Труфанов Д.Ю. Бардаханов С.П. Гапоненко В.Р.
Высокотемпературные реакции в процессах получения нанопорошков из газовой фазы
Докладчик: Труфанов Д.Ю.
Синтез из газовой фазы является одним из наиболее перспективных способов получения современных наноматериалов в больших масштабах. Опыт использования авторами промышленного ускорителя электронов для получения тонкодисперсных порошков методом испарения твердых исходных материалов при атмосферном давлении подтверждает, что применяемый способ позволяет получать широкий спектр веществ в форме очень малых частиц. В то же время анализ экспериментальных данных по испарению и конденсации при очень высоких температурах (до 6000 град. Цельсия) даже в случае простых веществ представляет собой непростую задачу прежде всего потому, что в этих условиях «простое испарение и конденсация» не имеют места. Использование благородных газов нисколько не упрощает ситуацию, поскольку свойства конечного продукта, получаемого, например, в аргоне и гелии, существенно различаются, тем более если процесс проводится в азоте, или углекислом газе. Поэтому для газофазного синтеза можно полагать, что необходимо углубление в фундаментальную научную проблему – анализ высокотемпературных реакций в «парах».
Даже в «простейшем» случае кремнезема (SiO2, температура испарения выше 2500 градусов Цельсия) газовая фаза может содержать «ионизированные» компоненты, такие как O, SiO и H, Si в некоторых случаях, и наночастицы кремнезема являются результатом непростого процесса, который включает термическую диссоциацию всегда присутствующих или специально добавляемых паров воды (более 10% при 2500 град.). Имеет место еще и радиолиз вследствие высокого уровня ионизирующего излучения (первичные и вторичные электроны, гамма-излучение). Эти факторы влияют на процесс получения и других веществ, в результате имеются существенные особенности в технологии, конечных продуктах (порошки имеют уникальные свойства), и их применениях.
Существенные различия, в частности, могут наблюдаться для наночастиц металлов, при испарении в атмосфере различных газов. В проведенных исследованиях для металлов испытаны следующие высокотемпературные реакции: Al + N2 –> AlN; Ti + N2 –> TiN; W + CO2 –> WC, W2C, W3C, углеродные нанотрубки; W + C with Ar –> …; Ta + Ar –> Ta, Ni + Ar –> Ni; Mo + Ar (+Air) –> Mo + Mo-оксиды, Ag + Ar –> Ag; Ag + N2 –> Ag; Ag + He –> Ag; и другие. Проведены исследования по испарению «смесей» (в том числе многокомпонентных, сплавов) в газах при атмосферном давлении. Примеры высокотемпературных реакций для оксидов: SiO2 + C с воздухом –> SiO2, SiO, SiC; ZrSiO4 + воздух –> SiO2…; Y2O3 + Al2O3 с воздухом –> YAG; и другие. В настоящее время производится начальный этап систематизации способов прогнозирования реакций для оптимизации конечного продукта.
Основные проблемы заключаются в отсутствии диаграмм состояния для испаренных компонентов, в частности, для существенно неравновесных условий. Отсутствуют в литературе и данные по термодинамическим оценкам возможных реакций.
Исследования проводятся при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и Правительства Новосибирской области (грант р_а №19-43-540013). Частично работы осуществляются в рамках Программы фундаментальных научных исследований Российских государственных академий наук (2013–2020 годы, проект № АААА-А17-117030610128-8, 0323-2019-0008). Эксперименты выполнялись с использованием промышленного ускорителя электронов ЭЛВ-6 в Институте ядерной физики СО РАН (УНУ ЭЛВ-6).
К списку докладов