Детонационные наноалмазы. Синтез, свойства и применение
Информация - Химия
Другие материалы по предмету Химия
споримых преимуществ перед статическим. Прежде всего, нет необходимости в металлах-катализаторах, примеси которых снижают прочность и термостойкость алмаза. Кроме того, параметры взрывного процесса, такие как давление, скорости нагружения, температуры сжатия и остаточные температуры, можно регулировать способом сжатия, подбором взрывчатого вещества с определенными свойствами, предварительным нагревом или охлаждением. В результате синтеза в сильнонеравновесных условиях получаются уникальные нанокристаллические структуры, каждая частица алмаза имеет множество режущих кромок.
Главной особенностью данного метода является возможность получать наноалмаз непосредственно из содержащегося во взрывчатом веществе углерода. Для этого необходимо использовать составы с отрицательным кислородным балансом (количество кислорода меньше количества окисляемых компонентов), тогда свободный углерод конденсируется в наноалмазной фазе. Полученный продукт называется алмазной шихтой (смесь алмаза с неалмазными формами углерода).
К взрывчатым веществам с отрицательным кислородным балансом относятся гексоген, тротил (ТНТ) и др.
При детонационном синтезе процесс проводят в специальных взрывных камерах (рисунок 2).
Образование наночастиц алмаза происходит за 0,2-0,5 мкс, температура продуктов взрыва достигает 2000-4000 С, а графитизация алмаза начинается уже при 1000С. Поэтому камеры заполняют инертным или углекислым газом, который предотвращает окисление образовавшихся алмазных частиц и их превращение в графит. Также чтобы понизить остаточные температуры, подрыв осуществляют в водной среде или в ледяной бронировке заряда - продукты детонации совершают работу по сжатию и разгону окружающей среды.
Рисунок 2
Механизм синтеза УДА в детонационной волне можно представить следующим образом. В распространяющейся по твердому заряду детонационной волне происходит разрушение бензольных колец, находящихся в составе молекул взрывчатого вещества, на отдельные связки из атомов углерода. В результате последующих многократных взаимодействий из них образуются углеродные соединения, в частности циклогексан. Эти молекулы несут в себе элементы структуры кристаллической решетки алмаза, поэтому их можно рассматривать как зародыши алмазной фазы углерода. Их объединение в подвижной среде продуктов взрыва приводит к образованию малых частиц - алмазных кластеров. В результате последующих столкновений и колебательных взаимодействий частиц, приводящих к сцеплению их кристаллических решеток, за фронтом вырастают более крупные частицы (до 40-90 нм). Эти оценки соответствуют результатам известных экспериментов
После взрыва конденсированные продукты синтеза собирают и подвергают химической обработке для удаления сажи и других примесей. Полученные агрегаты имеют сложную, разветвленную форму, поэтому могут быть сцеплены друг с другом механически и под действием сил Ван-дер-Ваальса. Продукт подвергают диспергированию ультразвуком, затем разделяют на фракции с помощью центрифуг.
Детонационный метод имеет ряд недостатков, среди которых противоречие необходимости быстрого понижения остаточной температуры и максимально долгого сохранения повышенного давления, чтобы повысить стабильность алмазной фазы. Для устранения этой проблемы используют камеры больших размеров (до 5 м на 1 кг взрываемого заряда). Помимо этого, для синтеза алмаза обычно требуются дорогие и мощные взрывчатые вещества (гексоген, сплав ТГ40), которые изготавливаются только на оборонных предприятиях. Эту проблему отчасти решает необходимость экологически чистой утилизации различных боеприпасов, заряды из которых являются сырьем для синтеза наноалмазов.
. СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ
Для всех ультрадисперсных порошков характерна большая удельная поверхность. Так, при среднем размере первичной наноалмазной частицы 4 нм она состоит примерно из 12000 атомов углерода, из которых около 3000 - поверхностные. Поэтому поверхность частицы сильно влияет на ее свойства.
Несмотря на малые размеры частиц, ультрадисперсные алмазы сохраняют основные свойства алмаза: кристаллическую решетку и химическую инертность, позволяющую выделять их из шихты с помощью обработки кислотами. При этом показатель преломления наноалмаза выше, чем у алмаза, и составляет примерно 2,55.
Порошок ультрадисперсных алмазов состоит из сферических частиц с удельной поверхностью от 200 до 400 м/г, в зависимости от взрывчатого вещества, используемого при синтезе.
Каждая частица состоит из сверхтвердого инертного ядра, покрытого пористыми оболочками, содержащими аморфный углерод и различные функциональные группы примесей (рисунок 3). Благодаря этим особенностям поверхности наноалмазы имеют высокую сорбционную емкость.
Рисунок 3
Также от способа синтеза и очистки зависит плотность частиц, она колеблется в пределах 3-3,4 г/см.
Величины диэлектрической проницаемости и магнитной восприимчивости близки к идеальным для алмаза:
Еще одним важным свойством поверхности наноалмаза является электрокинетический потенциал, или ?-потенциал, который также в значительной степени зависит от способов очистки, которые влияют на состояние поверхности.
При взрывном синтезе без оболочки получаются частицы со средним размером 4 нм, их сфероподобная форма определяет антифрикционные свойства. При использовании водя?/p>