Принципы уменьшения размера частиц продуктов СВС
1. Применение субмикронных и наноразмерных реагентов:
Это единственный способ получения микронных и наноразмерных СВС-порошков при твердопламенном горении в системах твердое–твердое. Такое горение проходит в режиме реакционной диффузии. Здесь контакт между частицами оказывает большое сопротивление диффузии, поэтому рекресталлизации практически отсутствует.
Следующий случай представляет низкотемпературное горение в системах твердое–твердое с газификацией неметаллического реагента. Здесь температура горения меньше, чем температура плавления металлического реагента, но много больше, чем температура кипения неметаллического реагента. Частицы молибдена остаются твердыми в газовой среде и размер частиц продукта получается близким к исходному размеру частиц молибдена.
Горение в системах твердое–газ может дать нанопорошок, если происходит газификация твердого реагента.
В твердофазных системах с расплавленным промежуточным слоем размер кристаллитов продукта определяется процессами кристаллизации и рекристаллизации, режимами нагрева, горения и охлаждения продукта, и в меньшей степени размером частиц исходных реагентов.
2. Добавка инертных нанопорошков в исходную смесь реагентов:
Такие нанодобавки служат зародышами кристаллов и препятствуют росту кристаллитов продукта. Добавка нанопорошков (40-50 нм) алмазов и оксида кремния SiO2 в смесь Ni+Al приводит к трехкратному уменьшению размера частиц синтезируемого интерметаллидаNiAl (с 100-150 мкм до 30-50 мкм). Добавка наноразмерных частиц снижает размер зерен синтезированных TiC и TiB2 от 5 до 10 раз.
|
|
|
3. Разбавление шихты:
Разбавитель не принимает участия в химической реакции СВС, но снижает температуру горения, увеличивает скорость охлаждения продукта горения, разделяет частицы продукта СВС.
Как результат, разбавитель тормозит процессы роста первичных зерен в продукте горения и препятствует их увеличению.
Наиболее распространено в технологии СВС разбавление конечным продуктом горения, а также оксидами и металлами.
Недавно был найден новый подход к использованию разбавителей, связанный с их плавлением. Реакция между реагентами, растворенными в разбавителе с низкой температурой плавления, происходит в жидкой фазе и сопровождается кристаллизацией конечного продукта из раствора.
4. Применение ферросплавов:
Ферросплавами называют сплавы железа с различными элементами (Si, Mn, V и т.п.), используемые для легирования стали этими элементами. В технологии СВС ферросплавы нашли другое применение – в качестве исходных реагентов.
Применение ферросплавов дает возможным получение порошков различных тугоплавких соединений с размером частиц не менее 0,1 мкм без механического измельчения. Такой результат может быть объяснен действием ферросплавов как специфических разбавителей.
|
|
|
5.Применение оксидов:
При таком подходе исходные реагенты в виде чистых элементов (металлов и неметаллов) заменяются на их оксиды, т.е. на их химические соединения, которые разлагаются в волне горения и делают возможным вступление элементов в СВС-реакцию в виде индивидуальных атомов, а не макрочастиц конденсированных чистых элементов.
Такой подход используется в хорошо известной технологии СВС-М с маг-ниетермическим восстановлением оксидов. Технология СВС-М характеризуется относительно низкой температурой горения и присутствием побочного продукта в конечном продукте.
Альтернативные восстановители могут быть использованы для реакции с оксидными реагентами.
В соответствии с новым простым и экономичным подходом, нанопорошкиTi, Ta, W, Mo могут быть получены при восстановлении переходных металлов в расплавленных солях щелочных и щелочно-земельных металлов.
6. Применение газифицирующих добавок:
Галоидные соли аммония чаще всего используются в качестве газифицирующих добавок. Их применение, снижает температуру горения, дает много газа и препятствует спеканию частиц продукта, может приводить к образованию летучих соединений с исходными реагентами и реализации газофазного механизма синтеза, может модифицировать размер и форму частиц продукта.
|
|
|
Так, при синтезе AlN сжиганием порошка в азоте добавка NH4Cl позволяет получать частицы AlN игольчатой структурой, а добавка NH4F-частицы AlN сферической формы. Температура горения и размер частиц продукта снижается при увеличение содержания добавок.
7. Гранулирование шихты:
Применение нитрата целлюлозы как связки при гранулировании шихты Ti-C и проведение СВС в режиме с фильтрацией примесных газов через пористую гранулированную засыпку приводит к образованию высокопористого спекаTiC, который легко размалывается в тонкий порошок.
8. Применение азидов в качестве азотирующих реагентов:
Твердые неорганические азиды (NaN3, NH4N3, BaN6 и т.п.) могут быть использованы для СВС нитридов вместо газообразного азота. Эти твердые азиды разлагаются в волне горения с выделением активного атомарного азота, который азотирует исходный реагент.
Данный метод характеризуется низкой температурой горения и образованием газообразного побочного продукта (Н2).
|
|
|
9.Применение редокс-соединений и редокс-смесей:
Редокс-соединения получают на основе гидразина N2H4 и являются его производными. Примеры таких соединений: Me(N2H3COO)2; Me(N2H3COO)2·xH2O и т.п. Они разлагаются в форме горения при низкой тепмпературе( в форме тления) с образованием тонких порошков простых и сложных оксидов и большим количеством газа как побочного продукта.
Редокс-смеси состоят из окислителя (нитрата или перхлората металла) и горючего (органического соединения гидразина). Их горение также сопровождается большим выделением газа.
10. Применение жидких растворов:
Растворный (или водный) синтез горением протекает в жидких растворах нитратов металлов и различных горючих. Эти горючие обеспечивают высокотемпературное быстрое взаимодействие в системе, реагируя с кислородосодержащими группами, образованными в процессе разложения нитратов. После предварительного нагрева до умеренных температур (150-200ºС), жидкая реакционная среда может быть воспламенена и фронт реакции распространится в самоподдерживающемся режиме вдоль системы, оставляя позади себя твердый продукт заданного состава. Но температура горения является довольно низкой. Использование жидких растворов прекурсоров позволяет смешивать реагенты на молекулярном уровне. Во время быстрой экзотермической реакции выделяются различные газы, препятствующие росту размера частиц и этим способствующие образованию наноразмерных порошков простых и сложных оксидов с исключительно высокой удельной поверхностью.
11. Химическое диспергирование:
Этот метод основан на химической обработке измельченного спека продукта СВС в специальном растворе кислоты, перекиси, щелочи и т.д. при определенной температуре, когда происходит растворение пограничных (обычно дефектных) слоев кристаллитов и удаление примесей, при этом сами кристаллы не растворяются. В результате такой обработки поликристаллический спек распадается на отдельные кристаллические частицы продукта СВС с размером, соответствующим размерам первичных кристаллитов, образующихся в волне горения. Наряду с этим, такая обработка конечного продукта, и удельная поверхность порошков возрастает.
12. Ударноволновая активация:
Действие ударной волны на исходные реагенты во время СВС или на продукты СВС является одним из методов механической активации. Повышающееся давление сначала сжимает и деформирует реагенты без химической реакции, затем разрушает их, перемешивает и нагревает, что может закончиться инициированием химической реакции. Сдвиговые напряжения во фронте ударной волны разрушают продукт, образуя тонкие частицы. Тем не менее, оказалось невозможным синтезировать наноструктуры в режиме ударноволнового воздействия на образец во время СВС. Такое сочетание СВС с ударноволновым воздействием при синтезе TiC позволило получить этот продукт с размером частиц не более 1 мкм. Уменьшение размера конечного продукта является пока наиболее успешным результатом применения ударноволнового воздействия в технологии СВС.
13. Гравитационное воздействие:
Перегрузка может приводить к измельчению зерна СВС-продукта. В условиях микрогравитации продемонстрировано, как микроструктура фосфида галлия, полученного методом СВС, зависит от величины ускорения свободного падения. Также в условиях микрогравитации достигнута экстремально высокая пористость продукта СВС, например, до 96% для пенокерамики состава NiAl–TiC. Измельчение такой керамики может дать очень тонкий порошок.
14. Подогрев шихты:
Этот метод используется для низкокалорийных систем, например, в случае прямого синтеза карбида кремния SiC из шихты Si+C методом СВС в режиме послойного горения или объемного теплового взрыва.
В первом случае горелка движется вдоль образца со скоростью, совпадающей со скоростью распространения фронта горения.
Во втором случае объемный микроволновой нагрев используется для прямого синтеза SiC режиме теплового взрыва. Исходные частицы Si и С близки по размеру (43мкм). А частицы синтезированного SiC имеют форму игл диаметром 36-76 нм и длиной 360-1500 нм.
15. Наложение электрического и магнитного полей:
Электрические и магнитные поля (ЭП и МП соответственно) влияют на процесс СВС, особенно после механической активации (МА) реагентов. Поэтому можно говорить об активации полями, которая дает возможным протекание процесса СВС в низкокалорийных системах, регулирует структуру СВС-продуктов и обеспечивает один из путей получения СВС-нанопорошков.
16. СВС вгазовзвесях:
В этом случае для получения наноразмерных СВС-порошков существенно важна предварительная газификация частиц реагентов, так что размер исходных частиц должен быть достаточно малым. Например, горение металлических частиц диаметром менее 10 мкм в диффузионном или гомогенном пламени позволяет синтезировать сферические частицы с исключительно узким распределением по размеру (40 нм в диаметре). Непрерывное сжигание аэровзвеси алюминиевого порошка в камере сгорания прямоточного воздушно-реактивного двигателя обеспечивает газофазный режим горения алюминия, позволяющий получать порошок Al2O3 сферической формы с размером частиц от 0,03 до 0,3 мкм.
17. Газофазный СВС:
В этом случае реагентами являются газы, а по крайней мере один из конечных продуктов является твердым. Газовзвесь возникает благодаря такому исключительно важному процессу как химическая конденсация. Этот метод позволяет получать нанопорошки без необходимости в механическом измельчении. Существуют различные варианты газофазного СВС.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 607; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!