Использование восстановительных процессов
Метод водородного восстановления соединений металлов
Соединения металлов (гидрооксиды, хлориды, нитраты, карбонаты) вступают в реакцию восстановления в токе водородом при температуре порядка 500 К.
Химическую реакцию восстановления на примере хлорида металла можно записать в виде: MeCl2 + H2 ↔ Me + 2HCl.
Таким методом можно получать обычно порошки железа, вольфрама, никеля, рения, молибдена, меди, кальция; существует также возможность получения порошков легированных сплавов и сталей. Получаемые нанопорошки металлов отличаются низким содержанием примесей и узким распределением части по размерам
Химико-металлургический метод
В соответствии с этим методом сначала проводится реакция синтеза маловодных гидрооксидов путем газофазного взаимодействия, а затем проводится термообработка полученных гидрооксидов в востановительной среде, например в водороде. В результате получают нанопорошки железа, никеля, кобальта, молибдена, вольфрама, меди. Если термообработку проводят на воздухе, то получают нанопорошки оксидов, например Al2O3, TiO2, ZrO2 или их композиции.
Достоинствами метода являются малый разброс частиц нанопорошка по размерам, низкое содержание примесей, сравнительно недорогое технологическое оборудование, легкий переход с выпуска одного порошка на выпуск другого.
Методы физического осаждения из паровой фазы
Данные методы получения нанопорошков в настоящее время используются наиболее широко. Это связано с тем, что технологии испарения вещества с помощью различных высокоинтенсивных источников энергии и последующего осаждения его из паровой фазы являются достаточно отработанными, легко контролируются и обеспечивают высокие требования по чистоте получаемого нанопорошка, особенно при использовании камер с контролируемой атмосферой.
В последнем случае чаще всего используются вакуумные камеры или камеры заполненные инертными газами – гелием или аргоном, ксеноном. При испарении металлов в вакууме или инертном газе атомы металла перешедшего в газовую фазу (пар) стремятся к объединению в частицы порядка нескольких нанометров, которые затем осаждаются на охлаждаемую подложку.
Размер частиц получаемых порошков в зависимости от разновидности метода и технологических параметров может составлять от 5 до 100 нм. В зависимости от вида процесса испарения можно выделить следующие разновидности методов.
Термическое испарение
При данном методе проводят нагрев испаряемого вещества в тигле. В настоящее время используются разные способы нагрева, как правило, с использованием высокоинтенсивных источников энергии: высокочастотный индукционный, электронно-лучевой, электродуговой, плазменный, лазерный. Типичная принципиальная схема получения нанопорошка этим методом показана на рис.3.
Рис. 3. Принципиальная схема получения нанопорошка методом термического испарения и конденсации материала из паровой фазы
Получаемые этим методом порошки имеют сферическую или ограненную форму и могут быть, как металлическими, так и представлять собой интерметаллиды или другие соединения. Так по данным термическим испарением массивных оксидов электронным пучком в инертной атмосфере получали порошки аморфных Al2O3 и SiO2 и кристаллического Y2O3.
Преимуществом метода является получение чистых порошков с узким распределением частиц по размерам, а недостатком – низкая производительность процесса. Данный недостаток является временным и обусловлен не самой технологией процесса, а отсутствием крупных установок для производства нанопорошков в промышленных масштабах.