eng
Выпуск #2/2017
В.Лысенко, А.Анисимов, В.Мали, В.Емелькин, Г.Поздняков, Г.Трубачеев
Создание методом SPS плотных образцов из нанопорошков никеля и серебра
Создание методом SPS плотных образцов из нанопорошков никеля и серебра
Просмотры: 4298
Исследуются механические свойства образцов из нанодисперсных порошков никеля и серебра, полученных методом электроискрового спекания.
УДК 620.17, ВАК 05.16.08, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.72.2.100.104
УДК 620.17, ВАК 05.16.08, DOI: 10.22184/1993-8578.2017.72.2.100.104
Теги: microhardness nanodispersed powder spark plasma sintering микротвердость нанодисперсный порошок электроискровое спекание
Отличия между нано- и крупнозернистыми материалами в упругих, демпфирующих, прочностных, тепловых, электрических, магнитных и диффузионных свойствах обусловлены не только малым размером зерен в наноматериалах, но и особым состоянием поверхности или границ зерен в них [1]. Одним из направлений нанотехнологий является создание образцов из наноразмерных порошков при сохранении очень малых размеров зерна. Предполагается, что такие образцы будут обладать высокими пластичностью и плотностью, что отразится на их прочности и твердости.
Известно, что чем меньше размер зерен и чем больше развита зернистая структура, тем прочнее и тверже полученные образцы. Вместе с тем, в нанопорошках, используемых для получения таких образцов, существуют устойчивые трудноразрушаемые агломераты наночастиц [2], что требует применения нестандартных методов компактирования, например горячего прессования.
В настоящей работе исследуются образцы, созданные из нанопорошков никеля и серебра.
Никель является основой большинства суперсплавов – жаропрочных материалов. Он применяется при никелировании (создании покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии), в производстве аккумуляторов, химических и радиационных технологиях, медицине, монетном деле, для производства обмотки струн музыкальных инструментов.
Серебро применяется в электротехнике и электронике как покрытие или материал ответственных контактов и проводников в высокочастотных цепях, в многослойных керамических конденсаторах, в составе припоев, в составе сплавов для изготовления катодов гальванических элементов, в ювелирном деле, при чеканке монет и медалей, в СВЧ-технике для покрытия внутренней поверхности волноводов, как покрытие для зеркал с высокой отражающей способностью, как катализатор в реакциях окисления, как дезинфицирующее вещество (в основном для обеззараживания воды) и в других областях.
Целью настоящей работы было создание с помощью метода SPS (Spark Plasma Sintering – электроискровое спекание или горячее прессование с использованием спекающей искровой плазмы) плотных и твердых образцов-таблеток с мелкозернистой (менее микрона) структурой из нанодисперсных порошков никеля и серебра.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
В исследованиях использовались нанопорошки никеля и серебра, созданные российской фирмой "Новосибирские наноматериалы" (NskNano) методом электрического взрыва проводника.
Порошок никеля Ni обладал следующими свойствами:
• средний размер частиц (APS) 60–70 нм;
• удельная поверхность (SSA) 10,0 м2/г;
• чистота 95,3%;
• цвет – черный;
• морфология (форма частиц) – сферическая.
На рис.1 приведена электронная микроскопия этого нанопорошка.
Порошок серебра Ag (полностью кристаллическое серебро) обладал следующими свойствами:
• средний размер частиц 90–100 нм;
• удельная поверхность (измеренная методом БЭТ) 6,5 м2/г;
• чистота 99,9 %;
• цвет – серый;
• насыпная плотность 5,8 г/смі.
Предварительно для демонстрации отличий свойств микро- и нанопорошков были проведены эксперименты по сжимаемости используемого в данной работе нанопорошка никеля и микропорошка никеля ПНЭ-1, изготовленного электролитическим способом (средний размер частиц 40–70 мкм). На рис.2 приведены зависимости относительной плотности порошка (относительно теоретической плотности никеля 9,8 г/смі) от приложенного к нему давления в диапазоне 1–14 МПа. Две верхние зависимости – для ПНЭ-1, две нижние – для нанопорошка никеля. На рисунке видно, что сжимаемость микро- и нанопорошков различна.
В основных экспериментах спекание нанопорошков никеля и серебра проводилось на установке Labox компании Sinter Land в ИГиЛ СО РАН методом SPS, когда импульсы электрического тока проходят через заранее спрессованный порошок (в данных экспериментах сила тока достигала 2 кА при напряжении 3–4 В). Основным отличием SPS от традиционного прессования (при последовательных прессовании и спекании) является подведение импульсного электрического тока непосредственно к образцу, что способствует быстрому нагреву порошка и сохранению в значительной степени его микроструктурных параметров в консолидированном материале. Прессование проводилось при давлении 40 МПа и максимальных температурах 800 и 910 °С для никеля (температура плавления 1 453 °С) и 600°С для серебра (температура плавления 962 °С). Скорость нагрева составляла 100 °С/мин, а выдержка при максимальной температуре – 3 мин.
Микротвердость всех образцов исследовалась с помощью микротвердомера ПМТ-3.
Предел текучести на сжатие и модуль упругости Юнга определялись с помощью машины для прочностных испытаний материалов Zwick/Roell Z005 (Германия).
На электронном сканирующем микроскопе ZEISS EVO-50WDS-XVP-BU ИТПМ СО РАН исследовались сколы образцов-таблеток после напыления на них слоя золота.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Диаметр и толщина полученных образцов никеля составляли 10,3–10,4 мм и 1,8–1,9 мм, плотность при Тmax = 800 °С была 8,23 г/см3, а при Тmax = 10 °С – 8,3 г/см3 (плотность относительно табличной – 0,93).
Диаметр и толщина полученного образца серебра составляли 10,5 и 1,4 мм, а плотность была 10,2 г/см3, то есть весьма высокой (относительная плотность 0,97).
Микротвердость образца серебра составляла 2,7 ГПа, а микротвердость образцов никеля Hv = 5,5 ГПа (табличные значения твердости компактных серебра и никеля – 0,25 и 0,64 ГПа соответственно).
Предел текучести на сжатие для образца серебра σт = 150 МПа, а у образцов никеля – примерно 400 МПа (табличные значения предела текучести компактных серебра и никеля – 50 и 120 МПа соответственно).
Модуль упругости Юнга для образца серебра был E = 100 ГПа, а у образцов никеля – примерно 300 ГПа (табличные значения для компактных серебра и никеля – 80 и 210 ГПа соответственно).
На рис.3 приведена электронная микроскопия скола образца-таблетки никеля при Тmax = 800 °С. Размер зерен полученного образца составил около 500–1 000 нм.
На рис.4 приведена электронная микроскопия скола образца-таблетки серебра при Тmax = 600 °С. Размер зерен полученного образца оказался около 1–2 мкм.
Рис.3 и 4 показывают, что с помощью метода SPS получены мелкозернистые плотные образцы никеля и серебра.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания SPS на основе наноразмерных порошков никеля и серебра созданы мелкозернистые (0,5–2 мкм), плотные (с относительной плотностью 0,93–0,97), прочные образцы-таблетки с микротвердостью 2,7 ГПа (для серебра) и 5,5 ГПа (для никеля).
Работа выполнена при поддержке СО РАН (проект III.23.4.1).
ЛИТЕРАТУРА
1. Моисеев И.И., Климов Д.М., Спицын Б.В., Котов Ю.А., Русанов А.И., Микаэлян А.Л., Алфимов М.В., Раховский В.И. Обсуждение проблем нанотехнологии // Вестник Российской академии наук. 2003. Т. 73. № 7. С. 429–449.
2. Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. М., 2001. C 175–202.
Известно, что чем меньше размер зерен и чем больше развита зернистая структура, тем прочнее и тверже полученные образцы. Вместе с тем, в нанопорошках, используемых для получения таких образцов, существуют устойчивые трудноразрушаемые агломераты наночастиц [2], что требует применения нестандартных методов компактирования, например горячего прессования.
В настоящей работе исследуются образцы, созданные из нанопорошков никеля и серебра.
Никель является основой большинства суперсплавов – жаропрочных материалов. Он применяется при никелировании (создании покрытия на поверхности другого металла с целью предохранения его от коррозии), в производстве аккумуляторов, химических и радиационных технологиях, медицине, монетном деле, для производства обмотки струн музыкальных инструментов.
Серебро применяется в электротехнике и электронике как покрытие или материал ответственных контактов и проводников в высокочастотных цепях, в многослойных керамических конденсаторах, в составе припоев, в составе сплавов для изготовления катодов гальванических элементов, в ювелирном деле, при чеканке монет и медалей, в СВЧ-технике для покрытия внутренней поверхности волноводов, как покрытие для зеркал с высокой отражающей способностью, как катализатор в реакциях окисления, как дезинфицирующее вещество (в основном для обеззараживания воды) и в других областях.
Целью настоящей работы было создание с помощью метода SPS (Spark Plasma Sintering – электроискровое спекание или горячее прессование с использованием спекающей искровой плазмы) плотных и твердых образцов-таблеток с мелкозернистой (менее микрона) структурой из нанодисперсных порошков никеля и серебра.
ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ
В исследованиях использовались нанопорошки никеля и серебра, созданные российской фирмой "Новосибирские наноматериалы" (NskNano) методом электрического взрыва проводника.
Порошок никеля Ni обладал следующими свойствами:
• средний размер частиц (APS) 60–70 нм;
• удельная поверхность (SSA) 10,0 м2/г;
• чистота 95,3%;
• цвет – черный;
• морфология (форма частиц) – сферическая.
На рис.1 приведена электронная микроскопия этого нанопорошка.
Порошок серебра Ag (полностью кристаллическое серебро) обладал следующими свойствами:
• средний размер частиц 90–100 нм;
• удельная поверхность (измеренная методом БЭТ) 6,5 м2/г;
• чистота 99,9 %;
• цвет – серый;
• насыпная плотность 5,8 г/смі.
Предварительно для демонстрации отличий свойств микро- и нанопорошков были проведены эксперименты по сжимаемости используемого в данной работе нанопорошка никеля и микропорошка никеля ПНЭ-1, изготовленного электролитическим способом (средний размер частиц 40–70 мкм). На рис.2 приведены зависимости относительной плотности порошка (относительно теоретической плотности никеля 9,8 г/смі) от приложенного к нему давления в диапазоне 1–14 МПа. Две верхние зависимости – для ПНЭ-1, две нижние – для нанопорошка никеля. На рисунке видно, что сжимаемость микро- и нанопорошков различна.
В основных экспериментах спекание нанопорошков никеля и серебра проводилось на установке Labox компании Sinter Land в ИГиЛ СО РАН методом SPS, когда импульсы электрического тока проходят через заранее спрессованный порошок (в данных экспериментах сила тока достигала 2 кА при напряжении 3–4 В). Основным отличием SPS от традиционного прессования (при последовательных прессовании и спекании) является подведение импульсного электрического тока непосредственно к образцу, что способствует быстрому нагреву порошка и сохранению в значительной степени его микроструктурных параметров в консолидированном материале. Прессование проводилось при давлении 40 МПа и максимальных температурах 800 и 910 °С для никеля (температура плавления 1 453 °С) и 600°С для серебра (температура плавления 962 °С). Скорость нагрева составляла 100 °С/мин, а выдержка при максимальной температуре – 3 мин.
Микротвердость всех образцов исследовалась с помощью микротвердомера ПМТ-3.
Предел текучести на сжатие и модуль упругости Юнга определялись с помощью машины для прочностных испытаний материалов Zwick/Roell Z005 (Германия).
На электронном сканирующем микроскопе ZEISS EVO-50WDS-XVP-BU ИТПМ СО РАН исследовались сколы образцов-таблеток после напыления на них слоя золота.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Диаметр и толщина полученных образцов никеля составляли 10,3–10,4 мм и 1,8–1,9 мм, плотность при Тmax = 800 °С была 8,23 г/см3, а при Тmax = 10 °С – 8,3 г/см3 (плотность относительно табличной – 0,93).
Диаметр и толщина полученного образца серебра составляли 10,5 и 1,4 мм, а плотность была 10,2 г/см3, то есть весьма высокой (относительная плотность 0,97).
Микротвердость образца серебра составляла 2,7 ГПа, а микротвердость образцов никеля Hv = 5,5 ГПа (табличные значения твердости компактных серебра и никеля – 0,25 и 0,64 ГПа соответственно).
Предел текучести на сжатие для образца серебра σт = 150 МПа, а у образцов никеля – примерно 400 МПа (табличные значения предела текучести компактных серебра и никеля – 50 и 120 МПа соответственно).
Модуль упругости Юнга для образца серебра был E = 100 ГПа, а у образцов никеля – примерно 300 ГПа (табличные значения для компактных серебра и никеля – 80 и 210 ГПа соответственно).
На рис.3 приведена электронная микроскопия скола образца-таблетки никеля при Тmax = 800 °С. Размер зерен полученного образца составил около 500–1 000 нм.
На рис.4 приведена электронная микроскопия скола образца-таблетки серебра при Тmax = 600 °С. Размер зерен полученного образца оказался около 1–2 мкм.
Рис.3 и 4 показывают, что с помощью метода SPS получены мелкозернистые плотные образцы никеля и серебра.
Таким образом, с помощью метода электроискрового спекания SPS на основе наноразмерных порошков никеля и серебра созданы мелкозернистые (0,5–2 мкм), плотные (с относительной плотностью 0,93–0,97), прочные образцы-таблетки с микротвердостью 2,7 ГПа (для серебра) и 5,5 ГПа (для никеля).
Работа выполнена при поддержке СО РАН (проект III.23.4.1).
ЛИТЕРАТУРА
1. Моисеев И.И., Климов Д.М., Спицын Б.В., Котов Ю.А., Русанов А.И., Микаэлян А.Л., Алфимов М.В., Раховский В.И. Обсуждение проблем нанотехнологии // Вестник Российской академии наук. 2003. Т. 73. № 7. С. 429–449.
2. Анциферов В.Н., Перельман В.Е. Механика процессов прессования порошковых и композиционных материалов. М., 2001. C 175–202.
Отзывы читателей
