Нанопорошки производятся при лазерном испарении мишени с последующей конденсацией пара в образующемся лазерном факеле, сопровождающейся его вихревым перемешиванием с потоком несущего газа. Поскольку основная доля наночастиц формируется в лазерном факеле из паровой фазы, то они имеют сферическую или ограненную форму.
Кроме наночастиц, полученный нанопорошок также содержит в себе частицы микронных размеров: капли застывшего расплава и бесформенные осколки мишени. Капли являются результатом вытеснения расплава из кратера под действием давления пара, а осколки образуются путём растрескивания кристаллизовавшегося расплава. Применение циклонов позволяет снизить содержание частиц второй в собираемом нанопорошке до 0,3-0,5 вес.%. Размеры капель составляют 0,2-5 мкм, а бесформенных осколков – 0,5-10мкм. Частицы этой фракции можно удалить из нанопорошка путём седиментации.
Благодаря быстрому образованию и быстрому охлаждению наночастиц(< 1 мсек) в лазерном факеле при его вихревом перемешивании с буферным газом полученные лазером нанопорошки имеют следующие достоинства:
- Размеры наночастиц заключены в диапазоне 2-60 нм, а их средний арифметический размер составляет 10-23 нм. При этом средний размер наночастиц из легкоплавких оксидов оказывается несколько выше, чем у наночастиц из тугоплавких оксидов.
- Содержат в себе индивидуальные наночастицы, слабо связанные между собой силами Ван-дер-Ваальса.
Другими достоинствами лазерного метода получения нанопорошка являются:
- Простота получения наночастиц сложных оксидов путем испарения мишени из механически смешанных в соответствующей пропорции простых оксидов;
- Нет необходимости удалять из полученного нанопорошка продукты химических реакций;
- Хорошая спекаемость нанопорошка при изготовлении керамических изделий;
- Достаточно высокая производительность получения нанопорошка (3-300 г/час).
Особенностью лазерного метода является то, что полученные нанопорошки, как правило, имеют метастабильную кристаллическую решетку, что также объясняется быстрым охлаждением наночастиц в процессе их синтеза.
Были получены нанопорошки достаточно широкого ряда простых и сложных оксидов YSZ, Nd(Yb):Y2O3, Fe:MgAl2O4, Al2O3, FexOy, Yb2O3, WO3 и т.п. Это неполный перечень, т.к. ассортимент полученных нанопорошков все время расширяется. В частности, проводятся эксперименты по получению в потоке аргона нанопорошков нелетучих фторидов типа CaF2, YbF3.
Области применения:
- Создание топливных элементов на основе твёрдых оксидов.
- Синтез высокопрозрачных керамик для создания твердотельных лазеров, сцинтилляторов, модуляторов света, жаро- и механо- прочных окон, широкоугольной оптики.
- Синтез конструкционных керамик.
- В медицине, для адресной доставки лекарств на объект.
|