Konsolidacja Nanoproszków I - Formowanie. Zastosowanie Nanoproszków. Konsolidacja. Konsolidacja Nanoproszków - Formowanie

Transkrypt

1 Konsolidacja Nanoproszków I - Formowanie Zastosowanie Nanoproszków w stanie zdyspergowanym katalizatory, farby, wypełniacze w stanie zestalonym(?): układy porowate katalizatory, sensory, elektrody, układy bezporowate (gęste) stopy, spieki, układy uporządkowane elektronika, optyka, optoelektronika, Konsolidacja spadek rozwinięcia powierzchni właściwej; wzrost wielkości cząstek (efekt Ostwalda + spiekanie); metody: 3-D: prasowanie, odlewanie, osadzanie, 2-D: osadzanie na powierzchni, 1-D: wzorce liniowe, cząstki dipolowe(?), 1

2 wymagane ciśnienie efekt Konsolidacja Przyczyny konsolidacji oddziaływania pomiędzy cząstkami proszku lub cząstek z podłożem: Oddziaływania długozasięgowe; ruchy Browna, siły kapilarne, ciśnienie hydrostatyczne i napięcie powierzchniowe, siły zewnętrzne (ciśnienie, elektrostatyczne, grawitacja, ). Oddziaływania krótkozasięgowe: siły van der Waals a, mostki cieczowe, wiązania chemiczne Temperatura - spiekanie. Prasowanie suchy proszek (budowa wewnętrzna?), siła zewnętrzna, przemieszczanie się ziaren względem siebie i ścian matrycy (opory?), prasowanie na sucho prasowanie z mas półsuchych Jakie są konsekwencje niejednorodności układów skonsolidowanych? 0 formowanie plastyczne odlewanie z gęstw zawartość wody, % Dlaczego ważna jest maksymalna jednorodność uformowanego materiału? mala zmiana wielkosci duzy efekt duza zmiana wielkosci maly efekt wielkosc czastki 2

3 Prasowanie konsekwencje tarcia Prasowanie budowa wewnętrzna proszków 9 1 V p F 8 Vp d 2 Krzywa prasowania 1 proszek otrzymany metodą hydrotermalną mniejsze ziarna; 2 proszek otrzymany metodą prażenia żelu większe ziarna; PRZYCZYNA? Krzywa prasowania 3

4 gestosc Jakie są rozwiązania? Krzywa prasowania cisnienie, log P Prasowanie Pulsujące Pole Magnetyczne (MPC) Rozładowanie ładunku elektrycznego (bateria kondensatorów) w cewce magnetycznej, pulsujące pole magnetyczne wytwarza siłę dośrodkową, ciśnienie nawet do kilku GPa. TiO 2 Prasowanie Ultradźwiękowa Fala Akustyczna Ultradźwięki wprawiają w drgania cząstki proszku w trakcie prasowania, moc generatora do kilku kw, 4

5 Prasowanie Ultradźwiękowa Fala Akustyczna 3Y-TZP, 240 MPa, 1 kw, 1345 C Wolfram, 250 MPa, 20 khz Prasowanie filtracyjne Prasowanie filtracyjne 5

6 Metoda formowania Mechanizm konsolidacji Kształt wyrobu A. Usuwanie cieczy Przepływ cieczy do porowatej formy, Odlewanie wywołany siłami kapilarnymi cienkościenny Gęstwy i masy plastyczne Prasowanie filtracyjne Konsolidacja osmotyczna Przepływ cieczy przez porowaty filtr wywołany przyłożonym ciśnieniem Przepływ cieczy przez błonę półprzepuszczalną wywołany różnicą ciśnienia osmotycznego Prosty, 3D Prosty, 3D Odlewanie taśm Usuwanie cieczy poprzez odparowanie Prosty, 2D, warstwy Robocasting* Usuwanie cieczy poprzez odparowanie B. Ruch cząstek Odlewanie odśrodkowe Ruch cząstek wywołany przyłożoną siłą grawitacyjną Osadzanie elektroforetyczne Ruch cząstek wywołany przyłożonym polem elektrycznym Prosty, 2D lub 3D C. Żelowanie Formowanie wtryskowe z zawiesin Organiczne, fizyczne żele tworzą się wodnych w odpowiedzi na zmianę (Aqueous injection temperatury moulding) Organiczna sieć z wiązaniami Odlewanie żelowe krzyżowymi tworzy się w (Gelcasting) następstwie reakcji chemicznej Kierowana koagulacja Żel koloidalny tworzy się na drodze (Direct coagulation flokulacji casting) Żel koloidalny tworzy się na drodze Robocasting* flokulacji Gęstwy i masy plastyczne Zależność odległości między cząsteczkami od ich udziału objętościowego w zawiesinie. Efektywna objętość części stałych w zawiesinie w funkcji rzeczywistej zawartości cząstek o różnych promieniach Suszenie produktów syntezy zol-żel p c 1 1 cos R1 R2 Siły kapilarne (pory!) powodują, w łagodnych warunkach, kolaps struktur żelowych powstaje kserożel; 6

7 Superkrytyczne suszenie produktów syntezy zol-żel Usuwanie cieczy w warunkach termodynamicznych powyżej punktu krytycznego cieczy powstaje aerożel; Suszenie normalne Suszenie superkrytyczne Zamrażanie - sublimacja porowatość 75-99%, powierzchnia właściwa >1 000 m 2 /g, przeźroczystość, Formowanie 2D Powlekanie przez zanurzenie (dip coating) Formowanie 2D Powlekanie przez zanurzenie (dip coating) 7

8 Formowanie 2D Osadzanie aerozolu z zawiesiny, lub stopu; osadzanie naturalne lub w polu elektrycznym; grzane podłoże lub gaz. Formowanie 2D Osadzanie elektroforetyczne zawiesina w cieczy polarnej, naładowane cząstki proszku wędrują w polu elektrycznym do jednej z elektrod; gęstość upakowania <74%; efekt zależy od koncentracji cząstek, potencjału zeta, natężenia pola elektrycznego; wolny proces prowadzi do większego upakowania; Formowanie 1D Produktami formowania struktur jednowymiarowych są włókna, nanopręty, nano-rurki a więc metody formowania są takie same jak metody otrzymywania pojedynczych elementów, np. osadzanie zol-żel na anodyzowanym aluminium TiO 2 zol-żel + elektroforeza 8

9 Formowanie 1D 9