Нанопорошки широко применяются в качестве исходного материала при изготовлении сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров и др. Однако при производстве возникает множество сложностей.
Фото: Олег Харсеев, Коммерсантъ / купить фото
Фото: Олег Харсеев, Коммерсантъ / купить фото
Так, долгое время ученые пытались найти способы предотвратить горение металлических наночастиц при контакте с воздухом. Экспериментальные исследования показали, что для этого после синтеза нанопорошков необходимо создать защитную пленку на их поверхности (пассивировать). Результат процесса ранее невозможно было прогнозировать, он зависел только от опыта экспериментатора. Результаты новых исследований позволили построить физико-математическую модель пассивации металлических нанопорошков. Теперь появилась возможность объяснить этот процесс и предложить удобные методы работы с подобными материалами.
Нанопорошки представляют собой мельчайшие частицы размером менее 100 нанометров (такова, например, длина вируса). При переходе к таким маленьким размерам резко меняются многие характеристики частиц: например, сильно уменьшается температура их плавления, теплота испарения, энергия ионизации; вместе с этим возрастает химическая активность. Благодаря таким свойствам нанопорошки широко применяются в качестве исходного материала при изготовлении сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, красящих и магнитных пигментов, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев, керамических и композиционных материалов, а также во многих других областях. Однако при производстве возникает ряд сложностей. Так, нанопорошки металлов пирофорны, то есть способны самовоспламеняться при контакте с воздухом. Такой эффект возникает из-за их высокой химической активности и большой удельной поверхности частиц. Для того чтобы сделать производство и хранение безопасными, нанопорошки пассивируют. Пассивация — это создание тонкой защитной пленки на поверхности наночастиц, которая препятствует их самовозгоранию. Однако эти процессы на сегодняшний день мало изучены. Российские ученые из Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова РАН (Черноголовка) совестно с коллегами из Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН (Москва) провели ряд экспериментальных и теоретических исследований в этой области.
Ученые экспериментально изучили пассивацию компактных образцов, спрессованных в инертной среде газа аргона, из пирофорных нанопорошков железа и никеля. Исследователи измеряли временную зависимость распределения температуры по поверхности образца с помощью инфракрасной камеры. В ходе экспериментов удалось выяснить, что нагрев спрессованного образца неравномерен: максимальная температура уменьшается с увеличением плотности образца, а процесс окисления ограничен подачей воздуха. Взаимодействие с воздухом интенсивнее всего происходит на поверхности и зависит от длительности нахождения образца на воздухе. Ученые также провели теоретический анализ, результаты которого качественно согласовывались с экспериментальными данными.
«Актуальность проделанной работы заключается в создании новых научно обоснованных методов пассивации нанопорошков металлов, позволяющих обеспечивать необходимый уровень технологической безопасности, при этом долговременно сохраняя уникальные физико-химические свойства наночастиц,— рассказывает Михаил Алымов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор технических наук, член-корреспондент РАН, директор Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения им. А. Г. Мержанова РАН (ИСМАН).— Исследования направлены на снижение риска возникновения техногенных аварий при производстве, переработке, транспортировке и хранении нанопорошков и, соответственно, на обеспечение безопасности людей, работающих в этой сфере».
Фото: Михаил Алымов/ИСМАН
Фото: Михаил Алымов/ИСМАН
Инфракрасная видеосъемка процесса воспламенения и горения и пассивации нанопорошков никеля в потоке сухого воздуха (Spot — значение температуры в фиксированной точке образца (большой крест на кадрах видеосъемки). Max — значение максимальной температуры измеряемой области. Min — значение минимальной температуры измеряемой области). Источник: Михаил Алымов/ИСМАН.
По материалам
Macrokinetic investigation of the interaction mechanism of the pyrophoric iron nanopowder compacts with air* Michail I. Alymov, Boris S. Seplyarskii, Nickolai M. Rubtsov, Sergey G. Vadchenko, Roman А. Kochetkov, Nayil I. Abzalov, Ivan D. Kovalyov; журнал Pure and Applied Chemistry, июнь 2020 г.