детонаційний синтез (англ. shock wave synthesis ) - метод механічного ударно-хвильової дії, що представляє собою швидко протікає процес, який створює динамічні умови для синтезу кінцевого продукту і його диспергирования до порошку з нанометровим розміром частинок.
опис
Детонаційний синтез використовується для отримання різних морфологічних форм вуглецю, переважно нанокристалічного порошку алмазу ( наноалмазов ), І нанопорошків оксидів різних металів: Al, Mg, Ti, Zr, Zn та ін.
При отриманні алмазних нанопорошків з сумішей графіту з металами тривалість ударної хвилі становить 10-20 мкс, створюваний тиск досягає 20-40 ГПа. Більш технологічно отримання алмазних порошків шляхом вибуху органічних речовин з високим вмістом вуглецю і відносно низьким вмістом кисню, т. Е. Детонація конденсованих вибухових речовин з негативним кисневим балансом; в цьому випадку під час вибуху виділяється вільний вуглець, з якого утворюється алмазна фаза. Відомі два варіанти детонаційного синтезу алмазних нанопорошків з конденсованих углеродсодержащих вибухових речовин з негативним кисневим балансом: при «сухому» синтезі алмазних наночастинок продукти вибуху розширюються в інертну атмосферу і охолоджуються в газовій фазі; в разі «водного» синтезу використовується водяний охолоджувач отриманих алмазних частинок.
Тиск в сотні тисяч атмосфер і температура до декількох тисяч градусів, що характеризують детонаційний процес, відповідають області термодинамічної стійкості алмазної фази на p-T -діаграмме можливих станів вуглецю. Разом з тим в детонаційному синтезі при малому часу існування високих тисків і температур, необхідних для утворення алмазу, важлива роль належить кінетики освіти і зростання зародків алмазної фази. Зазвичай для отримання алмазних нанопорошків використовують суміші тринітротолуолу та гексогену у ваговому співвідношенні 1: 1 або 3: 2. Для таких сумішей тиск і температура в детонаційної хвилі складають p> 15 ГПа і T> 3000 К. При «сухому» детонаційному синтезі процес проводять в спеціальних вибухових камерах, заповнених інертним або вуглекислим газом, які запобігають окисленню утворилися алмазних частинок і їх перетворення в графіт. Освіта наночастинок алмазу відбувається за 0,2-0,5 мкс, так як в детонаційному синтезі при досить малому часу утворення алмазних частинок швидкість їхнього зростання на кілька порядків вище за таку для статичних умов. Після вибуху конденсовані продукти синтезу збирають і обробляють в гарячих мінеральних кислотах під тиском для видалення сажі та інших домішок, багаторазово промивають у воді і сушать. Вихід алмазного порошку становить 8-9% від початкової маси вибухових речовин. Характерною особливістю алмазних нанопорошків, одержуваних детонаційними синтезом, є надзвичайно мала дисперсія розмірів наночастинок - основна частка частинок має розмір 4-5 нм.
При використанні в якості вихідних матеріалів детонаційного синтезу металів або хімічних сполук застосовується хімічно нейтральна по відношенню до кінцевого продукту газова або рідка середовище, що сприяє швидкому охолодженню отриманого речовини і стабілізації його високотемпературних і метастабільних кристалічних модифікацій. У цьому випадку шар вихідної речовини (високопориста металева среда, хімічна сполука, золь або гель гідроксиду металу) піддається ударно-хвильовому впливу вибухової речовини. В ударної хвилі відбувається стиснення і прогрів високопористого металу або протікають реакції розкладання вихідного сполуки до оксиду з подальшою стабілізацією оксидних фаз. Після виходу ударної хвилі на вільну поверхню вихідної речовини матеріал розлітається в газову атмосферу вибухової камери або в рідкий охолоджувач.
У детонаційному синтезі оксидних нанопорошків з металів застосовується активна кисневмісна середовище (наприклад, O2 + N2). Горіння металу з утворенням оксиду відбувається на стадії розльоту. В атмосфері вуглекислого газу вдається синтезувати вуглецеві нанотрубки і сферичні наночастинки вуглецю.
ілюстрації
Фазова p-T -діаграмма станів вуглецю із зазначенням областей синтезу алмаза: 1 - детонаційний синтез з використанням графіту; 2 - статичне перетворення з використанням каталізатора; 3 - статичний перетворення без каталізатора; 4 - детонаційний синтез із застосуванням тринітротолуолу та гексогену.
Автор
- Гусєв Олександр Іванович
джерела
- Гусєв А.І. Наноматеріали, наноструктури, нанотехнології. - М .: Физматлит, 2007. - 416 с.
- Gusev AI, Rempel AA Nanocrystalline Materials. - Cambridge: Cambridge International Science Publishing, 2004. - 351 p.