Механохимический синтез наночастиц

При измельчении материалов происходит разрыв химических связей, что предопределяет возможность последующего образования новых химических связей, то есть протекание механохимических реакций. В условиях механохимического воздействия можно осуществлять полиморфные превращения, а также реакции разложения или синтеза.

На химическую реакцию влияет не только собственно разрыв химических связей при разрушении твердого тела, но и сопровождающие это явление электрические разряды, триболюминисценция, различные виды излучения от акустического до электромагнитного в широкой области длин волн (от радиоволн до рентгеновских), эмиссия молекул, ионов, электронов, локальное повышение температуры и давления. Это позволило некоторым ученым ввести понятие «магма-плазма» для объяснения наблюдаемых процессов.

Выделяющаяся при высокой степени неравновесности во время удара или истирания энергия из-за низкой теплопроводности твердых тел приводит к тому, что какая-то часть вещества находится в виде ионов и электронов, то есть в состоянии плазмы. Механохимические процессы в твердом теле можно объяснить с привлечением фононной теории разрушения хрупких тел, когда процесс рассматривают через генерирование, распространение и взаимодействие фононов. При этом в твердом теле все дефекты оказываются взаимосвязанными и взаимозависимыми благодаря фононным взаимодействиям.
Многократность и высокая частота подобных воздействий на материал, реализуемая в высокоэнергетических мельницах (вибрационных, планетарных, аттриторах и др.), позволяет механохимическим методом синтезировать вещества, для получения которых при обычных условиях требуются высокие температуры.
При взаимодействии рабочих органов с измельчаемым материалом возможен локальный разогрев до высоких температур, вплоть до образования плазмы. Это ускоряет химические реакции, но далеко не всегда является определяющим фактором в механохимии. Установлена независимость скорости ряда механохимических реакций от температуры.
При помоле взаимодействие порошков с окружающими газами или жидкостями, как для обычных гетерогенных процессов, лимитируется либо скоростью реакции на поверхности раздела (кинетическая область), либо подводом исходных веществ или отводом продуктов (диффузионная область). Если продукт реакции твердый, то его образование на поверхности частиц тормозит дальнейший процесс. При измельчении слой продукта непрерывно удаляется и не замедляет процесс.
Механохимические процессы применяют для получения нанопорошков с размером частиц от 200 до 5 - 10 нм. Благодаря процессам самоорганизации эволюция системы, которой является получаемый механосинтезом порошок, может привести к образованию близких по размеру наночастиц. Механохимический синтез нанопорошков прост в исполнении, но требует длительного времени. В процессе помола в измельчаемый материал попадает материал мелющих тел и футеровки мельницы [8].

Механохимические синтезы включают в себя механическую активацию реакций твердофазового состояния. Этот способ успешно использовали для получения наночастиц ряда материалов, включая керамику из Л120з и ZrO2 [68].
В методе применяют помол порошков прекурсора (обычно солей или оксидов металлов) с образованием структуры наноразмерных композиционных исходных материалов, которые реагируют при помоле и последующем нагреве, если это необходимо, с образованием смеси диспергированных нанокристаллотребуемых оксидов с матрицей из растворимой соли. Метод основан на использовании при высокоинтенсивном измельчении в планетарных мельницах вещества, названного катализатором измельчения.

После измельчения порошки имеют структуру, представленную на рис. 3.69. Порошки а-Л1203 со средним размером частиц в диапазоне 18 - 60 нм (в зависимости от условий измельчения) могут быть использованы в различных областях, в том числе для производства нанокерамических материалов.



Например, наночастицы Л120з получают помолом A1C13 с порошком СаО, в результате чего изготавливают нанокомпозиционную смесь частиц СаО, погруженную в аморфный матричный A1C13 [69]. Последующий нагрев при 300 °С приводил к образованию частиц у- Л1203 внутри матричного CaC12 как результат следующей реакции:

После удаления CaC12 получают чистые частицы. В дру
гом случае синтезируют ультрадисперсный порошок путем по-

мола и последующей термообработкой порошков ZrCl4 и СаО. Образование наночастиц ZrO2 в матричном CaCl2 проходило в соответствии со следующей реакцией:

Удаление CaCl2 проводят обычным промыванием, что приводит к образованию частиц ZrO2 размером приблизительно 5 нм [70]. Разработан новый метод получения сверхтонкого порошка a-Al2O3 [71]. Для этих целей использовали две пробы порошка с различным содержанием примесей (табл. 3.7). Их свойства представлены в табл. 3.8.
Таблица 3.7
Содержание примесей в оксиде алюминия двух составов

Проба	Основные примеси, масс. %
порошка	Na	Mg	Si	Cr	Fe	Mn	Ti
1	IN О г1'	110-2	110-1	410-1	1	110-2	A О
2	IN О V	lt; 110-3	lt; 110-2	lt; 110-2	2-10-2	A о	A О

Таблица 3.8
Свойства порошков

Показатель свойств	Порошок 1	Порошок 2
1. Фазовый состав	100 % a-Al2O3
2. Удельная поверхность, м2/г	57	39,8
3. Размер кристаллов по уширению рентгеновских линий, нм	25	40
4. Размер частиц по методу лазерного светорассеяния, нм	25
5. Плотность материала, полученного одноосным сухим прессованием при давлении 145 Mna, г/см3	2,4	2,6
6. Плотность материала, полученного изостатическим прессованием при давлении 220 МПа, г/см3		2,8
7. Плотность керамики, спеченной при 1300 °С, г/см3	3,7	3,96

Еще по теме Механохимический синтез наночастиц:

1. III. Координация синтезов
2. Синтез-технология и психотерапия
3. Кому нужна Синтез-технология
4. Упражнение 4. «Синтез»
5. Основные принципы Синтез-технологии
6. 5. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ("ОРГАНИЧЕСКОГО" ЦЕЛОГО)
7. ЭТНОЛОГИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ВОСКА ЖИМПЕРЫ
8. Синтез белка невозможен в воде
9. НА ПУТИ К ЛАЗЕРНОМУ ТЕРМОЯДЕРНОМУ СИНТЕЗУ
10. ЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ
11. Супраморализм, или Всеобщий синтез
12. Синтез науки и религии.