Наноструктурирование металлов

Министерство образования  и науки РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Институт Металлургии, Машиностроения и Транспорта

Кафедра МиТОМД

 

 

 

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

«Наукоемкие технологии обработки  металлов давлением»

на тему: «Наноструктурирование металлов»

 

 

 

 

Студент:       Курлат А.А.

Группа:               43324/1

Преподаватель:  Кузнецов П.А.

 

 

 

 

 

 

Санкт- Петербург

2013 

СОДЕРЖАНИЕ

1. Введение…………...……………………………………………………… 3
2. Химические методы получения наноструктур…………………………. 4

2.1. Химическая конденсация  паров ……………………. ……………..4

2.2. Получение золей путем  жидкофазного восстановления ………... 5

2.3. Матричный синтез ……………….………………………………... 6

2.4. Радиолиз …………………………………………………………… 7

3. Физические методы получения наноструктур ………………………… 8

3.1. Плазменное напыление……………………………………………. 8

3.2. Газофазное компактирование…………………………………….. 9

3.3. Метод лазерного испарения……………………………………… 10

3.4. Контролируемая кристаллизация………………………………… 11

3.5. Молекулярно-лучевая эпитаксия………………………………… 12

3.6. Диспергирование и измельчение………………………………… 13

3.7. Пластическая деформация………………………………………... 15

3.7.1. Метод равноканального углового прессования…………… 16

3.7.2. Метод равноканального углового прессования по схеме «конформ»…………………………………………………… 12

3.7.3. Метод локального деформирования………………………. 18

3.7.4. Метод выдавливания………………………………………... 19

3.7.5. Метод циклического гидроформирования трубных  
заготовок…………………………………………………….. 22

4. Выводы………………………………………………………………….. 42
5. Список литературы……………………………………………………… 43

 

1. Введние.

В настоящее время в  мире наблюдается огромный интерес  к субмикрокристаллическим и  нанокристаллическим материалам. Этот интерес обусловлен тем, что измельчение структуры материала позволяет решить важную проблему материаловедения – получение материалов с однородной мироструктурой и прогнозируемыми на этой основе физико-механическими свойствами и долговечностью. Так же исследования в этой области привели к открытию многих уникальных свойств вещества„ находящегося в нанокристaлическам состоянии. Это позволило не только создать совершенно новые поколения материалов и устройств, но и изменить многие представления ученых об окружающем мире.

Создание новых перспективных материалов опирается на достижения физики и механики твердого тела, химии и разработок в области новых технологий.

Наноструктурированные материалы (НСМ) проявляют особые, уникальные физико-механические свойства. Так, установлено, что в НСМ могут быть изменены даже фундаментальные параметры, такие как температуры Кюри, Дебая, модули упругости, намагниченность насыщения и др. Большой интерес также представляет возможность достижения сверхпрочности, сверхпластичности, повышенной демпфирующей способности.

К настоящему моменту известны десятки методов создания наноструктурированных материалов. Принципиально все методы получения наноструктур возможно условно разделить на два больших класса – физические и химические методы.

Химические методы получения  наночастиц и ультрадисперсных систем известны достаточно давно. Коллоидный раствор золя золота (красного) с размером частиц 20 нм был получен в 1857г. М.Фарадеем. Агрегативная устойчивость золя объясняется образованием двойного электрического слоя на поверхности раздела твердое тело-раствор и возникновением электростатической составляющей расклинивающего давления, являющегося основным фактором стабилизации данной системы.

Золь — высокодисперсная коллоидная система (коллоидный раствор) с жидкой (лиозоль) или газообразной (аэрозоль) дисперсионной средой, в объеме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде капелек жидкости, пузырьков газа или мелких твердых частиц, размер которых лежит в пределе от 1 до 100 нм (10−9—10−7м).

 

2. Химические методы

Химические  методы наноструктурирования

 

Химическая конденсация паров

Получение золей путем жидкофазного восстановления

 

 

Матричный синтез

Радиолиз

 

 

2.1. Химическая конденсация паров

При химической конденсации  применяют различные химические реакции, в ходе которых образуются малорастворимые вещества. Используют реакции гидролиза, ОВР, обмена, замещения, нейтрализации и др.

Реакцию гидролиза проводят в органических растворителях. Последующая  полимеризация приводит к образованию  геля:

M(OR)4 + 4H2O M(OH)4 + 4ROH

mM(OH)n (MO2) + 2mH2O

Исходными соединениями при  конденсации являются углеводороды, а также неорганические вещества, которые связывают продукта реакции. Эти неорганические вещества называются конденсирующими агентами. К ним  относят: щелочи, окислы и хлориды  металлов. В зависимости от конденсирующего  агента процессы конденсации можно  классифицировать следующим образом:

1) процессы конденсации,  протекающие в присутствии хлористого  алюминия;

2) процессы конденсации,  протекающие в присутствии хлористого цинка;

3) процессы конденсации,  протекающие в присутствии серной  кислоты, щелочей; 

4) процессы конденсации,  в которых конденсирующее действие  оказывает высокая температура. 

2.2. Получение золей путем жидкофазного восстановления

Наиболее простым и  часто используемым химическим способом наноструктурирования является синтез наночастиц в растворах при протекании различных реакций. Для получения металлических наночастиц применяют реакции восстановления, при которых в качестве восстановителя используют алюмо- и борогидриды, тетрабораты, гипофосфиты и многие другие неорганические и органические соединения.

В одностадийных процессах  жидкофазного восстановления в рабочее  пространство плавильно- восстановительного агрегата подаются уголь, руда, кислород или воздух, обогащенный кислородом. В рабочем пространстве агрегата существуют 4 зоны:

Зона 1 - нижняя часть плавильно-восстановительной печи, в которой накапливается жидкий металл. В этой, относительно спокойной зоне продолжается науглероживание металла, происходит ограниченное перемешивание металла со шлаком и теплообмен между ними.

Зона 2 - слой барботируемого шлака. В этом слое происходит восстановление оксидов железа углеродом с образованием железа и СО и интенсивные теплообменные процессы. Здесь же происходит неполное горение углерода, выделение и декомпозиция летучих веществ. Выделяющиеся в реакциях СО и Н2 образуют газовые пузыри, которые барботируют шлаковый слой. Часть шлака образует гарниссаж на водоохлаждаемых стенках этой зоны. В этой же зоне происходит науглероживание железа.

Зона 3 - зона дожигания выходящего из слоя шлака восстановительного газа вдуваемым сюда кислородом или обогащенным  кислородом дутьем. Эта зона расположена  непосредственно над слоем барботируемого шлака. В этой зоне выделяется максимальное количество тепла в результате сгорания газообразных продуктов реакций восстановления и процесса пиролиза. Здесь идет интенсивный радиационный (главным образом) и конвективный теплообмен между газом и шлаком. Температура газов в этой зоне может достигать 2000 °С и выше. В этой зоне продолжается нагрев железорудных материалов и угля, идет процесс пиролиза угля с выделением из него летучих веществ и происходит плавление мелких частиц руды.

Зона 4 - достаточно большое  по объему свободное пространство в  верхней части печи, необходимое  для погашения энергии взлетающих капель шлака, снижения скорости выделяющегося  дыма и уменьшения выноса мелочи загружаемых  материалов с отходящим газом. В  этой зоне поступающие в печь руда и уголь интенсивно нагреваются  газом. 

2.3. Матричный синтез

Химические реакции, в  которых строение образующегося  мономолекулярного органического  соединения и (или) кинетика процесса определяется атомом металла (так называемый темплатный синтез).

Атом металла может  входить в состав соли или комплексного соединения и выполнять в матричном  синтезе различные функции. Он координирует молекулы и тем самым ориентирует  их реагирующие фрагменты (так называемый кинетический эффект в матричном  синтезе); в этом случае образование  целевого продукта без участия в  реакции атома металла вообще не происходит. Атом металла может  связывать в комплекс только один из конечных продуктов, которые образуются в равновесной реакции (так называемый термодинамический эффект в матричном  синтезе); образование целевого продукта может происходить и в отсутствие металла, однако под влиянием последнего выход реакции существенно возрастает. Часто оба эти механизма проявляются  одновременно. Известны случаи, когда  равновесная реакция осуществляется на стадии образования промежуточного продукта. Последний фиксируется  в виде металлокомплекса, и дальнейшее превращение идет специфическим образом (так называемый равновесный эффект в матричном синтезе). Возможны и другие механизмы матричного синтеза.

 

 

2.4. Радиолиз (радиационно-химическое восстановление)

Разложение химических соединений под действием ионизирующих излучений.

Синтез наночастиц при радиолизе заключается в воздействии на систему высоких энергий, примерно 100 эВ. При радиолизе в системе генерируются свободные электроны и радикалы. Так, в водных растворах при облучении из молекулы воды получаются гидратированные частицы – электроны и радикалы водорода и гидроксила:

H ₂ O^hv → H ⁰ + HO ⁰ + e

Электроны и радикалы при  взаимодействии с исходным веществом  образуют наночастицы.С использованием радиолиза получены нанокомпозиты, состоящие из нескольких металлов. Например, наносистемы никель-серебро с диаметром 2-4 нм; биметаллические частицы Au - Ni размером 2.5 нм, нанесенные на аморфный углерод; триметаллические наночастицы Pd - Au - Ag, состоящие из ядер палладия и двух оболочек золота и серебра. Образующиеся многослойные нанокластерные материалы предполагается использовать для фемтосекундных электронных устройств нового поколения.

Радиолиз для синтеза  частиц металлов, проходящий в жидкой фазе, способствует синтезу более узкодисперсных по размеру частиц. При радиолизе вначале образуются атомы и малые кластеры металлов, которые затем превращаются в наночастицы.

 

 

 

 

3. Физические методы.

Физические методы наноструктурирования

Газофазное  компактиро-вание

Методы  лазерного испарения

Контролируемая  кристаллизация

Пластическая  деформация

Ионно-лучевая  эпитаксия

Диспергирование и измельчение

Плазменное  напыление

 

 

 

 

3.1. Плазменное напыление

Сущность плазменного  напыления заключается в том, что в высокотемпературную плазменную струю подаётся распыляемый материал, который нагревается, плавится и  в виде двухфазного потока направляется на подложку. При ударе и деформации происходит взаимодействие частиц с  поверхностью основы или напыляемым материалом и формирование покрытия. Плазменное напыление является одним  из вариантов газотермического напыления.

Плазменный процесс состоит  из трех основных стадий:

1. генерация плазменной струи;
2. ввод распыляемого материала в плазменную струю, его нагрев и ускорение;
3. взаимодействие плазменной струи и расплавленных частиц с основанием.

 

3.2. Газофазное компактирование

Газофазное уплотнение производят следующим образом. В потоке природного газа и паров треххлористого бора (BCl3) прямым пропусканием тока сборку нагревают  до достижения температуры на внешней  поверхности графитовых оправок-нагревателей 1000°С. Затем температуру непрерывно повышают и после достижения на внешней  поверхности заготовок 1050°С процесс  прекращают. При этом компоненты в  матрице углерод-углеродный композиционный материал (УУКМ) в зависимости от определенного соотношения подаваемых газов будут находиться в следующем соотношении, мас.%: бор 1-19; пироуглерод - остальное.

После завершения процесса уплотнения и охлаждения сборки внутри установки до комнатной температуры  ее извлекают из камеры пиролиза и  разделяют на составные части. Уплотненные  заготовки при помощи пресса снимают  с оправок-нагревателей, которые  затем повторно используют для последующих  насыщений подобных заготовок.

Снятые с оправок-нагревателей углерод-углеродные заготовки обрабатывают на токарном станке до получения геометрической формы, соответствующей заданной.

Для еще большего повышения  физико-механических свойств УУКМ и  придания материалу рентгеноконтрастности в наполнитель между слоями углеродной ткани укладывают слои сетки из титана.