Нанопорошковые керамические материалы
Нанопорошковые керамические материалы — способ создания материалов из неорганических, неметаллических порошковых наноматериалов с наноразмерами частиц 2-28 нм, образующихся из литой или спрессованной массы конгломерата нанопорошков, которая цементируется при охлаждении, или формируется в подготовленном виде под действием высокой температуры и прессования под большим давлением.
Это широкий диапазан минеральных неорганических соединений, обладающих широким диапазоном физико-химических свойств. Новые керамические материалы с прозрачной или частично прозрачной структурой, с жёсткой молекулярной структурой, находят всё возрастающее применение в науке, медицине, разных отраслях промышленности и техники.[1]
Фундаментальные понятияПравить
Отличительная особенность новых материалов в прцессе применения нанотехнологий при их получении — это непредсказуемые получаемые физико-техническме характеристики, которые они приобретают. В результате появляется возможность получения новых квантовых физикомеханических характеристик в веществах, которые в результате искусственно созданных связей между атомами и молекулами приобретают иные физикомеханические характеристики. Например, появляется возможность уменьшения размера частицы. Этот эффект не всегда поддаётся определению и замерам размеров элементарных частиц при помощи макро-микро измерений. Однако, это становится возможным, когда диапазон размеров наночастиц находится в зоне миллимикронов. Определенное число физикомеханических свойств также изменяется с изменением размеров макроскопических элементов. Сейчас новые необычные механические свойства наноматериалов — предмет исследования нанотехнологий. В области нанотехнологий важное значение имеет применение катализаторов, влияющих на новое поведение наноматериалов во взаимодействии между собой в том числе и с биоматериалами.
При помощи внедрения нанотехнологий происходит изменение традиционных методов получения необходимых свойств, характеристик получения материалов, т.е. дополнительно традиционные дисциплины могут рассматриваться под углом иного толкования получаемых новых результатов. Этот динамический взаимный обмен идей и понятий вносит свой вклад в современное понимание рассматриваемой области. Вообще, нанотехнология - сочетание традиционных и новых идей, начиная от науки до конкретного воплощения, от расчётов до производства новых материалов и устройств. Нанопорошковые материалы уже используют в различных областях науки и техники.
Как упомянуто выше, материалы с наноразмерами могут неожиданно показать совсем другие свойства по сравнению с теми, которыыми они обладают в макромасштабе. Например, непрозрачные вещества становятся прозрачными (медь); инертные материалы становятся катализаторами (платина); негорючие материалы становятся горючими (алюминий); твёрдые частицы превращаются в жидкости при комнатной температуре (золото); изоляторы становятся проводниками (кремний). Материал, типа золота, который является химически инертным в нормальных услоиях, становится мощным химическим катализатором в нанопроизводстве. Большая часть привлекательности нанотехнологиии связана с уникальными квантовыми и поверхностными явлениями, которые заслуживают отдельного рассмотрения и исследования.
Частицы порошка наноразмеров (до 30 нанометров в нанокерамике, порошковой металлургии и др. наиболее подходящие для применения. Основная проблема наночастиц при формировании структуры тел - проблема получения изотропного материала с однородной структурой. Однако, множество катализаторов, диспергаторов, типа (водной) соли лимонной кислоты, аммония и (безводного) алкоголя и др., перспективны при применении их как добавок насколько это возможно при получении нужной смеси при формовании, спекании при нужной температуре в процессе создания новых, например, нанопорошковых материалов. [2]
ИсторияПравить
Первое использование понятий в нанотехнологии было в докладе, сделанном физиком Ричардом Фейнманом в американском Физическом Обществе, встречающемся в Caltech 29 деккбря 1959 года. Феинман описал процесс, который способен управлять индивидуальными атомами и молекулами, который мог быть развит, используя один из наборов точных инструментов для построения и управляния другим пропорционально меньшим набором (меньшими частицами) при переходе к меньшим габаритам учавствующих элементов. В ходе этого, он отметил, что оценивая задачи появления эффекта изменения величин различных физических состояний существует: опасность нанотехнологий в вопросах влияния поверхностной напряженностьи и др.
Дата отсчёта времени со дня начала способа нанотехнология была установлена профессором университета Науки Токио Норайо Танигачи в 1974 году опубликовав заявление:
Нанотехнология' главным образом состоит из обработки, разделения, консолидации, и деформации материалов одним атомом или одной молекулой.
В 1980-ых годах основная идея относительно этого определения исследовалась с намного большей глубиной доктором К. Эриком Дрекслером, который продвинул технологическое значение явлений нано-масштаба и устройств в выступлениях устно и в книгах: Прибывающая Эра Нанотехнологии и Наносистем, Молекулярные Машины, Производство, и Вычисление, и таким образом дата начала эры нанотехнологий приобретала текущий характер. Именно: Прибывающую Эру Нанотехнологии считают первой книгой по теме нанотехнологии. Нанотехнология и нанонаука начали в начале 1980-ых двумя главными событиями; рождение науки о нанопорошке и изобретения туннельного микроскопа (STM). Это развитие приводило к открытию фуллеренов в 1986 и углеродных нанотрубок несколько лет спустя. В другом развитии, были изучены синтез и свойства полупроводника nanocrystals; Это приводило к быстрому увеличивающемуся числу металлической окиси nanoparticles квантовых точек. Атомный мощный микроскоп был изобретен спустя шесть лет после того, как был изобретен STM. В 2000 году была основана Национальная Инициатива Нанотехнологии Соединенных Штатов, для координации Федеральных научных исследований по нанотехнологии.[3]
Материалы в нанокерамических процессахПравить
Методы производства керамики и вопросы технологии обработки включают науку создания высокой эффективности применения керамических компонентов из неорганических, неметаллических материалов на базе хороших порошков. Самые общие методы технологий основаны на использовании высоких температур. Вместе стем позже были развиты влажные химические методики для того, чтобы получить подобные микроструктуры и свойства в условиях намного более низких температур. Метод включает очистку сырья, исследования и производства химических заинтересованных составов, их формирование в технологически ценные компоненты и исследование их структурных особенностей (различных размеров компонентов и их соотношениях), исследования в зависимости от их химического состава и физических металлических свойств.
Традиционное керамическое сырье включает самые общие химические составы, имеющиеся во внешнем слое земной коры. Они включают кварц (Si02), глинозем (Al203), магнезия (Mg0), calcia (CaO), и окись железа (Al203), (Fe203 или оксид железа). Глина как полезные ископаемые составили из нескольких общих окисей, которые объединены в определенных целых числовых отнощениях, они включают kaolinite, бемит или mullite (соединение глинозема и кварца). Другие материалы, используемые в развитии прогрессивной керамики включают карбид кремния(Так), и азотистый кремний (Si3N4), карбид бора (B4C) и карбид титана (ТiC).
Керамические материалы как правило имеют разнопрозрачную структуру и формируются как:
1) Литая масса, которая укрепляет и кристаллизуется при охлаждении.
2) Порошок, компактный, который выдерживает высокую температуру.
3) Коллоид, соль или гель, который сохнет и присутствует в условиях низких температур перед дополнительным спеканием и прессованием при высоких температурах.
Альтернативные методы, не основанные на порошках и содержат химические реагенты и полимеры . Эти методы используются в значительной степени для формирования и/или нанесения поверхностных покрытий и тонких плёнок, чтобы изменить поверхностные свойства обычной керамики, оптической керамики, или металлокерамики.
Прозрачные керамические материалыПравить
Прозрачные керамические материалы (ПКМ) — изделия (например, волноводы, линзы), получаемые на базе нанопорошковых светопрозрачных керамических материалов ПКМ, имеет кубическую симметрию распложения атомов, наноразмерные межкристаллитные границы. В процессе высокотемпературного прессования получают ПКМ с плотностью, близкой к плотности монокристаллов данных соединений, обладающие минимальным рассеянием света, высокой прозрачностью и твёрдостью (коэффициент преломления n = 2,08).
Области примененияПравить
- Лазерный рентгеновский микроскоп;
- Линзы матриц квантовых генераторов (лазеров);
- Объективы;
- Сцинтилляторы;
- Фотосенсоры (микролинзы) и др.