Лекция 6 Методы получения объемных материалов 1

Лекция 6. Методы получения объемных материалов 1

Методы получения нанообъектов Технология “снизу-вверх”: технология, основанная на объединении атомов и молекул до получения наночастиц 2

Методы получения нанообъектов Технология “снизу-вверх” 3

Способы консолидации наночастиц 4

Способы консолидации наночастиц Этапы получения объемных наноматериалов из нанопорошков: 1) получение объемных заготовок (различные варианты процесса прессования), 2) получение консолидированных изделий с помощью прессования, спекания, прокатки, экструзии. Эксперимент: увеличение дисперсности нанопорошков – заметное снижение их уплотняемости прессовании. Причина: повышенная адгезионная активность, склонность к агрегатированию с уменьшением размера частиц. 5

Способы консолидации наночастиц Прессуемость нанопорошков зависти от: распределения частиц по размерам, величины удельной поверхности, состояния поверхности, наличия адсорбентов, дефектности, агломерации. 6

Способы консолидации наночастиц Статическое прессование Верхний пуансон Матрица Прессуемый порошок Нижний пуансон Помещение нанопорошка в пресс-форму. Прессование в вакууме. Одноосное – отношение высоты к поперечному сечению менее единицы. Двухосное – отношение высоты к поперечному сечению более единицы (подвижность матрицы). 7

Способы консолидации наночастиц Гидростатическое прессование Условия всестороннего сжатия Порошок в эластичной оболочке. нагреватель теплоизоляционный слой рабочая камера оболочка с порошком или заготовка Герметизация – создание в камере требуемого давления. Всестороннее и равномерное сжатие порошка жидкостью (масло, вода, глицерин). Формование изделия. 8

Способы консолидации наночастиц Газостатическое прессование Условия всестороннего сжатия Воздействие газом (гелий, аргон и др. ). эластичная оболочка порошок насос высокого давления Прессование не порошка, а предварительно полученной тем или иным способом заготовки. теплоизоляционный слой 9

Способы консолидации наночастиц Изостатическое прессование в эластичных оболочках Прессующий пуансон Порошок Эластичная оболочка Исходный порошок в эластичной оболочке. Материал оболочек – парафин, воск, желатин, эпоксидные смолы, резиновая масса. Матрица пресс-формы Одностороннее или двухстороннее давление. Нижний пуансон Создание всестороннего сжатия за счет эластичной оболочки. 10

Способы консолидации наночастиц Динамическое прессование Использование ударных волн для уплотнения нанопорошков. Источник ударных волн: • • электрогидравлический разряд батареи высоковольных конденсаторов в воде между двумя электродами, импульсное магнитное поле, сжатые и горючие газы и жидкости, взрывчатые вещества. Эффективное преодоление силы адгезионного сцепления частиц за счет быстрого движения порошковой среды – более высокие плотности конечного материала. Мягкие волны сжатия с плавным нарастанием и спадом давления – исключение микротрещин и достижение максимальной однородности упаковки частиц. 11

Способы консолидации наночастиц Магнитоимпульсное прессование Использование диамагнитного эффекта выталкивания проводника из области импульсного магнитного поля. индуктор концентратор вакуумная камера образец опора Генерирование механического импульса силы в результате взаимодействия импульсного магнитного поля индуктора с проводящей поверхностью так называемого конденсатора. Индуктор – плоская спираль из медной ленты, включенная в цепь генератора импульсных токов. Выталкивание концентратора из зоны магнитного поля при замыкании электрической цепи – прессование порошка. Длительность импульса – несколько микросекунд, давление – 1 -2 ГПа. 12

Способы консолидации наночастиц Прессование с последующим высокотемпературным спеканием Спекание – процесс нагрева и выдержки порошковой формовки ниже точки плавления основного компонента с целью обеспечения у получаемого материала заданных механических и физико-химических свойств. Т спекания – увеличение размера зерен материала минимально или вообще не происходит (менее 0, 5 Тплавления). Плотность прессовок должна быть достаточно высокой – порядка 0, 7 от рентгеновской. Добавка малого количества нанопорошков в качестве присадки – эффект повышения уровня механических свойств высоконагруженных деталей, полученных прессованием с последующим высокотемпературным спеканием. 13

Способы консолидации наночастиц Горячее прессование Компактирование в условиях высоких температур – широкое распространение. Горячее прессование – температура выше температуры рекристаллизации основного компонента. Совмещение прессования и спекания. Снижение давления прессования в несколько десятков раз по сравнению с холодным прессованием – сопротивление материалов деформированию значительно уменьшается с ростом температуры. Рост времени выдержки под давлением для обеспечения процесса спекания. Значительное сокращение общей продолжительности процесса, благодаря наличию внешнего давления. Увеличение времени выдержки под давлением для обеспечения процесса спекания. 14

Способы консолидации наночастиц Горячее прессование Температура горячего прессования - (0, 50 -0, 9) Тпл. Пористость 97 -99% от теоретической. Прочность на растяжение – в 2 -2, 5 раза выше по сравнению с литым материалом. 15

Методы получения нанообъектов Самосборка: получение нанообъектов путем объединения отдельных атомов в результате их взаимодействия 16

Методы получения нанообъектов Самосборка - термин для описания процессов, в результате которых неорганизованные системы благодаря специфическому, местному взаимодействию их компонентов приходят к упорядоченному состоянию. Самосборка – организующаяся система приближается к состоянию равновесия, уменьшая свою свободную энергию. Самосборка – более корректным является использование термина "самоорганизация". 17

Методы получения нанообъектов Самособранный монослой (ССМ) - упорядоченный слой амфифильных молекул, у которых один конец, или "головная группа" проявляют специфическое сродство к подложке монослоя. Амфифильность - свойство молекул веществ (как правило, органических), одна часть которых гидрофильна, а другая гидрофобна. Молекулярная самосборка - желаемая наноструктура является результатом своеобразного программирования формы и функциональных групп молекул. 18

Самосборка Одним из очевидных применений молекулярной самосборки является создание нового поколения микрочипов. 19

Самосборка Инженеры-разработчики занимаются созданием чипов, способных управлять любыми гаджетами с помощью головного мозга без помощи каких-либо интерфейсов. 20

Самосборка ДНК-комплексов с требуемыми свойствами: ДНК используется скорее как структурный материал, а не носитель биологической информации. Изготовление двухмерных периодических решеток (используется метод, называемый "ДНК-оригами") или трехмерных структур в форме полиэдров. 21

Самосборка Микрофотографии характерных проекций бинарных сверхрешеток, образованных различными наночастицами, и модельные элементарные ячейки соответствующих трехмерных структур 22