Nanoceramica

Versiunea actuală a paginii nu a fost încă revizuită de colaboratori experimentați și poate diferi semnificativ de versiunea revizuită pe 23 octombrie 2018; verificările necesită 9 modificări .

Nanoceramica  este un material ceramic nanostructurat (ing. nanoceramics) - un material compact pe bază de oxizi, carburi, nitruri, boruri și alți compuși anorganici, format din cristalite (granule) cu o dimensiune medie de până la 100 nm [1] .

Descriere

Lucrările la nanoceramică au început în anii 1980. Acest material anorganic nemetalic se caracterizează printr-o rezistență ridicată la căldură și are o serie de alte proprietăți utile care îi permit să fie utilizat, de exemplu, în electronică, medicină, energie termică și nucleară [2] .

Nanoceramica este produsă de obicei din pulberi nanodimensionate prin tehnici de turnare și sinterizare . Deoarece, din cauza frecării interne ridicate, nanopulberile sunt mai dificil de compactat, pentru formarea lor se folosesc adesea metode de presare prin impuls și hidrostatic , slip și turnare cu gel, iar hidroextruziunea . Nanoceramica a fost realizată mai întâi folosind procesul sol-gel - o formă de precipitare chimică din soluție - în care nanoparticulele în soluție și gel sunt amestecate pentru a forma nanoceramică. În anii 2000, procesele de fabricație au început să folosească căldura și presiunea în procesul de sinterizare. Procesul include mai multe etape principale: realizarea unui amestec de pulbere dintr-un amestec de pulbere și plastifianți pentru formarea unui material, formarea unei piese de prelucrat, uscarea și calcinarea preformei, prelucrarea produsului rezultat (mecanic, tratament termic și metalizare). Metoda de preparare poate fi adesea un factor determinant în formarea particulelor nanoceramice și a proprietăților acestora: de exemplu, arderea magneziului în oxigen duce la cuburi și plăci hexagonale, în timp ce descompunerea termică a hidroxidului de magneziu duce la particule de formă neregulată, deseori rezultând plăci. în formă hexagonală [2] . În unele aplicații, un curent electric pulsat sa dovedit util într-un proces de sinterizare în două etape pentru ceramica transparentă pe bază de alumină [3] . Proprietățile materialului rezultat depind în mare măsură de caracteristicile nanopulberilor utilizate, în primul rând de dimensiunea particulelor, polidispersitatea și puritatea acestora (conținutul de impurități). [patru]

Unul dintre domeniile prioritare pentru crearea de noi nanomateriale cu proprietăți funcționale specifice este căutarea unor soluții fundamental noi și îmbunătățirea soluțiilor tehnologice existente în domeniul sintezei chimice a nanopulberilor și fixării ulterioare a acestora într-un solid.Una dintre problemele importante în obținerea nanoceramica este de obicei creșterea intensivă a boabelor în timpul sinterizării în condiții normale. Pentru a preveni aceasta, sunt utilizate două metode principale:

  1. Introducerea de aditivi insolubili în pulberea (lotul) inițială localizată la limitele boabelor și prevenirea coalescenței acestora.
  2. Utilizarea unor metode și moduri speciale de compactare și sinterizare a ceramicii , care pot reduce semnificativ durata și/sau temperatura etapelor de temperatură ridicată ale producției sale (presare în impulsuri, presare la cald, unele tipuri de sinterizare la temperatură joasă). Aceste metode sunt descrise mai detaliat în articolul sinterizarea nanoceramicelor.

Proprietățile sensibile la structură ale nanoceramicelor pot diferi semnificativ de cele ale ceramicii convenționale de dimensiunea micronului . În acest caz, este posibil să se îmbunătățească proprietățile mecanice ( Al 2 O 3 ), electrice (Y: ZrO 2 ), optice (Nd: Y 2 O 3 ), cu toate acestea, natura modificării proprietăților cu dimensiunea granulelor este foarte mare. individual și depinde atât de natura fizică a proprietății studiate, cât și de caracteristicile fizico-chimice ale ceramicii utilizate.

Se cercetează și tehnologia consolidării electrice, atunci când materialul este compactat nu numai sub influența presiunii înalte, ci și sub influența curentului alternativ puternic. Noua metodă face posibilă reducerea porozității reziduale și a defectelor de limită, creșterea densității și rezistenței nanomaterialului [5] .

Unul dintre domeniile promițătoare de aplicare a nanoceramicelor este crearea de suprafețe cu proprietăți specifice pe materiale tradiționale. De exemplu, pentru a reduce reacția biologică la materialul unui implant de titan, pe suprafața acestuia este creat un strat de nanotuburi de dioxid de titan prin anodizare, ceea ce reduce adsorbția proteinelor, precum și aderența și diferențierea celulelor. Rezultatul este un succes clinic crescut. Într-un alt caz, o acoperire bioceramică conferă suprafeței proprietăți antibacteriene. Metodele de pulverizare termică a particulelor nanoceramice pot crește semnificativ duritatea suprafețelor materialelor amorfe [6] .

Producția în Rusia

Cu sprijinul SA „Rosnano” în Rusia, există două întreprinderi care produc produse din nanoceramică: JSC NEVZ-Ceramics (separată de JSC „ NEVZ-Soyuz ”) [7] și LLC „Virial” [8] .

Nanopulberile se caracterizează prin formabilitate și compresibilitate slabe datorită specificului proprietăților lor fizico-chimice: aglomerare, interparticule ridicate și frecare aproape de perete datorită suprafeței specifice ridicate. Prin urmare, în Rusia, pulberile nanoceramice nu sunt utilizate în formă pură, ci până acum doar ca aditiv la o piesă ceramică convențională, care capătă o densitate mai mare în timpul compactării cu ultrasunete, ceea ce înseamnă că produsul va deveni mult mai puternic. Cu această tehnologie, nu este nevoie să adăugați un plastifiant [9] .

Clasificarea produselor proiectului în funcție de compoziția materialului de bază utilizat

Aplicații ale nanoceramicelor

Izolatori ceramici

Izolatoarele ceramice sunt concepute ca material izolator pentru jgheaburi cu arc de vid, care sunt proiectate pentru a completa dispozitivele de comutare în vid .

  • Izolatoare pentru tuburi intensificatoare de imagine

Izolatoarele sunt folosite ca material electroizolant pentru dispozitivele de vedere pe timp de noapte consumate de piata militara. Elementul principal al unui dispozitiv de vedere pe timp de noapte este un tub intensificator de imagine (IC), care amplifică lumina și, în plus, transformă lumina infraroșie în lumină vizibilă.

Ceramica blindată

Produsele din ceramică blindată sunt folosite pentru a proteja echipamentele speciale și personalul de armele de calibru mic automate cu capacitatea de a oferi protecție până la clasa 6a. În interesul Ministerului Apărării al Rusiei , în ultimii 2 ani, NEVZ-Soyuz Holding Company, din proprie inițiativă, a dezvoltat și stăpânit producția unei game detaliate de produse - 7 tipuri, 32 de dimensiuni de ceramică blindată ( plăci de blindaj dreptunghiulare plate și cu rază cu dimensiuni de 50 × 50 mm și 100 × 100 mm în intervalul de grosimi de 6-12 mm, role blindate în intervalul de diametre de 13-29 mm și o gamă de înălțimi de 11-24 mm mm, hexagoane în intervalul „dimensiuni la cheie” de 20-40 mm și un interval de grosimi de 6-40 mm), dintre care:

  • Au fost dezvoltate și testate 5 tipuri de produse din ceramică blindată pentru echipamentele blindate ale personalului (protecție împotriva armelor de calibru mic de 5,45 și 7,62 mm );
  • Au fost dezvoltate și testate 4 tipuri de produse din ceramică blindată pentru protecția blindatelor vehiculelor blindate ușoare împotriva armelor de calibru mic de 7,62 mm , 12,7 mm și 14,5 mm.

O serie de elemente de ceramică blindată cu proprietăți de absorbție radio sunt în curs de dezvoltare și testare pentru a proteja navele Marinei de fragmente de mare viteză de rachete antinavă și de detectarea de către capete de ghidare în intervalul de microunde [10] .

Substraturi ceramice pentru dispozitive semiconductoare

Substraturile ceramice sunt produse pe baza de alumină ( conținut de Al 2 O 3 mai mare de 94%) sau ceramică cu nitrură de aluminiu AlN , care sunt concepute pentru izolarea electrică a structurilor, ansamblurilor și elementelor diferitelor dispozitive electronice. Ceramica utilizată pentru substraturi este nehigroscopică , rezistentă la căldură , este un material izolator cu proprietăți mecanice și electrice ridicate, se distinge printr-o tehnologie de fabricație relativ simplă și un cost redus. Rezistența mecanică la compresiune, tensiune, încovoiere este suficientă pentru utilizare practică. Pentru a îmbunătăți conductivitatea termică, rezistivitatea electrică și caracteristicile de rezistență ale substraturilor ceramice, în compoziția compoziției ceramice sunt introduse nanopulberi modificate de Al 2 O 3 - și AlN - și nanofibre de ranforsare Al 2 O 3 -. Substratul ceramic îndeplinește două funcții principale:

  • efectuează izolarea electrică a anvelopelor purtătoare de curent din modelul topologic, situate pe o parte, una de cealaltă, precum și a anvelopelor purtătoare de flux pe cealaltă parte;
  • transferă căldura generată de cristalele semiconductoare de putere activă ( diode , tranzistoare , tiristoare ) către radiatoare și radiatoare.

Domenii de utilizare:

  • producerea de circuite integrate monolitice de amplificatoare de mare putere;
  • producție de sisteme de răcire pentru convertoare termoelectrice pe bază de elemente Peltier;
  • producție de plăci microstrip de comutare pentru dispozitive semiconductoare de mare putere;
  • producție de izolatoare conductoare de căldură pentru încălzitoare de termostate active;
  • producerea de elemente de maşini de microrefrigerare cu compensare a vibraţiilor mecanice.
Bioceramica

Produsele din bioceramică sunt utilizate pentru tratamentul chirurgical al leziunilor și bolilor coloanei vertebrale , articulației șoldului, tratamentul bolilor dentare.

  1. Implanturile ceramice fixative realizate din ceramică densă biocompatibilă nanostructurată sunt utilizate pentru fixare, refacere de înlocuire a capacității de sprijin în cazul modificărilor patologice ale coloanei vertebrale.
  2. Articulațiile artificiale, inclusiv perechile ceramice originale de frecare din ceramică compozită nanostructurată de înaltă densitate pe bază de dioxid de zirconiu, sunt utilizate pentru artroplastia primară pentru a restabili sau compensa funcțiile articulare pierdute din cauza bolilor.
  3. Implanturi dentare .
Supape de închidere

Cele mai promițătoare domenii de aplicare a supapelor care utilizează elemente ceramice sunt:

Un avantaj deosebit al elementelor ceramice utilizate în ingineria supapelor este că pot fi integrate în supapele produse în masă fără modificări fundamentale în proiectarea supapelor cu bilă și a clapetelor, obținând în același timp o creștere semnificativă a durabilității și o creștere a clasei de supape.

Avantajele supapelor de închidere care utilizează ansambluri tehnice de supape ceramice încorporate într-un corp metalic sunt următoarele:

  • elementele ceramice au duritate mare (9 unități pe scara de duritate minerală MOOC) și, ca urmare, nu sunt supuse uzurii abrazive de către pastele nisipoase (duritatea cuarțului este de 7 unități);
  • datorită neutralității chimice, nu interacționează cu alcalii și acizii , cu excepția acidului fluorhidric (fluorhidric) ;
  • durabil (timpul dintre defecțiuni este de până la 50.000 de cicluri deschis-închis);
  • potrivit pentru utilizare într-o gamă largă de temperaturi medii de lucru (de la -273 la +800°С);
  • lucrează impecabil la presiuni ridicate în conductă (până la 40 MPa);
  • nu există un fenomen de „prindere” a elementelor de blocare, acest lucru este asigurat de proprietățile materialului ceramic și designul special al elementelor de blocare.

Vezi și

Note

  1. Nanoceramica în dicționarul termenilor de nanotehnologie . Preluat la 1 decembrie 2011. Arhivat din original la 30 noiembrie 2011.
  2. ↑ 1 2 Ce sunt nanoceramica și aplicațiile lor?  (engleză) . AZoNano.com (11 februarie 2019). Preluat la 14 decembrie 2020. Arhivat din original la 31 octombrie 2020.
  3. M. Nanko și KQ Dang. Sinterizarea cu curent electric pulsat în două etape a ceramicii transparente Al2O3  //  Advances in Applied Ceramics. - 2014. - T. 13 , nr 2 . - S. 80-84 .
  4. L. Theodore și R. G. Kunz. Nanotehnologie: Implicații și soluții de mediu // Wiley-Interscience. — 2005.
  5. Edwin Gevorkyan, Dmitri Sofronov, Sergiy Lavrynenko și Miroslaw Rucki. Sinteza nanopulberilor și consolidarea nanoceramicelor cu diverse aplicații // Journal of Advances in Nanomaterials. - 2017. - Septembrie ( vol. 2 , nr. 3 ).
  6. Handbook of Nanoceramic and Nanocomposite Coatings and Materials (2015). Preluat la 14 decembrie 2020. Arhivat din original la 5 februarie 2021.
  7. Rosnano și HC OAO NEVZ-Soyuz au semnat un acord de investiții  (link inaccesibil)
  8. Rusnano, împreună cu Virial, vor crea producția de produse rezistente la uzură din materiale nanostructurate (link inaccesibil) . Preluat la 1 decembrie 2011. Arhivat din original la 11 martie 2010. 
  9. JSC NEVZ-CERAMICĂ . www.rusnano.com . Preluat la 14 decembrie 2020. Arhivat din original la 10 decembrie 2020.
  10. Produse cu microunde - gama, module cu microunde - "NEVZ-Soyuz" . Consultat la 1 decembrie 2011. Arhivat din original pe 6 decembrie 2011.

Literatură

  1. Bagaev S. N., Kaminsky A. A., Kopylov Yu. L., Kravchenko V. B. Nanoceramică cu laser cu oxid: tehnologie și perspective.
  2. Arsentiev M. Yu., Panova T. I., Morozova L. V. Sinteza și studiul nanoceramicelor în sistemul ZrO2-CeO2-Al2O3.

Link -uri