Дипломная работа: Изучение наноструктуры порошков AL Ni W

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4

1. НАНОПОРОШКИ 5
1.1 Нанопорошок алюминия 5
1.2 Нанопорошок никеля 5
1.3 Нанопорошок вольфрама 6
2. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ 7
2.1 Смазочные материалы, легированные нанопорошками 7
2.2 Применение нанопорошков в высокоэнергетических материалах
и процессах 10
3. ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ МЕТОДОМ
«ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА» ПРОВОДНИКА 13
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 20
НАНОПОРОШКИ

Нанопорошки – только один из многих существующих на сегодняшний день наноматериалов. Большинство из них, такие как, например, дендримеры, фуллерены, нанотрубки, нанопрокладки и нанопоры, производятся из ограниченного количества видов сырья. А нанопорошки можно производить из сотен различных материалов. Все наноматериалы, которые производятся в настоящее время, подразделяются на четыре группы: оксиды металлов, сложные оксиды (состоящих из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси[2].

1.1 Нанопорошок алюминия

Порошок алюминия получен распылением металлического проводника в атмосфере аргона, затем обработан пальмитиновой кислотой с целью пассивации порошка.
Внешний вид и цвет: порошок серого цвета. Порошок сильно агломерирован. Среднеарифметический размер частиц от 90 до 110 нм. Насыпная плотность 0,32 - 0,37 г/см³. Точка плавления 640°С. Электронная микроскопия высокого разрешения свидетельствует о наличии многочисленных кристаллических дефектов в отдельных частицах. Порошок не реагирует с водой до температуры кипения. При взаимодействии с открытым пламенем в воздухе воспламеняется. При нагревании в атмосфере сухого воздуха до 80 °С не воспламеняется.

1.2 Нанопорошок никеля

Порошок получен методом электрического взрыва проводника в атмосфере аргона .
Внешний вид и цвет: порошок темно-серого цвета. Форма отдельных частиц сферическая. Частицы в порошке агломерированы с размерами агломератов до 10 мкм. Среднеарифметический размер частиц 70-80 нм. Характерное изображение порошков никеля приведено на рис. Насыпная плотность - около 0,66 г/см³. Площадь удельной поверхности, измеренная методом БЭТ - 4.5- 6.0 м2/г. Рентгенофазовый анализ показывает, что материал представляет собой чистый кристаллический никель с ГЦК решеткой и параметром а = 3,522 - 3,524 Å. Электронная микроскопия высокого разрешения свидетельствует о наличии многочисленных кристаллических дефектов. После контакта с воздухом порошок никеля воспламеняется низкокалорийным источником тепла (спиртовка) в течение 5 с. Линейная скорость фронта горения 0,79 мм/с, протяженность фронта горения 22 - 23 мм. Точка плавления 1452°С.
Порошок никеля может найти применение в катализе и материаловедении; в получении эластичного слоистого электропроводящего материала; получении мелкодисперсных покрытий на керамических, кварцевых, металлических, пластмассовых, композиционных изделиях любой сложности формы; в изготовлении конденсаторов; в электронной промышленности.

1.3 Нанопорошок вольфрам

Порошок получен методом электрического взрыва проводника в атмосфере аргона.
Внешний вид и цвет: порошок черного цвета. Среднеарифметический размер частиц 200-500 нм. Форма отдельных частиц сферическая. Отдельные частицы образуют агломераты. Характерное изображение порошка вольфрама приведено на рис. Насыпная плотность около 15 г/см³. Точка плавления 3200 °С. При взаимодействии с открытым пламенем на воздухе воспламеняется. Скорость горения 1,33 мм/с. Площадь удельной поверхности, измеренная методом БЭТ - 1,7 - 2,4 м2/г. Порошок вольфрама может найти применение в материаловедении, электронной технике, изготовлении нитридсодержащих керамических материалов, производстве режущего инструмента, электроэрозионностойких материалов, наполненных полимеров.
2 ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ

Нанопорошки неорганических материалов являются самостоятельным объектом со своими характеристиками, которые определяются размерным фактором и структурными особенностями наночастиц. Исходя из этого, путь простой замены порошков микронных размеров нанопорошками в стандартных технологических процессах, представляется бесперспективным. Поэтому широкое применение нанопорошков возможно только в технологиях, учитывающих или базирующихся на их специфических свойствах.

2.1 Смазочные материалы, легирование нанопорошками

Представлены результаты исследования по применению нанопорошков мягких металлов в смазочных композициях.
Для исследований использовались электровзрывные нанопорошки меди, цинка и латуни (сплав ЛС 59-1Л, состав 57 - 60% масс. Cu, 0,8 - 0,9% масс. Pb, остальное цинк). Проведенные эксперименты показывают, что износ детали трения и коэффициент трения зависят как от вида нанопорошка, так и от твердости поверхности детали трения (таблица № 1). Из представленных данных следует, что величина износа зависит от того, какая из деталей трения была подвергнута термообработке (закалка до твердости 58 HRC): подвижный вал или неподвижные колодки.

Таблица 1
Данные сравнительных испытаний масла И-20 легированного нанопорошками


Рисунок 1. Профили 2D детали трения (колодки) после проведения трибологических испытаний: 1 - чистое масло И - 20, 4 - масло И - 20 + 0,3% масс. нанопорошка латуни

При термообработке вала износ колодки снижает в ряду нанопорошков Zn – Cu (Рисунок 1). При термообработке колодок незначительное снижение износа наблюдалось только на нанопорошках Zn и латуни.
Вероятно, образование плакирующих слоев на поверхности тела трения обусловлено механическими процессами внедрения наночастиц в поверхностные слои колодки, которые в свою очередь определяются твердостью поверхностных слоев. В приповерхностных слоях трущихся деталей было обнаружено присутствие элементов меди и цинка до глубины 0,2 мкм с неравномерным расположением по поверхности.
Износ деталей трения также связан с природой базового масла. В таблица № 2 приведены данные противоизносных испытаний в масле А-8, проведенных в Омском танковом институте. Из данных таблицы следует, что наименьший износ деталей трения наблюдается при легировании масла порошком меди.
Испытания при ступенчатом повышении нагрузки показывают снижение величины коэффициента трения по мере увеличения нагрузки (рисунок 2).

Таблица 2
Противоизносные испытания в масле А-8

Рисунок 2. Зависимость коэффициента трения (f) от продолжительности проведения испытаний при различных нагрузках (F)

Рисунок 3. Зависимость износа детали трения в среде масла И-20 и масла И-20, легированного нанопорошками меди (Cu), латуни (Cu-Zn), цинка (Zn)

Наименьший коэффициент трения наблюдается при использовании нанопорошков меди и латуни, при нагрузках около 800 Н. Существенного понижения коэффициента трения при применении нанопорошков цинка не происходит. Тем не менее, снижение износа детали трения наблюдается при применении нанопорошков всех указанных металлов (рисунок 3).
Данные противозадирных испытаний, проведенных в Томском государственном архитектурно - строительном университете, представлены в таблице № 3. Введение в масло нанопорошков металлов увеличивает значение нагрузки схватывания на всех испытанных составах. Наиболее эффективно применение нанопорошков меди, величина нагрузки схватывания возросла в 1,83 раза.

Таблица 3
Данные противозадирных испытаний


Смазочные среды, состоящие из масел с добавками нанопорошков меди, латуни и цинка обеспечивают противоизносные свойства пары трения сталь-сталь в условиях высокой. Введение нанопорошков в масла позволяет несколько улучшить антифрикционные свойства базового масла. Снижение величин износа и коэффициента трения определяется типом применяемого базового масла, нанопорошка и твердостью детали трения.
Улучшение противоизносных и антифрикционных свойств пары трения после введения в базовое масло добавок нанопорошков вероятно происходит за счет образования на поверхности и внедрения в приповерхностные слои детали трения частиц нанопорошков.
Перспективным направлением улучшения характеристик смазочных составов является применение нанопорошков для легирования консистентных смазок.

2.2 Применение нанопорошков в высокоэнергетических материалах и процессах.

Уже длительное время порошки алюминия микронных размеров широко используются для улучшения энергомассовых и баллистических характеристик высокоэнергетических конденсированных систем, в том числе, таких как термиты, взрывчатые вещества, пороха, ракетное топливо. Из-за большой площади удельной поверхности наноразмерные электровзрывные частицы алюминия могут обеспечить ряд преимуществ над обыкновенным алюминиевым порошком, в частности, в отношении скорости горения.
Термические свойства (дифференциальный термический анализ) электровзрывного порошка алюминия, сравнивались с характеристиками промышленного порошка алюминия при их нагреве в воздухе, кислороде и азоте. Для порошка Аl экзотермический процесс начинается при температуре ниже точки плавления алюминия (660 ºС), в то время как порошок алюминия с размером около 20 мкм не реагирует с кислородом, воздухом или азотом примерно до температуры 1000 ºC. Также наноалюминий воспламеняется гораздо быстрее по сравнению с порошками микронных размеров. При сгорании в воздушной ударной трубе нанопорошок алюминия имел задержку возгорания только 3 микросекунды, по сравнению с задержкой в 600 микросекунд для алюминиевого порошка со средним диаметром частиц 3 мкм.
Порошки алюминия были испытаны рядом исследователей с целью возможного применения в высокоэнергетических композициях.
Влияние нанопорошка алюминия на скорость детонации (СД) было экспериментально продемонстрировано в нескольких исследовательских организациях, изучавших возможность применения нанопорошка во взрывчатых веществах. В смеси с динитрамидом аммония (AND или SR12) нанопорошок показал увеличение СД от 4380 м/с до 5070 м/с (73:24:3 ADN/Нанопорошок алюминия/фторэластомер). Добавка обычного крупнодисперсного порошка алюминия не оказала заметного влияния на СД. В экспериментах по измерению скорости детонации в детонационной трубе в атмосфере азота сравнивались хлопьевидный алюминий типа 40XD и Аl в смеси с диспергированными лактозой и перхлоратом аммония. Результаты исследования показали преимущество нанопорошка по величине СД над хлопьевидным алюминием при четырех различных концентрациях алюминия.
Данные показывают повышение характеристик как СД, так и бризантности для ряда составов на основе ТНТ, содержащих нанопорошок алюминия. При замене индустриального алюминия порошком нанопорошка рост скорости детонации составил 200-300 м/сек, а также в ряде зарядов было отмечено возрастание бризантности до 27%.
Увеличение скорости горения стандартного ракетного топлива увеличивает тягу и скорость истечения газов из ракетного двигателя. В исследованиях было отмечено возрастание скорости горения топлива вдвое при замене микронного порошка алюминия на нанопорошок в обычных видах твердого ракетного топлива, таких как Al/AP/HTPB (алюминий/перхлорат аммония/связывающее вещество на основе изобутилена). Повышение скорости горения происходит вследствие меньших размеров частиц нанопорошка алюминия. Модели сгорания алюминиевых частиц в ракетном двигателе показывают, что время жизни сгорающей частицы пропорционально квадрату диаметра частицы. Из экспериментальных данных следует, что алюминиевая частица с размером 5 мкм сгорает в двигателе приблизительно за 4 миллисекунды. Экстраполяция по указанным моделям показывает, что при диаметре частицы 100 нм, она сгорит примерно за 0,6 микросекунд, что является величиной на четыре порядка меньшей, чем для частицы микронного размера. Высокоскоростная фотография поверхности горящего топлива подтверждает, что частица наноразмерного алюминия полностью сгорает на поверхности горящей гранулы топлива, а не выбрасывается выхлопной струей, как это происходит в случае с алюминием микронного размера, т. е. горение частицы завершается внутри двигателя, а не в выхлопных газах ракеты.
Применение наноразмерных порошков алюминия позволяет улучшить характеристики и гибридных ракетных двигателей. В типичном гибридном двигателе используется жидкий кислород и гранулы на резиновой основе (например, HTPB), которые или не содержат окислителя, или содержат в количестве, достаточном для реакции с гранулами. При пиролизе резины образуются органические молекулы с низким молекулярным весом, которые поступают в двигатель и реагируют с жидким кислородом. Если в твердое топливо, такое как HTPB, ввести алюминий, то теоретически возможен прирост импульса двигателя, но алюминий микронных размеров не горит эффективно в подобном двигателе.
Из данных следует, что при добавке 10 % нанопорошка алюминия к HTPB импульс увеличивается на 70%, а процесс горения становится более равномерным по сравнению с горением чистого HTPB.
Добавка алюминия к керосину увеличивает удельную энергию в единице объема жидкого ракетного топлива. Однако алюминий микронных размеров в керосине полностью не сгорает. Добавка нанопорошка приводит к полному сгоранию металла. Соответственно высокие температуры, возникающие при сгорании алюминия, приводят к увеличению интенсивности горения керосина.....