HAHOПОРОШКИKИ (Nanopowders)

  • Шел по улице жучок
  • В модном пиджачке
  • На груди блестел значок,
  • А на том значке
  • Нарисован был жучок,
  • тоже в пиджачке.
  • И на нем висел значок,
  • А на том значке
  • Был еще один жучок...
  • Но он был так мал,
  • Что глядел я целый час
  • И не разобрал:
  • Был ли у жучка значок?
  • Был ли на значке жучок?
  •      Aндpeй  Уcaчов
нанопорошок

В обычной жизни мы часто сталкиваемся с порошками: стиральный порошок, зубной порошок, мука, сахар, дорожная пыль и т.д. В химии порошками или порошкообразными материалами называют материалы, состоящие из множества индивидуальных частиц, размер которых не превышает нескольких сотен микрометров, и зачастую мы можем различить такие частицы даже невооруженным глазом. А нанопорошок состоит из частиц, размер которых не превышает ~100 нм! Но отличие нанопорошка от обычного порошка состоит не только в размере составляющих его частиц. Они будут так же кардинально отличаться и по своим свойствам. Обращали ли вы внимание, как усиливается и насыщается аромат кофе при помоле? Так вот, если сравнить обычный порошок с кофе в зернах, а нанопорошок с молотым кофе, то можно сказать, что свойства нанопорошка отличаются от свойств порошка так же, как отличается запах молотого кофе от запаха кофе в зернах. Так, нанопорошок приобретает текучесть и его можно рассматривать как некое промежуточное состояние между порошком и жидкостью. Особенностью нанопорошков является огромная удельная поверхность, а значит и избыточная поверхностная энергия. Например, если говорят, что нанопорошок обладает удельной поверхностью порядка 100 м2/г — это значит, что поверхность частиц такого порошка с массой 1 г можно сравнивать по площади с трехкомнатной квартирой. Представляете, какой простор? Атомы на поверхности частиц находятся в особенном состоянии: они более активны и всегда готовы вступить в какое-нибудь взаимодействие, именно поэтому нанопорошки часто применяют в качестве катализаторов.

Агрегаты и агломераты

Кроме того, нанопорошки отличаются тем, что составляющие их наночастицы "слипаются" и формируют агрегаты, а агрегаты в свою очередь собираются в еще более крупные образования — агломераты (рис. 2).  структура агломерата в нанопорошоке И уже агрегаты и агломераты ведут себя как отдельные частицы. Объединение (агрегация) наночастиц порошка происходит в результате стремления системы (порошка) уменьшить избыточную поверхностную энергию, которая присуща веществу в раздробленном, в том числе и в наноразмерном, состоянии.

Без использования специальных приемов нельзя предотвратить взаимодействие индивидуальных частиц в нанопорошках. Сохранение наноразмерных частиц в порошках возможно, например, при использовании их в виде суспензии с добавками, снижающими поверхностную энергию (ПАВ), или добавками веществ, препятствующих слипанию индивидуальных частиц. Можно также "замуровать" наночастицы в жесткие матрицы, но тогда это будут уже не нанопорошки, а нанокомпозиты.

Отличительным свойством порошков является возможность манипулирования с ними: нанопорошки можно сыпать, уплотнять, разрыхлять, склеивать и даже заставить течь. Отдельную наночастицу можно сравнивать с отдельной личностью, а нанопорошок — с толпой. Сама по себе частица — интересная, уникальная, особенная. Она характеризуется определенным химическим составом, твердостью, плотностью, электропроводностью, магнитными свойствами, гигроскопичностью и т.п. Наряду со свойствами вещества при описании частицы говорят о размере, форме, шероховатости поверхности, химическом составе поверхностного слоя, химическом составе слоев адсобированных веществ, смачиваемости, диэлектрической проницаемости и растворимости поверхностного слоя.

Порошковый материал представляет собой совокупность множества частиц, которые могут принимать самую различную упаковку и тем самым менять прочностные и технологические свойства порошка. Одной из характеристик такого коллектива является распределение частиц по размерам, из которого можно определить самый большой, самый маленький и средний размеры частиц.

Получение нанопорошоков

Чтобы получить порошок, нужно взять что-то тяжелое и прочное и раскрошить большой кусок на много маленьких кусочков. Однако такой способ не подходит для получения нанопорошков, так как все попытки раздробить вещество ниже определенного предела по размеру претерпят неудачу — из-за высокой избыточной поверхностной энергии в нанокристаллическом состоянии частицы начнут слипаться и в системе установится равновесие. Нанопорошки обычно синтезируют химическими методами из растворов или из газовой фазы. Именно в таких условиях существует возможность создавать маленькие наночастицы из еще более мелких ионов и атомов.

Применение нанопорошоков

Нанопорошки применяют в качестве исходных материалов для получения твердых сплавов, керамики различного назначения. Для получения керамики из нанопорошков применяются более низкие температуры спекания по сравнению с обычными порошками, что связано с повышенной поверхностной энергией системы, состоящей из наночастиц. Полученная таким образом нанокерамика обладает уникальными функциональными свойствами. Так, нанокерамика на основе частично стабилизированного диоксида циркония с размером зерен меньше 100 нм обладает прочностью на изгиб 2 ГПа, что в три раза превышает прочность такой же керамики с размером зерна ~ 1 мкм!

Броня из нанокерамики, произведенная на новосибирском ЗАО "НЭВЗ-Керамикс", успешно прошла испытания на боевых машинах.  Броня из нанокерамики дополнительная защита боевых машин с нанокерамикой показывает более высокую стойкость, по сравнению с обычной броней. Замораживание фрагментов защиты не приводит к ухудшению ее характеристик, фактический уровень стойкости при обстреле пулями Б-32 калибра 14,5 миллиметра составляет десять метров.

Также успешно проведены стендовые испытания керамических бронеплиток на баллистическую стойкость, результаты подтвердили возможность их применения в защитной экипировке личного состава от стрелкового оружия Предприятие планирует выйти с этой продукцией на российский рынок в 2013-2014 годах.