CC BY
207
УДК 536.24
2 1 1 А.П. Ильин , Г.В. Шувалов , И.В. Клековкин ,
2 2 2 А.В. Коршунов , Л.О. Толбанова , А.В. Мостовщиков
1СГГА, Новосибирск
2Томский политехнический университет, Томск
ОСОБЕННОСТИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НАНОПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ
A.P. Win2, G.V. Shuvalov1, I.V. Klekovkin1,
2 2 2 A.V. Korshunov2, L.O. Tolbanova2, A.V. Mostovwikov2
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
2Tomsk polytechnical university (TPU)
4 Kirova, Tomsk, Russian Federation
FEATURES OF PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES NANOPOWDER OF METALS
Features of physical and chemical properties nanopowder metals and ways of their definition are considered.
Физико-химические свойства нанопорошков (НП) металлов можно разделить на два вида: непрерывно изменяющиеся во времени и связанные с нестабильным состоянием и не изменяющиеся во времени, которые указывают на метастабильный характер состояния. Для получения надёжных результатов исследования НП и для их практического использования важным является установление причин изменения измеряемых характеристик и возможности ими управлять.
Изучение структуры и фазового состава НП было связано с поиском новых видов кристаллических решёток и с возможностью стабилизации металлов в рентгенаморфном состоянии. Для частиц металлов диаметром < 10 нм действительно наблюдался переход в нехарактерные для этого металла кристаллические состояния [1]. Интересным для кристаллохимии является экспериментальный факт перехода a-Al2O3 в y-Äl2O3 при переходе от массивного состояния в наносостояние, причём размерная граница устойчивости соответствовала ~100 нм. Для получения НП в аморфном состоянии (стекол) необходимо создать экстремальные условия формирования наночастиц. Удобным для создания таких условий является электрический взрыв проводников в инертных газах: максимальная
4 8
температура - 10 К, скорость охлаждения 10 К/с. Анализ полученных результатов эксперимента показал [2], что в условиях электрического взрыва металлы, не обладающие полиморфизмом, (Al, Cu, Ag), кристаллизуются в виде типичных кристаллических решёток, но с пониженной рентгеновской плотностью (до 0,2 % отн.). При наличии полиморфизма в условиях электрического взрыва стимулируются кристаллические решётки с
пониженной плотностью, причём такая закономерность характерна не только для металлов, но и для химических соединений. Ярким примером такой закономерности является изменение фазового состава при электрическом взрыве железного проводника в аргоне с добавкой ацетилена (5% отн.): исходный проводник - это а-Ре, а после взрыва - на 50 % у-Ре. Из четырёх типов кристаллических решёток у-Ре имеет минимальную рентгеновскую плотность. Аналогичные результаты получены для ряда других металлов: р-Р-Т и оксидов: у-Л12Оз, ТЮ2 и др.
Одной из характеристик НП является насыпная плотность, отражающая дисперсность, состояние поверхности частиц, наличие газовой оболочки на поверхности частиц, степень удержания газов капиллярной системой НП и др
-5
[3]. Исходные нанопорошки алюминия имеют насыпную плотность 0,08 г/см
-5
и со временем насыпная плотность увеличивается, достигая 0,16 г/см . В сравнении с микронными порошками перевод порошка в наносостояние приводит к снижению насыпной плотности более чем на порядок. По классификации дисперсных систем НП - это система «газ - твёрдое тело», которая может быть отнесена к аэрогелям: «твёрдая дисперсионная среда и газообразная дисперсная фаза».
По данным волюмометрического анализа (ГОСТ 10096-62) содержание металлического алюминия в НП составляет от 80 до 94 % масс. Причём содержание алюминия в пассивированных порошках зависит от вида газа -среды во взрывной камере: с увеличением молекулярной массы содержание металлического алюминия уменьшается: А1 (Н2) - 94, Л1 (Лг) - 87, Л1 (Хе) -80 % масс. Следует отметить, что сорбированный нанопорошком водород вносит погрешность в анализ: при волюмометрии результаты получаются завышенными на 2-4 %. При пассивировании воздухом происходит медленная замена газа - среды на компоненты воздуха. При этом площадь удельной поверхности в течение первых суток увеличивается на 25-30 %, а затем в течение более длительного периода времени (до шести суток) происходит стабилизация НП, и содержание алюминия остаётся постоянным на уровне 87-94 % масс. В этот период площадь удельной поверхности НП А1 уменьшается согласно БЭТ на 20-25 %.
Согласно современным представлениям наночастицы имеют слоистую структуру, а не поликластерную. Кластеры металлов диаметром <10 нм имеют температуру спекания ниже комнатной. Сферическая форма наночастиц, полученных в экстремальных условиях, указывает, что частицы при охлаждении определённое время находятся в жидком состоянии и испытывают громадное давление за счёт Лаплассова сжатия. В таком состоянии поры, пустоты и прочее выдавливается на поверхность частицы. Единственным типом дефектов наночастиц, сформированных в экстремальных условиях, являются смещения атомов относительно положения равновесия.
Таким образом, по совокупности физико-химических свойств нанопорошков, вещества в наносостоянии, наряду с газообразным, жидким,
твёрдым состояниями и плазмой, могут быть отнесены к новому агрегатному состоянию.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Петров Ю.И. Физика малых частиц. - М.: Наука. 1982. 359 с.
2. Тихонов Д.В. Электровзрывное получение ультрадисперсных порошков сложного состава. Дисс. на соиск. уч. степ. к.т.н. Томск. 1999. 240 с.
3. Ильин А.П., Громов А.А., Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. -Томск: Изд-во Том. ун-та. 2002. 154 с.
© А.П. Ильин, Г.В. Шувалов, И.В. Клековкин, А.В. Коршунов, Л.О. Толбанова, А.В. Мостовщиков, 2009
