаторный материал для магнитопорошковой дефектоскопии
предназначен для обнаружения поверхностных и подповерхностных дефектов (

трещин, непроваров сварных соединений и др.) в деталях и полуфабрикатах из ферромагнитных материалов.
деталь посыпают магнитным порошком (сухой метод) или поливают магнитной суспензией (мокрый метод). Частицы порошка, попавшие в зоны магнитных полей рассеяния, оседают на поверхности деталей вблизи мест расположения дефектов. Ширина полосы, на которой происходит оседание порошка, значительно больше ширины «раскрытия» дефекта, поэтому невидимые до этого дефекты фиксируют по осевшему около них порошку даже невооруженным глазом.

Слайд 24

Для выявления следов рук используются магнитные и немагнитные порошки. Порошок на

основе железа черного цвета, обладающий магнитными и "проявляющими" свойствами.
Магнитные порошки выделяются в особую группу в связи с тем, что их можно наносить с помощью магнитной и обычной ворсовой дактилоскопической кисти. При их применении меньше риск испортить свежие следы, они легко наносятся и легко удаляются с поверхности, не загрязняют помещение.
Папиллярные линии в следах, оставленные на поверхностях многих материалов, выявляются четко и хорошо копируются. И даже если был получен не целый отпечаток, а лишь малая его часть, то за счет четкости и контрастности линий эксперт однозначно может заключить, кому он принадлежит.

Магнитный порошок для дактилоскопии

Слайд 25

Слайд 26

Рис.- Микрофотография продуктов взаимодействия нанопорошка алюминия с водой (применение для очистки

жидких сред)

Слайд 27

Электровзрывные нанопорошки металлов (Ni и Fe) применяются также, как активные каталитические

компоненты и сорбенты для удаления сернистых соединений из дизельных фракций нефти (наряду с оксидами и соединениями типа титаната цинка).

Слайд 28

Нановолокна обладают максимально возможной поверхностью, за счет чего увеличивается их поглотительная

способность.

Слайд 29

Возможность применения в водородной энергетике
Одним из способов решения проблем транспортировки и

хранения водорода может стать использование генераторов Н2 на основе НП Al.
При взаимодействии с водой одного килограмма НП Al выделяется 1244,5 л Н2, который при сжигании дает 13,43 МДж тепла.

Слайд 30

При использовании промышленного порошка алюминия микронного размера скорость выделения водорода составляет

лишь 0,138 мл в секунду на 1 г порошка. При этом в конечный продукт - смесь оксидов и гидроксидов алюминия - превращается только 20...30 % исходного порошка.

Слайд 31

В водородной энергетике (пиротехнике, при получении пористой керамики) могут найти применение

гидриды металлов, для получения которых наиболее эффективны нанопорошки.
При температуре 400-500 оС в камере под давлением водорода 1 атм проходит гидрирование титана
Ti +H2 = TiH2
Гидрид титана используют в ряде важных областей:
в качестве источника чистейшего водорода (выделяющегося при нагревании гидрида),
для получения чистых гидридов других металлов,
для светлого отжига некоторых деталей в часовой и приборостроительной промышленности,
для поглощения излучений в атомной технике и др.

Слайд 32

Рис.– Электронные микрофотографии нанопорошка алюминия, пассивированного на воздухе

Слайд 33

Электровзрывной нанопорошок алюминия
100 нм

Слайд 34

Характеристика нанопорошка алюминия

Слайд 35

Слайд 36

Рисунок - Гистограмма распределения частиц по размерам по данным седиментационного анализа

(седиментометр ВС-3)

Слайд 37

Рис.– Рентгенограмма нанодисперсного порошка алюминия

Слайд 38

Термограмма НП Al

Слайд 39

Применение металлов в технологии
керамических материалов
Получение
композиционных
керамико-металлических
материалов
Получение

безметалловой
керамики

слоистые

дисперсно-
упрочненные

Оксидная керамика

Оксидно-
нитридная

Оксидно-
углеродистая

Керамика сложного
состава, в том числе
силикатная

Слайд 40

MgO
Al пудра
MgO
MgAl2O4
MgAl2O4

Слайд 41

Nils Claussen
Нильс Клауссен
Профессор , Гамбургского
Технического университета
ТUHH
Technische Universität Hamburg-Harburg

Слайд 42

Методы получения керамических материалов из металлсодержащих шихт
1.Окисление прекурсоров, содержащих щелочноземельный металл

(Mg, Cа, Sr, Ba);
получаемая таким образом керамика из эквимолярного прекурсора Mg-Al2O3 практически безусадочна (изменение объема не более 0.5 %).
2. Экструзия пластичной оксидно-металлической смеси (щ/з, благородные, медь, свинец, висмут ) с последующим спеканием;
заготовка легко обрабатывается механически, сохраняет геометрические размеры; металлы при этом остаются в порах композита.
3. Пропитка оксидной заготовки расплавом под давлением в атмосфере азота или аргона с последующим спеканием в окислительной атмосфере;
керамика имеет небольшую усадку (0,5%), прочность и трещиностойкость может быть в 2 раза выше, чем у материала из плотного оксида алюминия.

Слайд 43

Рис. Схема подготовки и обработки заготовки изделия

Слайд 44

График термообработки прекурсора, содержащего Mg-Al2O3.

Слайд 45

Рентгенограмма пропитанного прекурсора

Слайд 46

Рис. Изменение фазового состава при окислении на воздухе

Слайд 47

Результативность процесса при обжиге в инертной атмосфере
Введение металлических порошков при получении

керметов способствует увеличению теплопроводности , трещиностойкости, ударо-вибропрочности, металлоустойчивости .
При этом порошки металлов аналогично металлическим волокнам сохраняются в материале в виде отдельной металлической фазы.