Реферат по теме «Перспективы развития методов по

Министерство образования и науки Российской Федерации

Муниципальное казённое образовательное учреждение Тарутинская средняя общеобразовательная школа

Ачинского района Красноярского края


Исследовательский реферат

по теме

«Перспективы развития методов получения нанодисперсных веществ»


Выполнил: Войшель Ян Владимирович,

ученик 10 класса

Руководитель: Протасов Тимофей Николаевич, учитель физики

и информатики

Ачинский район, 2012г.

Цель исследования:

Рассмотреть существующие и развивающиеся методы получения наноматериалов, перспективы их развития и практическую значимость для решения ряда важнейших прикладных и фундаментальных задач современной науки. Привести примеры применения наноматериалов в различных областях науки и техники.

Задачи исследования:

• 
  познакомиться с историей нанотехнологий;
  
  • 
    изучить и проанализировать накопленный материал теоретического характера, касающийся вопросов развития способов получения наноматериалов;
    
  • 
    изучить и проанализировать накопленный материал экспериментального характера, касающийся вопросов синтеза и исследования нанодисперсных веществ;
    
  • 
    на основе полученных результатов, сравнить существующие методы получения наноматериалов и сделать вывод;
    

Объект исследования: нанотехнологии.


Направление исследования: перспективные композиционные материалы, наноматериалы.


Гипотеза: В настоящее время много важных и значительных открытий произошло в материаловедении, области знаний, которая является наиболее востребованной в электронной, химической, металлургической индустриях. Мощное развитие новых направлений материаловедения, связано в первую очередь со значительным прорывом в изучении наноматериалов. Столь сильный интерес к наноматериалам, в свою очередь базируется на понимании того, что частицы размером менее 100 нм придают сделанным из них материалам новые свойства и характеристики.

Однако на сегодняшний день проблема получения наноматериалов с заданными свойствами в достаточных количествах остается не решенной, что связано в первую очередь с отсутствием достаточного опыта. Таким образом, серьезный интерес приобретают новые способы синтеза наноматериалов, которые позволяют производить нанодисперсные порошки в промышленных масштабах.

В связи с этим, целью современной науки, является развитие, совершенствование и внедрение существующих и новых методов получения нанодисперсных веществ, исследование процессов их синтеза и разработка новых установок для их получения.

Методы и приемы исследования:

• 
  поиск информации в различных источниках;
  
• 
  анализ полученной информации;
  

СОДЕРЖАНИЕ

Введение……………………………………………………………………...4

Глава I. Современные методы получения нанодисперсных веществ

§ 1.1. Получение нанодисперсных порошков плазмохимическим методом……………………………………………………………………….6

§ 1.2. Получение нанодисперсных порошков газофазным методом……...8

§ 1.3. Получение нанодисперсных веществ методами термического разложения и восстановления……………………………………………………………...10

§ 1.4. Механический синтез, детонационный синтез, электрический взрыв проводников как способы получения наноматериалов…………………...11

§ 1.5. Метод осаждения из коллоидных растворов………………………..13

Заключение………………………………………………………………….17

Список литературы………………………………………………………...18

ВВЕДЕНИЕ

Проблема получения тонкодисперсных порошков металлов, сплавов и соединений и сверхмелкозернистых материалов из них, предназначенных для различных областей техники, давно обсуждается в литературе. В последнее десятилетие, интерес к данной теме существенно возрос, так как обнаружилось, что уменьшение размера кристаллитов ниже некоторой пороговой величины может приводить к значительному изменению свойств. Такие эффекты появляются, когда средний размер зерен не превышает 100 нм, и наиболее отчётливо наблюдаются, когда размер зерен менее 10 нм. Изучение свойств сверхмелкозернистых материалов требует учёта не только их состава и структуры, но и дисперсности. Поликристаллические сверхмелкозернистые материалы со средним размером зерен от 100-150нм, называют обычно субмикрокристаллическими, а со средним размером зерен менее 40 нм – нанокристаллическими.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно давно и используется в разных областях науки и техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стёкол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов.

Современная техника предъявляет повышенные требования к эксплуатационным характеристикам конструкционных и функциональных материалов. Важная роль среди них отведена металлам, сплавам и многокомпонентным композитам. Один из возможных путей ее развития – является развитие и широкое применение технологий, направленных на производство порошковых наноматериалов.
Метод порошковой металлургии, впервые был разработан российскими учеными П. Соболевским членом Петербургской АН с 1830 г. и В. Любарским. Метод был впервые применен на практике в 1826 году при изготовлении монет из платины в Петербургском монетном дворе. Температура ее плавления 1770°С в то время была недостижимой, а спекание в специальной форме этого металла, измельченного до порошка, уже тогда удалось осуществить при более низкой температуре.
В начале XX в. эта технология вновь привлекла к себе внимание в ряде стран, что позволило производить материалы, обладающие уникальными свойствами повышенной твердостью, износостойкостью и другими ценными качествами, получение которых иными способами недостижимо. Например, все тугоплавкие металлы — вольфрам t° пл. 3410 ±50°С, молибден, рений, ниобий, а также композитные материалы, в том числе композиции металлов с неметаллами.
Следует напомнить, что наноматериалы и нанотехнологии рассматриваются в мире как одно из направлений, определяющих научно-технический прогресс в XXI столетии. Как ранее было показано отечественными специалистами, дисперсность — один из важных параметров, определяющих свойства вещества.
Развитие поверхности создает дополнительную энергетическую составляющую, которая может быть полезно использована в процессах с участием твердых тел, в том числе для облегчения их компактирования. Задача интенсификации этих процессов наряду с возможностью получения порошков необходимых форморазмеров вызвали к жизни плазменную порошковую металлургию.

Фуллерены, углеродные трубки и алмазы используют как добавки для модификации и получения новых свойств других материалов. Основные области применения углеродных наноматериалов — микроэлектроника и оптика, а в перспективе, возможно, и медицина. Особые надежды возлагают на них в авиационной отрасли. Ожидается, что созданные с использованием нанотехнологий высокопрочные материалы и покрытия позволят снизить массу летательных аппаратов, а наноструктурные радиопоглощающие покрытия помогут создавать «невидимые» военные самолеты. Кроме того, с использованием нанотехнологий разрабатываются высокоточные авиационные приборы для измерения температуры и давления.

Очень важная и широкая область давнего и успешного применения малых частиц металлов, сплавов и полупроводников – катализ химических реакций. Гетерогенный катализ с помощью высокоэффективных катализаторов из тонкодисперсных порошков или керамики с зернами нанометрового размера – самостоятельный и очень обширный раздел физической химии.

Все производимые в настоящее время наноматериалы подразделяют на четыре группы: оксиды металлов и кремния, сложные оксиды (состоящие из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси. Оксиды металлов составляют не менее 80 % всех производимых нанопорошков. Нанопорошки чистых металлов составляют значительную и все больше возрастающую долю общего объема производства. Сложные оксиды и смеси выпускают в ограниченном количестве. Но ожидается, что потребность в них в долгосрочной перспективе возрастет.


Оксиды металлов

Три нанопорошка составляют около 80 % всех порошков оксидов: SiO2, TiO2, Al2O3. Остальные 20 % производства в основном приходятся на следующие семь нанопорошков — оксиды железа, цинка, церия, циркония, иттрия, меди и магния.

Ряд важных нанопорошков, таких как: Nd2O3, Eu2O3, Dy2O3 производится в меньших количествах.


Порошки чистых металлов

Почти все твердые металлические элементы выпускаются серийно в виде нанопорошков чистых металлов. Промышленное применение многих из них нуждается в дальнейшем развитии. Затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты значительно выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства лидируют пять нанопорошков — железа, алюминия, меди, никеля и титана. Драгоценные металлы (Ag, Au, Pt) и кремний (Si) производятся в небольших объемах. Их многочисленные способы применения требуют низкой концентрации, однако, по мере того, как расширяется их применение, мировое производство с каждым годом растёт.


Смеси и сложные оксиды Сложные оксиды, такие как сурьмяно-оловянный оксид (Sb2O3/SnO2) и индие-оловянный оксид (In2O3/SnO2), составляют небольшую долю объема производства. В противоположность оксидам металлов и порошкам чистых металлов и кремния, производится небольшое количество сложных оксидов, таких как: Si3N4, BaTiO3, C, WCCo.

На сегодняшний день существует множество различных методов получения нанодисперсных веществ, которые имеют ряд своих преимуществ, так и недостатков. Ниже будут рассмотрены наиболее развитые технологии получения.

Глава I. Современные методы получения нанодисперсных веществ

§ 1.1. Получение нанодисперсных порошков плазмохимическим методом.


Одним из самых распространенных химических методов получения высокодисперсных порошков нитридов, карбидов, силицидов, боридов и оксидов является плазмохимический синтез. Основными условиями получения высокодисперсных порошков этим методом являются протекание реакции вдали от равновесия и высокая скорость образования зародышей новой фазы при малой скорости их роста. В реальных условиях плазмохимического синтеза получение наночастиц целесообразно осуществлять за счет увеличения скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит конденсация из газовой фазы; благодаря этому уменьшается размер образующихся частиц, а также подавляется рост частиц путем их слияния при столкновении. При плазмохимическом синтезе используется низкотемпературная (4 000-8 000 К) азотная, аммиачная, гелиевая, углеводородная, аргоновая плазма дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысокочастотного разрядов; в качестве исходного сырья применяют элементы, их галогениды и другие соединения. Характеристики получаемых порошков зависят от используемого сырья, технологии синтеза и типа плазмотрона. Частицы плазмохимических порошков являются монокристаллами и имеют размеры от 10 до 100-200 нм и более. Плазмохимический синтез обеспечивает высокие скорости образования и конденсации соединения и отличается достаточно высокой производительностью. Главные недостатки плазмохимического синтеза - широкое распределение частиц по размерам и, вследствие этого, наличие довольно крупных (до 1-5 мкм) частиц, т.е. низкая селективность процесса, а также высокое содержание примесей в порошке. К настоящему времени плазмохимическим методом получены высокодисперсные порошки нитридов титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, бора, алюминия и кремния; карбидов титана, ниобия, тантала, вольфрама, бора и кремния; оксидов магния, иттрия и алюминия. Наиболее широко плазмохимический метод применяется для синтеза нитридов переходных металлов IV и V групп со средним размером частиц менее 50 нм.

Температура плазмы, доходящая до 10 000 К, определяет наличие в ней ионов, электронов, радикалов и нейтральных частиц, находящихся в возбужденном состоянии. Наличие таких частиц приводит к высоким скоростям взаимодействия и быстрому (за 10-3 - 10-6 с) протеканию реакций. Высокая температура обеспечивает переход практически всех исходных веществ в газообразное состояние с их последующим взаимодействием и конденсацией продуктов.

Плазмохимический синтез включает в себя несколько этапов. На первом этапе происходит образование активных частиц в дуговых, высокочастотных (ВЧ) и сверхвысокочастотных плазмотронах (СВЧ). Наиболее высокой мощностью и коэффициентом полезного действия обладают дуговые плазмотроны, однако получаемые в них материалы загрязнены продуктами эрозии электродов; безэлектродные высокочастотные и СВЧ - плазмотроны не имеют этого недостатка. На следующем этапе в результате закалки происходит выделение продуктов взаимодействия. Выбор места и скорости закалки позволяет получить порошки с заданными составом, формой и размером частиц.

Получаемые плазмохимическим синтезом порошки имеют правильную форму и размер частиц от 10 до 100 нм и более. Плазмохимические порошки карбидов металлов, бора и кремния обычно получают взаимодействием хлоридов соответствующих элементов с водородом и метаном или другими углеводородами в аргоновой высокочастотной или дуговой плазме; нитриды получают взаимодействием хлоридов с аммиаком или смесью азота и водорода в низкотемпературной СВЧ - плазме. С помощью плазмохимического синтеза можно получать также многокомпонентные ультрадисперсные порошки, представляющие собой смеси карбида и нитрида, нитрида и борида, нитридов разных элементов и т.д.

Синтез оксидов в плазме электродугового разряда проводится путем испарения металла с последующим окислением паров или окислением частиц металла в кислородсодержащей плазме. Образование нанопорошков оксида алюминия с минимальным размером частиц (размером 10-30 нм) достигается при взаимодействии паров металла с кислородом воздуха в условиях интенсивного вдувания воздуха, за счет чего происходит быстрое снижение температуры. Интенсивное охлаждение не только тормозит рост частиц, но и увеличивает скорость образования зародышей конденсированной фазы. Плазмохимический синтез с окислением частиц алюминия в потоке кислородсодержащей плазмы приводит к образованию более крупных частиц оксида по сравнению с окислением предварительно полученного пара металла.
При рассмотрении кинетики процессов в плазменных потоках помимо общетеоретических представлений используются закономерности, полученные в итоге исследований диссоциации, испарения и восстановления оксидов. А для взаимодействия термической плазмы с распределенным в ней дисперсным веществом сформулировано обобщающее положение, получившее общемировое признание, — о лимитировании химических превращений - восстановление, синтез, термическое разложение - стадиями перехода в газовую фазу.
Это стимулировало изучение испарения как такового и было положено в основу унифицированной модели струйно-плазменного процесса, включающей смешение дисперсного сырья с теплоносителем, кинетику его перехода в газовую фазу, последующие химические превращения и формообразование в ходе конденсации. Эксперименты подтвердили плодотворность математического моделирования на всех этапах данного исследования. Таким образом, плазменная порошковая металлургия ныне — одна из наиболее обеспеченных фундаментальными разработками областей плазмохимических технологий.
Взаимодействие плазмы с обрабатываемым веществом обеспечивает плавление, диспергирование, испарение, а затем восстановление и синтез продукта с размером частиц до нанометров, включая параметры так называемого критического зародыша. Наиболее универсальный способ получения нанопорошков металлов, сплавов и соединений — восстановление и синтез в химически активной плазме.