При диспергировании металлов и сплавов электроэрозией металла процесс диспергирования проводится внутри диэлектри- ческой жидкости, продукты разложения которой покрывают по- верхность образующихся наночастиц. В зависимости от условий проведения процесса, природы металла и среды диспергирования диаметр получаемых наночастиц металла обычно лежит в интер-
вале 2,5–20 нм, но отдельные частицы могут иметь размеры до 100 нм. Полагают, что мелкие частицы образуются при закалке паров металла, а крупные – из расплавленных капель. С помощью метода электроэрозии были получены наночастицы сплавов ме- таллов со сложным составом. Особенностью метода является зна- чительное взаимодействие образующихся наночастиц со средой диспергирования. Например, при использовании органических растворителей в качестве диэлектрической среды происходит на- углероживание продукта, а при использовании расплавленной се- ры – образование сульфидов.
Для синтеза значительных количеств небольших по разме- рам (1–2 нм) наночастиц с узкой дисперсией применяют электро- химическое диспергирование. Так, для получения частиц ко- бальта использовали стандартную электрохимическую ячейку, содержащую раствор галогенида тетраалкиламмония в спирте.
При пропускании тока происходило растворение кобальтового анода и образование наночастиц Со в приэлектродном слое като- да (стеклоуглерод). На ряде примеров исследовано влияние пара- метров электролиза на магнитные характеристики образующихся наночастиц металлов.
Электрохимическим диспергированием были получены на- ночастицы γ-Fe2O3 (3–8 нм), стабильные в органических раство- рителях за счет адсорбции катионных ПАВ. Использование элек- троэрозии не позволяет получать наночастицы с узким распреде- лением по размерам.
Контрольные вопросы к главе 2
2.1. Поясните сущность метода термического вакуумного напы- ления (ТВН) и приведите схему аппаратного оформления процесса.
2.2. Приведите примеры получения наночастиц металлов мето- дом термического вакуумного напыления.
2.3. Назовите достоинство и недостатки метода термического вакуумного напыления.
2.4. Выберите насосы и нарисуйте схему вакуумной системы для получения вакуума 5 · 10-5 мм рт. ст.
2.5. Способы повышения равномерности толщины пленки в ме- тоде термического вакуумного напыления.
2.6. Выбор типа испарителя и этапы процесса термического ва- куумного напыления.
2.7. Режимы роста тонких пленок, полученных методом терми- ческого вакуумного напыления.
2.8. Поясните сущность метода испарение – конденсация на примере установки Глейтера.
2.9. Приведите принципиальную схему метода газофазного син- теза металлических наночастиц.
2.10. Механизм формирования наночастиц металлов методом испарения – конденсации.
2.11. Достоинство и недостатки метода испарения – конденсации.
2.12. Сущность метода лазерной абляции.
2.13. Аппаратурное оформление метода лазерной абляции.
Примеры использования для синтеза наночастиц металла. Отличи- тельные особенности взаимодействия лазерного луча с твердым материалом.
2.14. Параметры лазерного излучения (плотность энергии и вре- мя импульса). Механизм действия лазерного облучения на поверхно- стный слой материала.
2.15. В чем заключается способ получения наночастиц методом молекулярно-лучевой эпитаксии? Каковы достоинства и недостатки способа?
2.16. Какие пленки получают методом молекулярно-лучевой эпитаксии?
2.17. Аппаратурное оформление метода молекулярно-лучевой эпитаксии.
2.18. Возможности молекулярно-лучевой эпитаксии для созда- ния гетероструктур, полупроводниковых сверхрешеток, двумерных массивов квантовых нитей и квантовых точек.
2.19. Достоинства и недостатки метода молекулярно-лучевой эпитаксии.
2.20. Каковы условия образования плазмы при взаимодействии излучения с твердым телом?
2.21. Принцип катодного распыления и аппаратурное оформле- ние процесса.
2.22. Принцип магнетронного распыления и аппаратурное оформление процесса.
2.23. В чем отличия метода магнетронного распыления от мето- да вакуумно-дугового осаждения?
2.24. Возможности управления свойствами осаждаемых пленок в методе магнетронного распыления.
2.25. Принцип ионно-плазменного напыления и аппаратурное оформление процесса.
2.26. Параметры очистки поверхности мишени от загрязнений и процесса распыления мишени.
2.27. Определение плазмы и ее свойства.
2.28. Плазмохимический метод синтеза наночастиц и его аппара- турное оформление.
2.29. Сущность плазмохимического метода.
2.30. Достоинства и недостатки плазмохимического метода.
2.31. Примеры синтеза наночастиц металлов плазмохимическим методом.
2.32. Высокочастотные плазмотроны и их параметры.
2.33. Электродуговые плазмотроны для создания плазменной струи и плазменной дуги. Параметры плазмотронов.
2.34. Схема реактора с электродуговым плазмотроном для син- теза наночастиц.
2.35. Какая степень измельчения веществ достигается в совре- менных устройствах для диспергирования материалов?
2.36. Почему механосинтез можно отнести как к химическим, так и к физическим методам наносистем?
2.37. Метод высокоэнергетического измельчения на примере ус- тановки с аттритором, достоинства и недостатки метода. Механохи- мический синтез.
2.38. Распределение приложенной энергии при механическом размоле. Работа разрушения частицы.
2.39. Какие факторы влияют на средний размер частиц в процес- се механосинтеза.
2.40. Механизмы механических реакций и их стадий.
2.41. Какие соединения используются в процессах получения наночастиц в методе термического разложения? Приведите примеры реакций их разложения.
2.42. Термическое разложение оксалатов металлов.
2.43. Термическое разложение карбонилов.
2.44. Пиролиз в кислородосодержащих соединениях. В атмосфе- ре каких газов он возможен?
2.45. Какие исходные материалы используются для получения нанокристаллических порошков керамических материалов?
2.46. Достоинства и недостатки пиролиза.
2.47. Объясните суть методов интенсивной пластической дефор- мации кручением под высоким давлением и равноканальным угловым прессованием.
2.48. Аппаратурное оформление процессов пластической де- формации кручением под высоким давлением и равноканальным уг- ловым прессованием.
2.49. Выполнение каких требований обеспечивает успешную реализацию интенсивной пластической деформации?
2.50. Особенности структуры субмикрокристаллических мате- риалов, полученных деформационными методами.
2.51. Метод кручения под квазигидростатическим давлением для создания однородной наноструктуры.
2.52. Достоинства и недостатки методов интенсивной пластиче- ской деформации.
2.53. Условия получения аморфного состояния материала.
Аморфизаторы.
2.54. Отжиг аморфных сплавов для созданной наноструктуры.
2.55. Кристаллизация аморфных сплавов для создания нанокри- сталлических ферромагнитных сплавов.
2.56. Возможности создания новых магнитомягких материалов за счет использования трех типов неравновесных фаз – аморфной, на- нокристаллической и объемной стекловидной на основе систем спла- вов FeCo.
2.57. Спиннингование. Термообработка в магнитном поле тон- ких лент аморфных металлических сплавов.
2.58. Электропрядение для получения нановолокон и лент ме- таллов. Аппаратурное оформление процесса.
2.59. Этапы приготовления нанолент сплава FeCo.
2.60. Сравните магнитные параметры синтезированных в графи- товую оболочку нановолокон FeCo с нановолокнами чистого Со и Fe, а также с объемным Fe и Со.
2.61. Использование электродугового метода для получения уг- леродных нанотрубок. Аппаратурное оформление процесса.
2.62. Поясните сущность электродугового метода.
2.63. Сравните электродуговой метод с плазмохимическим син- тезом.
2.64. Условия синтеза наночастиц металлов и сплавов электро- взрывом проводника.
2.65. Аппаратурное оформление процесса электровзрыва про- водника.
2.66. Достоинства и недостатки метода электровзрыва проводника.
2.67. Каковы достоинства и недостатки диспергированных ме- тодов?
2.68. Поясните принцип метода диспергирования потоком жид- кости или газа.
2.69. Схемы получения нанопорошков путем диспергирования расплава струей жидкости.
2.70. Условия проведения самораспространяющегося высоко- температурного синтеза.
2.71. За счет чего возможно получение наноразмерных порошков методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза.
2.72. Условия проведения диспергирования металлов и сплавов электроэрозией.
2.73. Электрохимическое диспергирование металла.
2.74. Какие металлы получают при детонационном синтезе?
2.75. Условия успешного синтеза наночастиц детонационным методом.
2.76. Механизм детонационного синтеза наноматериалов.
Список основной литературы к главе 2
2.1. Ремпель, А. А. Материалы и методы нанотехнологий : учеб.
пособие / А. А. Ремпель, А. А. Валеева. – Екатеринбург : Изд-во Урал.
ун-та, 2015. – 136 с.
2.2. Лапшинов, Б. А. Нанесение тонких пленок методом вакуум- ного испарения : учеб. пособие / Б. А. Лапшинов. – М. : Московский государственный институт электроники и математики, 2006. – 30 с.
2.3. Старостин, В. В. Материалы и методы нанотехнологии / В. В. Старостин. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний. 2008. – 431 с.
2.4. Андриевский, Р. А. Наноструктурные материалы : учеб. по- собие / Р. А. Андриевский, А. В. Рагуля. – М. : Издательский центр
«Академия», 2005. – 192 с.
2.5. Князев, А. В. Нанохимия : электрон. учеб. пособие / А. В. Князев. – Н. Новгород : Нижегородский университет, 2010. – 102 с.
2.6. Кучерик, А. О. Технологии диагностики и модификации свойств конструкционных материалов на микро- и наноуровне : Мето- дические указания к самостоятельной работе / А. О. Кучерик, Н. Н. Давыдов. – Владимир, 2013. – 93 с.
2.7. Елисеев, А. А. Функциональные наноматериалы / А. А. Ели- сеев, А. В. Лукашин ; под ред. Ю. Д. Третьякова. – М. : Физматлит, 2010. – 456 с.
2.8. Щука, А. А. Наноэлектроника : учеб. пособие. – 2-е изд. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. – 342 с.
2.9. Борисенко, В. Е. Наноэлектроника / В. Е.Борисенко, А. И. Воробьева, Е. А.Уткина. – М. : БИНОМ. Лаборатория знаний.
2009. – 223 с.
2.10. Технологическое вакуумное оборудование : учебник / Л. В. Кожитов, Н. А. Чиченев, В. Г. Костишин [и др.]. – 4-е изд., пе- рераб. и доп. – Курск, 2014. – 515 с.
2.11. Внукова, Н. Г. Наноматериалы и нанотехнологии : учеб. посо- бие / Н. Г. Внукова, Г. Н. Чурилов. – Красноярск : СФУ, 2007. – 113 с.
2.12. Поленов, Ю. В. Физико-химические основы нанотехнологий / Ю. В. Поленов, М. В. Лукин, Е. В. Егорова. – Иваново, 2013. – 196 с.
2.13. Рыжонков, Д. И. Наноматериалы : учеб. пособие / Д. И. Рыжонков, В. В. Лёвина, Э. Л. Дзинзигури. – 2-е изд.– М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2017. – 365 с.
2.14. Наноструктурированные материалы / под ред. Р. Ханника, А. Хилла. – М. : Техносфера, 2009. – 488 с.
2.15. Ткачев, А. Т. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур / А. Т. Ткачев, И. В. Золотухин. – М. : Машиностроение, 2007. – 316 с.
2.16. Синтез и свойства наночастиц, сплавов и композиционных наноматериалов на основе переходных металлов : коллектив. моногр.
/ Д. Г. Муратов, Л. В. Кожитов, И. В. Запороцкова, Н. П. Борознина, А. В. Попкова, С. В. Борознин, А. В. Шадринов. – Волгоград : Изд-во ВолГУ, 2017. – 644 с.
Список дополнительной литературы к главе 2
Д2.1. Annealing effect on the soft magnetic properties of high mo- ment FeCo-O thin films / S. Ohnuma, N. Kobayashi, H. Fujimori, T. Masumoto, X. Y. Xiong, K. Hono // Scripta mater. – 2003. – Vol. 48. – P. 903–908.
Д2.2. Superparamagnetic FeCo and FeNi Nanocomposites Dispersed in Submicrometer-Sized C Spheres / E. M. M. Ibrahim, Silke Hampel, A. U. B. Wolter, M. Kath, A. A. El-Gendy, R. Klingeler, Christine Tasch- ner, V. O. Khavrus, T. Gemming, A. Leonhardt, B. Buchner // J. Phys.
Chem. – 2012. – Vol. 116. – P. 22509–22517.
Д2.3. Structural and magnetic properties of mechanically alloyed Fe50Co50 nanoparticles / Do Khanh Tung, Do Hung Manh, P. T. Phong, L. T. H. Phong, N. V. Dai, D. N. H. Nam, N. X. Phuc // J. Of Alloys and Compounds. – 2015. – Vol. 640. – P. 34–38.
Д2.4. McHenry, M. E. In Fullerenes / McHenry M. E., Subramo- ney S. // Chemistry, Physics and Technology. Wiley-Interscience. – 2000. –
№ 6. – P. 839.
Д2.5. Jiao, J. Preparation and properties of ferromagnetic car- bon‐coated Fe, Co, and Ni nanoparticles / Jiao J., Separhin S., Wang X.
// J. Appl. Phys. – 1996. – Vol. 80. – 103 p.
Д2.6. Turgut Z., Huang M. Q., Gallagher K., McHenry M. E., Maje- tich S. A. Appl. J. Phys. – 1997. – Vol. 81. – P. 4039.
Д2.7. Choi, C. J. Preparation of iron nanoparticles by chemical vapor condensation / Choi C. J., Tolochko О., Kim В. К. // Materials Letters. – 2002. – Vol. 56. – Р. 289–294.
Д2.8. Структура и магнитные свойства наночастиц на основе же- леза в оксидной оболочке / О. В. Толочко, Д.-В. Ли, Ч.-Дж. Чой, Д. Ким, М. Ариф // Письма в ЖТФ. – 2005. – Т. 31, вып. 18. – С. 30–36.
Д2.9. Characterization and magnetic properties of Fe–Co ultrafine particles / X. L. Dong, Z. D. Zhang, S. R. Jin and В. K. Kim // J. Magn.
Magn. Mater. – 2000. – Vol. 210. – P. 143.
Д2.10. Шулика, В. В. Влияние индуцированной магнитной ани- зотропии на магнитные потери аморфных сплавов на основе Fe и Со / В. В. Шулика, А. П. Потапов // Нанотехника. – 2012. – № 4. – С. 66–69.
Д2.11. Нанокристаллические магнитомягкие сплавы на основе Fe и Co, модифицированные добавками Hf, Mo и Zr: магнитные свойства, их термическая стабильность и структура. Сплавы (Fe0,6Co0,4)86
Hf7B6Cu1 и (Fe0,7 Co0,3)88 Hf7B4Cu1 / Н. В. Дмитриева, В. А. Лукшина, Е. Г. Волкова, А. П. Потапов, В. С. Гавико, Б. Н. Филиппов // Физика металлов и металловедение. – 2013. – Т. 114, № 2. – C. 144–152.
Д2.12. Synthesis, microstructure and magnetic performance of FeCo alloy nanoribbons / Panpan Jing, Jinlu Du, Jianbo Wang, Zentai Zhu, Hongmei Feng, Zhenlin Liu, Qingfang Liu // Material Letters. – 2016. – Vol. 162. – P. 176–179.
Д2.13. Synthesis and film formation of iron–cobalt nanofibers encap- sulated in graphite shell: magnetic, electric and optical properties study / A. M. Nasser, M. F. Abadir, Ki Taek Nam, Ammar M. Hamza, Salem S. Al-Deyab, Woo-il Beak and Hak Yong Kim // J. Of Materials Chemi- stry. – 2011. – Vol. 21. – P. 10957–10964.
СПЛАВОВ МЕТАЛЛОВ ГРУППЫ ЖЕЛЕЗА В УГЛЕРОДНОЙ МАТРИЦЕ НАНОКОМПОЗИТОВ
С ПРИМЕНЕНИЕМ ИК-НАГРЕВА