Введение к работе
Актуальность работы.
В настоящее время в развитых странах наблюдается интенсификация исследований по разработке новых материалов и расширению областей их эффективного использования. Одним иэ наиболее перспективных направлений в этом отношении является получение и применение наноразмерных (или ультрадисперсных) систем.
Перспективность использования наноматериалов уже давно подтверждена многочисленными исследованиями специалистов в области материаловедения и основана на особых свойствах составляющих их частиц с размером менее ІООнм. При таких размерах на поверхности и в объеме частиц наблюдаются изменения межатомных расстояний, а в ряде случаев и в расположении атомов. Принципиальным следствием этого оказывается наличие структурной, фазовой неоднородности наночастиц, что, в свою очередь, влияет как на решеточную, так и на электронную подсистемы. Наблюдаемые аномалии влекут за собой изменение свойств наноматериалов, к которым относятся адсорбционные, каталитические, магнитные, электрические, оптические и другие.
Разнообразие принципиально новых характеристик ультрадисперсньтх (УД) систем позволяет использовать их в различных отраслях промышленности, причем возможные области применения таких материалов, а также свойства созданных на их основе изделий во многом зависят от химического н фазового составов, размера и формы частиц и др,, т.е. от «биографии» (или способа) их получения. К настоящему времени разработано довольно много методов производства наноматериалов, однако ни один из них не является универсальным как с точки зрения получения всей гаммы продуктов, так и с точки зрения регулирования их свойств.
Эффективность использования ультрадисперсных порошков (УДП) металлов сдерживается дороговизной способов их производства, трудностью получения материалов заданных составов и свойств для конкретных областей применения.
Учитывая повышенный интерес к наноматериалам, связанный с их уникальными свойствами, и чрезвычайную важность их пра»ггических приложений в электронике, приборостроении, мапіиностроении, авиакосмическом комплексе, медицине, биологии и др., актуальной является теоретическая и экспериментальная разработка новых технологических приемов получения наноматериалов, позволяющих направленно изменять их свойства, в том числе при использовании доступного сырья.
Цель работы.
теоретических и экспериментальных условий получения металл и ческих УДП на основе железа, никеля, меди, кобальта, регулирование их свойств в процессе производства химико-металлургическим методом с использованием сояей^ железорудных материалов, отходов
промышленных производств и применение ІіоліййпШ^н^г^^ в практических
приложениях. I CffJ^S^ І
ї 05 ft»
Для постижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
разработать условия осаждения гидроксидных осадков простого и сложного составов на основе железа, никеля, меди и кобальта с заданными химический и фазовым составом, дисперсностью и морфологией - исходных материалов для получения наноразмерных металлических порошков; -разработать условия дегидратации исходных олно- и двух компонентных гидроксидных соединений, обеспечивающих получение ультрадисперсных оксидных материалов с заданными свойствами; - экспериментально изучить и теоретически обосновать закономерности восстановления исходных оксидных и гидроксидных порошков на основе железа, никеля, меди и кобальта с учетом их наноразмерности; - исследовать процессы образования зародышей металлов при получении нанокристаллических материалов; -экспериментально установить и теоретически обосновать общие закономерности получения химико-металлургическим методом наноматериалов на основе железа, никеля, меди, кобальта с заданными свойствами при использовании различных исходных материалов; -установить условия активации железорудных материалов в ходе получения из них нанопорошков железа; -экспериментально исследовать закономерности роста морфологических составляющих УДП, определить соотношение параметров проведения процессов на каждой стадии;
теоретически и экспериментально обосновать перечень необходимых этапов производства наноматериалов, конструктивные особенности реакторов для каждой стадии; -разработать температурно-временные и аппаратурные условия производства представительных партий (сотни граммов) нанопорошка железа; -установить области эффективного практического применения полученных наноразмерных материалов.
Научная новизна*
-
Экспериментально разработаны и теоретически обоснованы закономерности процессов формирования одно- н двухкомпонентных ультрадисперсных металлических систем на основе железа, никеля, меди, кобальта и решена проблема регулирования свойств наноразмерных порошков и композиций в ходе их получения химико-металлургическим методом.
-
Теоретически и экспериментально установлены закономерности управления дисперсностью и формой частиц исходных гидроксидных нанопорошков, получаемых на стадии осаждения, на основании использования уравнения регрессии, устанавливающего степень и характер влияния различных параметров процесса на вышеуказанные характеристики. Разработаны способы регулирования дисперсности оксидных наноразмерных продуктов путем изменения условий их термообработки на основании
лкапидр.кш<етичкихлаклипм^нл^Жде^
3. Впервые изучен механизм восстановления ультрадисперсных оксидов в
атмосфере водорода на разных стадиях процесса, выявлены его особенности по сравнению
с массивными материалами. Установлено, что процесс восстановлекия лимитируется
зарод ышеобразованием, скорость1 второго определяется химической адсорбцией водорода
на оксидной поверхности.'
-
Разработаны модели процессов газового восстановления ультрадисперсних оксидов в изотермических и неизотермических условиях.
-
Установлены специфические закономерности влияния температуры, времени процесса, вида и состава восстановителя на формирование и физико-химические свойства наноразмерных металлов, образующихся из ультра дисперсных оксидов.
-
Впервые показана возможность и перспективность получения наноразмерных материалов простого и сложного составов термообработкой в восстановительной атмосфере исходных гидроксидных систем Выявлено влияние второго компонента на кинетические закономерности металлизации кислородсодержащих систем в режиме линейного нагрева, учитывающие химическую природу, состав, степень взаимного влияния компонентов восстанавливаемой системы и присутствие диспергирующих добавок с целью получения наноматериала с заданными составом и дисперсностью.
-
Показана возможность эффективного влияния на дисперсность и морфологию металлических и оксидных УДЛ путем введения добавок трудновосстановимых оксидов
-
Впервые установлено влияние энергетических воздействий (бесконтактного электростатического н вращающегося электромагнитного полей) на параметры процесса металлизации оксидных и гидроксидных материалов при получении наноразмерных систем; обнаружен эффект ускорения заключительных стадий восстановления одно- и двухкомпонентных кислородсодержащих систем по сравнению с обычными условиями металлизации.
Практическая значимость.
1 Разработана и практически реализована схема получения наноразмерных порошков железа с заданными свойствами из железорудных материалов различных месторождений с использованием химико-металлургического метода диспергирования; установлены оптимальные параметры проведения отдельных стадий процесса; практически реализована схема получения нанопорошка железа в объеме сотен граммов. Работа выполнялась в рамках Межправительственного Российско-Индийского соглашения о научно-техническом сотрудничестве на 2003-2005 гг. по контракту с Национальной индийской горно-перерабатывающей компанией.
-
Разработан способ переработки железосодержащих травильных отходов электролизного производства с получением наноразмерных порошков железа и композиций на его основе, позволяющий увеличить дисперсность получаемых продуктов, по сравнению с известными ранее,
-
Разработан новый способ получения пористых материалов на основе железного нанопорошка восстановлением гидроксида железа; установлена эффективность его использования при изготовлении демпфирующих устройств. Результаты опытно-промышленных испытаний, выполненных на предприятии в/ч 67947, показали снижение вибрационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру при использовании разработанного материала по сравнению с традиционными.
А. Установлено, что организация восстановления кислородсодержащих УДП на основе железа в условиях наложения на реакционную зону бесконтактного электростатического поля обеспечивает возможность проведения процесса с большими скоростями в диапазоне более низких температур, создает предпосылки для организации менее энергоемкого и более производительного химико-металлургического процесса по сравнению с обычными условиями,
-
CoRiwecTHo с Исследовательским Центром Европейского Аэрокосмического Агентства и ЗАО НПО «Металл» созданы функциональные покрытия с использованием наноразмерных металлических порошков на основе железа, никеля, меди, кобальта, полученных химико-металлургическим методом; установлена эффективность полученных изделий в эксплуатационных условиях за счет улучшения физико-химических характеристик нанесенных слоев и повышения производительности процесса осаждения покрытий. Работа выполнялась по Межправительственной Российско-Германской программе «Эврика», проект «Nanocoat»,
-
В условиях Федерального научно-производственного центра ОАО «Раменское приборостроительное конструкторское бюро» (ФНПЦ ОАО РПКБ) осуществлено использование в производственных условиях металлических УДП сложного состава на основе Fe, Ni, Си, Со различных составов в качестве промежуточных слоев при изготовлении методом диффузионной сварки неразъемных соединений магнитных систем приборов и разнородных материалов за счет приближения свойств сварных швов к свойствам свариваемых материалов. Использование высокоактивных наноразмерных металлов приводит к снижению технологической температуры сварки и величины прикладываемого давления, повышению прочности сварного шва.
Результаты выполненной работы используются в учебном процессе при преподавании специальных и общепрофессиональных дисциплин студентам специальностей J5070*. 150702, 210602, 150108. На базе выполненных исследований поставлен ряд лабораторных работ, изданы учебные пособия для специалистов по направлениям порошковой металлургии» материаловедения и наноматериалов
Основные положения, выносимые на защиту.
Закономерности получения одно- и двух компонентных металлических, оксидных и металл ооксидных УДП на основе железа, никеля, меди, кобальта заданных составов, дисперсности и морфологии химико-металлургическим методом, включающим осаждение кислородсодержащих соединений из растворов солей и их последующее восстановление, а также пиролизом механических смесей формнатов и твердых формиатных растворов; влияние закономерностей стадий осаждения» дегидратации и восстановления кислородсодержащих порошков на дисперсность и морфологию наноразмерных продуктов; комплекс моделей, описывающих процессы эародышес-бразования, механизмы и кинетические характеристики процессов, имеющих место в ходе восстановления наноразмерных оксидных и гидроксидных материалов на основе железа, никеля, меди и
7 кобальта в изо- и неизотермических условиях. Результаты исследования химического и фазового составов, морфологии, дисперсности и плотности нанопорошков в зависимости от исходного материала, вида восстановителя, температурных и временных условий восстановления, присутствия диспергирующих добавок и наложения на реакционную зону энергетических воздействий Технологические рекомендации по принципам построетшя и режимам процессов металлизации кислородсодержащих УДП на основе железа с использованием в качестве исходных материалов солей, промышленного железорудного сырья и железосодержащих отходов. Установление эффективности применения теоретических и экспериментальных разработок для производства и практического использования полученных ультра дисперсных металлических порошков.
Апробация работы.
По материалам диссертации опубликованы 53 работы. Основные результаты и положения работы докладывались и обсуждались на: Всесоюзной научно-тсхн. конф. «Физикохимии восстановления металлов» (Днепропетровск, 1984 г.)3 2-ой Всесоюзной конф, «Физико-химия ультрадисперсных систем» (Рига, 1989 г,), Всесоюзной научно-техн. конф. «Достижения и перспективы развития диффузионной сварки» (Москва, 1990 г.), Международном семинаре ЕЭС ООН «Новые материалы и их применение в машиностроении» (Киев, 1992 г.), Российской конф. «Получение, свойства и применение энергонасыщенных ультрадисперсных порошков металлов и их соединений» (Томск, 1993 г.), Международном аэрозольном симпозиуме (Москва, 1994 г), Российской научно-техн. конф, «Новые материалы и технологии» (Москва, МГАТУ, Т994г,), Научно-техн, конф. «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 1996 г.), Международном симпозиуме «Ультрадисперсные порошки» (Москва, 1996 г.), Национальной конф. по применению рентгеновского синхротронного излучения нейтронов и электронов для исследования материалов (Дубна, 1997 г.), Международной конф. «Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии» (Киев, 1997 г,)* International Symposium on Metastatic Mechanically Alloyed and Nan ocrystal line Materials «1SMANAM-97», (Sitges, Barcelona, 1997), IV Всероссийской конф. «Физикохимия ультрадисперсных систем» (Обнинск, 1998 г), Fourth International Conference in Nanostnictured Materials (Stockholm, Sweden, 1998), Всероссийской научно-техн. конф. «Новые материалы и технологии, НТМ-98» (Москва, 1998 г.), Международной научно-техн. конф. «Современные проблемы сварочной науки и техники» (Ростов-на-Дону, 1999 г.), Второй национальной конф. по применению рентгеновского» синхротронного излучения, нейтронов и электронов для исследования материалов (РСНЕ-99) (Москва, ИК РАН, 1999 г.). Второй межрегиональной научно-техн. конф. с международным участием «Ультрадисперсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение» (Староверовские чтения, Красноярск, 1999 г), International Conference «Advanced materials». Symposium A: Engineering оҐ Composites: Investigations, Technologies and Perspectives (Kiev, 1999), Conference on Nanostnictured Materials «NANO-2000», (Sendai, Japan, 2000), 4,h International Symposium of Croatian Metallurgical Society «Materials and Metallurgy», (Opatija, Croatian,
2000), V Всероссийской конф, «Физикохимии ультрадисперсних систем» (Екатеринбург, 2000 г.), Vl-ой Всероссийской конф. «Физикохимия ультрадисперсных систем» (Томск, 2002 г), Всероссийской научно.-техн, конф, «Улътрадислерсные порошки, наноструктуры, материалы: получение, свойства, применение (111 Ставеровские чтения}» (Красноярск, 20G3 г.), 1-ой Всероссийской конф. по наноматериалам «Нано-2004» (Москва, ИМЕТ РАН, 2004 г.), Ш международном семинаре «Нанеструктурные материалы-2004» (Минск, Беларусь, 2004 г.).
Результаты исследований удостоены Государственной премии РФ в области науки и техники (Указ Президента РФ от 18 июня 1996 г.) и Золотой медали Всероссийского выставочного центра РФ (Постановление № 8 (пункт 5) от 31 августа 1999 г.).
Структура и объем работы.
