Вопрос 7. Специальные способы

Возрастает внимание к получению ультрадисперсных (0,1— 0,01 мм) порошков, которые используются как наполнители пластмасс, присадки к маслам, компоненты пирофорных смесей, специальных красок и др. Эти порошки получают химическим осаждением, возгонкой и конденсацией, плазменной обработ­кой, межкристаллитной коррозией, электролизом металла, ор­ганических сред и др.

Электроэрозионный способ — образование частиц при раз­ряде между двумя электродами, расположенными в газовой или токонепроводящей жидкости. Определяющими параметрами процесса является количество подведенной энергии, плотность и тип газовой атмосферы.

Наиболее распространен электроискровой (электроим­пульсный) метод, при котором диспергирование металла про­исходит за счет взрывообразно протекающего электрического разряда (10—40 кВ); изменением параметров разряда регули­руют крупность образующихся частиц; как правило, форма их сферическая. Способ применяют для получения порошков алюминия, карбидов титана, вольфрама, ряда интерметалли-дов.

Способ дезинтеграции (межкристаллитной коррозии) — сплавление двух или нескольких металлов — кристаллизация с заданной скоростью для получения особой кристаллической структуры — селективное удаление из сплава одного из компо­нентов (химическим, электрохимическим, возгонкой) — размол оставшегося конгломерата. Типичным примером является полу­чение порошка никеля из его сплава с алюминием (по 50% № и А1). Сплав измельчают до крупности — 0,5 мм и обрабатывают щелочным раствором для извлечения алюминия. Остаток из­мельчают, получается ультрадисперсный порошок никеля, ис­пользуемого в качестве катализатора.

Способы специального распыления расплава:

— воздействие ультразвуковыми волнами (20 кГц, 50 В/см²);

• обеспечение высоких скоростей кристаллизации (10³— 10⁸К/с) при контакте частиц расплава со сжиженными газами, с переохлажденной поверхностью (барабаны, диски, валки); полу­чают порошки с аморфной структурой, которые обладают улуч­шенными механическими и антикоррозионными свойствами;

• вакуумное распыление; (расплав насыщают инертным газом, а затем направляют расплав в вакуумную камеру; рас­плав «вскипает» в результате быстрого выделения растворен­ного в нем газа, образуя частицы порошка металла не более 50 мкм);

• распыление металлической проволоки: используют дугу, образующуюся между дисковым электродом и поступающей проволокой. Дискретное возникновение дуги способствует обра­зованию дискретных частиц сферической формы крупностью менее 20 мкм;

• электроимпульсное распыление: между истекающей стру­ей расплава и нижерасположенным электродом в защитной сре­де создается достаточная разность потенциала, обеспечивающая диспергацию струи расплава.

Использование плазмы: обеспечивается чистая реакционная атмосфера, гибкое регулирование температуры. Используют плазменные реакторы с переносимой и непереносимой дугой, которые применяют для производства дисперсных порошков ту­гоплавких металлов, керамик, композитов для плакирования. Схема получения порошка: «плазменное испарение — перегрев возгонов — конденсация (в т. ч. в вакууме)». Крупность получа­емых частиц — не более 500 мкм, заметная часть их представле­на аморфной фазой.

Получение металлических коллоидов: их свойства в значи­тельной степени определяются распределением частиц по разме­рам, что зависит от способа и условий получения. Условно суще­ствует 2 способа получения металлических коллоидов — физи­ческие и химические.

Наибольшее распространение среди физических методов по­лучил способ испарения в вакууме с последующей конденсацией паров металлов в инертном газе (аргон, ксенон), специальных жидкостях. При использовании лазерного луча удается получать не только атомы металла, но и кластеры.

Методом «испарение—конденсация» обрабатывают любые металлы с широким диапазоном размеров частиц порошка. Ни­же приведены некоторые примеры:

•— испарением серебра, золота при 1270 К с последующей конденсацией в атмосфере азота получены частицы размером 7—10 мкм; I

• испарением и конденсацией возгонов в этаноле получены частицы Р[, Ре, А§, 81, М§, 1п, Аи крупностью 3—180 мкм;

• испарением металла и конденсацией его паров в органиче­ском растворителе на охлажденной твердой подложке в присут­ствии поверхностно-активных веществ получали частицы М§, Мп, 5т, Си крупностью -30 нм.

Способ предполагает использование сложного оборудования и затратен.

Используют высокочастотный электрический разряд, ульт­развуковую обработку в диметилформамиде или в декане, ин­тенсивное механическое истирание в жидкой дисперсионной сре­де в присутствии стабилизирующих реагентов.

Химические способы основаны на восстановлении ионов ме­таллов из растворов с помощью концентрированных растворов высокоактивных реагентов (гидразин, боргидриды щелочных металлов, спирты). Мельчайшие частицы металлов образуются на стадии диспропорционирования промежуточных ионов ме­таллов с меньшей валентностью. Для стабилизации образую­щихся частиц вводят ПАВы (желатин, поливиниловый спирт, высокомолекулярные органические кислоты и др.).

В ряде случаев используют радиационно-химические методы (у-радиолиз, фотолиз, облучение потоком электронов) для осаж­дения металлических коллоидов из водных, водно-спиртовых и органических сред. Форма осаждаемых частиц — сферическая, крупность их 1—10 мкм. Получают коллоиды золота, серебра, платиноидов, смесей металлов (А§—Си, Аи—РЬ, А§—Аи и др.).

Достоинства химических способов приготовления нанопо-рошков заключаются в их быстроте, использовании простого и доступного оборудования, варьировании мощности установки в зависимости от потребности продукта, получении частиц с за­данными свойствами в момент синтеза.

Масштабы производства подобных порошков небольшие, они предназначены для специальных потребителей. Аппаратур­ное оформление (опасность окисления, пирофорность) таких технологий сложное, а затраты на получение порошков высо­кие.

Лекция 4. Свойства порошков и способы изготовления из них изделий