Программа «Инновационные технологии производства высокопрочных презиционных труб из нержавеющих сталей и сплавов на основе нанотехнологий» (стр. 2 )

Сложнооксидные материалы, благодаря их разнообразным и уникальным свойствам, играют важнейшую роль в развитии современной техники (СВЧ, радиоэлектроники, оптики, лазерной техники, криоэлектроники, катализа и т. д.). Сложные оксиды используются в виде керамики и монокристаллов, все возрастающее значение имеет применение различных пленок и покрытий. Ряд сложнооксидных материалов относится к наноструктурированным системам. В частности наноструктурированные нанесенные катализаторы (слайды 39-42) являются весьма эффективным средством защиты атмосферы от выбросов токсичных веществ в различных отраслях хозяйства. Технология получения и использования наноматериалов является прецизионной и относится к разряду высоких технологий, а сами материалы называют интеллектуальными. Для ее реализации требуется высокая квалификация исполнителей, знание ими основных физико-химических закономерностей осуществляемых процессов, физико-химических методов изучения объектов. Свойства получаемых сложных оксидов определяются их предысторией, методами получения, особенностями процессов их синтеза и формирования структуры. В связи с этим рассматриваются вопросы влияния условий получения на свойства получаемых объектов.

Ссылки на заимствованные материалы.

1. На слайдах 2, 4, 5, 9-12, 15-17, 43, 44 использованы иллюстрации из книги: Нанотехнологии для всех. Большое в малом. М. 2005.

2. На слайдах 21, 22 частично приведены иллюстрации из статей А. Müller с соавторами, в частности: Müller A., Krickemeyer E., Bögge H., Schmidtmann M., Peters F. // Angew. Chem. Int. Ed. 1998. V.37, №24. p. p.3360-3363; Müller A., Fedin V. P., Kuhlmann C., Bögge H., Schmidtmann M. A. // mun. 1999. p. p.927–928 и др.

3. На слайдах 45, 46 использованы фрагменты текста из работы: Еленин , наноматериалы, наноустройства. Обзор. М. 2001.

4. Часть использованных в учебных целях по данной теме иллюстративных материалов опубликована одновременно на ряде широкодоступных сайтов Интернета, по этой причине установить их авторство на данный момент затруднительно.

5. На слайдах 2, 24, 39-42, 47 использованы оригинальные микрофотографии, полученные и опубликованные автором разработки в совместных трудах с коллегами, которым здесь выражается признательность за совместную работу.

Название дисциплины: Методы получения наноразмерных сплавов с заданными физико-механическими свойствами.

Название темы: Физико-химические основы получения оксидных материалов

Конспект лекции №1 «Получение нанопорошков конденсационными методами»

Современный технологический прогресс тесно связан с созданием новых твердых материалов: люминофоров, твердых электролитов, ферритов, сегнетоэлектриков, конденсаторных материалов, лазерных материалов, катализаторов.

Конечной целью технологии этих материалов является не просто синтез данного соединения, а создание на его основе материала с определенным комплексом структурно-чувствительных свойств.

Охарактеризован традиционный путь получение сложнооксидных материалов – твердофазный синтез, который заключается в отжигах реакционной смеси порошков при ступенчатом повышении температуры с многократными перетираниями. Такой способ также называют стандартной керамической технологией. Рассмотрены его достоинства и недостатки, одним из которых является невозможность получить твердый функциональный материал в наносостоянии.

Далее в лекции отмечается возросший интерес научного сообщества к нанокристаллическим материалам и его причины.

В соответствии с принятой классификацией, к числу «наноразмерных» относят объекты, имеющие «наноразмер», хотя бы в одном направлении – кристаллы, пленки, трубки. Разработанные к настоящему времени методы получения наноматериалов весьма разнообразны и многочисленны. В литературе описаны более сотни разнообразных методов, поэтому необходима их классификация.

По признаку изменения размера частиц в ходе процесса получения наноматериала все методы разделены на диспергационные и конденсационные.

Диспергационные методы включают в себя метод механического дробления, ультразвукового диспергирования макроскопических частиц в растворах, механохимический синтез нанокомпозитов и наночастиц и метод разложения. Для каждого метода указан перечень оборудования и исходных веществ, описана процедура получения нанопорошка; оговорены возможности, достоинства и недостатки метода.

Конденсационные методы подразделяются методы получения нанопорошков из растворов (растворные методы) и методы конденсации из газовой фазы.

В курсе лекций подробно охарактеризованы растворные методы, которые подразделяются на

- методы, основанные на различных вариантах смешения компонентов;

- методы, основанные на различных вариантах удаления растворителя;

- методы сжигания.

К методам, основанным на различных вариантах смешения компонентов, относятся:

- методы химического осаждения (соосаждения);

- золь – гель метод;

- гидротермальный метод;

- синтез под действием микроволнового излучения;

К методам, основанные на различных вариантах удаления растворителя, относятся:

- распылительная сушка;

- криохимический метод.

К методам сжигания относятся:

- глицин-нитратный метод;

- метод Печини;

- целлюлозная (тканевая, бумажная) технология;

- пиролиз полимерно-солевых пленок.

Методы конденсации из газовой фазы можно разделить на две группы:

- методы физической конденсации

- методы химической конденсации.

При физической конденсации состав пара и образующегося при конденсации твердого вещества одинаков. При химической конденсации происходит разложение паров вещества с образованием твердого продукта, химический состав который отличен от состава пара.

Для перевода вещества в пар используют различные способы нагревания: термическое, лазерное, плазменное, пламенное.

К методам химической конденсации относят

- плазмохимический метод);

- метод гидролиза в пламени;

- метод импульсного лазерного испарения;

К методам физической конденсации относят

- метод молекулярных пучков;

- аэрозольный метод;

- метод криоконденсации;

- электровзрыв металлических проволок.

В лекции дана подробная характеристика с описанием процедуры и примерами синтеза методами конденсации из газовой фазы, рассмотрены возможности, достоинства и недостатки каждого метода.

Конспект лекции №2 «Получение нановолокон и дисперсных фаз, состоящих из полых сферических и трубообразных частиц»

Помимо нанопорошков, большое практическое значение имеет получение наноматериалов в виде компактных материалов (прессовок), нановолокон, нанопленок и полых объемных фигур (нанотрубок, наносфер и др.). Методы их получения менее изучены, чем методы получения нанопорошков.

Из методов получения нановолокон наиболее хорошо отработаны золь-гель метод и метод конденсации из газовой фазы. В лекции дана подробная характеристика с описанием процедуры и примерами получения нановолокон золь-гель методом и методами конденсации из газовой фазы, рассмотрены возможности, достоинства и недостатки каждого метода, а также области применения нановолокон.

Интерес научного сообщества к синтезу полых частиц было вызвано открытием экспериментального факта, касающегося структуры дисперсных фаз, формирующихся из пересыщенной жидкой или паровой среды: довольно часто на основе сильнопересыщенных сред образуются не сплошные, а полые частицы и наблюдается сложное текстурирование дисперсных фаз. Размер полых частиц обычно составляет от нескольких десятков нанометров до 50-10 мкм. В отдельных случаях длина полой трубчатой частицы может достигать нескольких сантиметров.

Образование полых нано - и микрочастиц было обнаружено методами электронной микроскопии «на просвет» и «на отражение» и методом атомной силовой микроскопии, а также в экспериментах по определению эффективной плотности порошков.

В лекции рассмотрено строение полых частиц.

В литературе описано множество способов получения органических полых частиц, которые нашли широкое применение для капсулирования лекарственных средств. Однако в данной лекции рассмотрено только получение неорганических полых частиц.

Наиболее распространенный прием получения полых частиц основан на диспергировании раствора вещества с помощью ультразвукового генератора или путем пропускания через раствор интенсивного тока газа-носителя с последующим пиролизом и химической обработкой твердых частиц после удаления растворителя.

В качестве исходных материалов для получения полых частиц наиболее часто используются водные, водно-этанольные или водно-метанольные растворы нитратов металлов (иногда сульфатов, хлоридов, ацетатов). Если нагревание капель нитратных растворов ведется в инертной атмосфере, то удается получить полые частицы соответствующих оксидов. Например, таким образом получены полые частицы a - и γ-Al2O3, TiO2, V2O5, NiO, CoO, Cu2O, CuO, ZnO, SnO2, PbO, PdO.

К образованию полой частицы может привести химическое взаимодействие вещества, содержащегося в микрокапле раствора, с газом или паром, а также взаимодействие двух веществ в микрокапельном состоянии. Например, при контакте микрокапель раствора FeCl3 с газообразным аммиаком получены полые частицы гидроксохлорида железа. Аналогично при контакте микрокапель раствора нитрата кобальта с газообразным аммиаком были получены полые частицы гидроксонитрата кобальта. Размер полых частиц всегда был близок к размеру микрокапель, которые формируются в УЗ-генераторе (1 -10 мкм).

Твердое вещество, состоящее из полых частиц, является сверхлегким. Эффективная плотность керамики в виде полых сфер составляет 0,3 – 0,5 г/см3. Удельная поверхность материала из полых частиц достигает десятков – сотен м2/г. Эти свойства позволяют использовать вещества, состоящие из полых частиц, в качестве катализаторов или носителей катализаторов, а также в качестве сорбентов. С использованием полых частиц можно синтезировать высокодисперсные порошки, изготавливать различные миниатюрные устройства, например, миниатюрные пьезоэлектрики, магниты.

Рекомендуемая литература

I. Основная литература