Огнеупорная природа оксидов металлов
Формируемых изделий
Разработки в области наночастиц привели к получению очень значимых и интересных результатов во всех исследованных областях. Все материалы могут быть разделены на металлы, проводники и изоляторы. Что касается металлов и полупроводников, обладающих прочными металлическими и ковалентными связями, то изменения их свойств в зависимости от размеров частиц хорошо известны. В случае частиц в виде изоляторов эффект размера связан с изменением химических процессов на поверхности.
Изоляционные оксиды получают из металлов, располагающихся в левой и правой частях периодической таблицы Д.И. Менделеева. Типичными представителями изоляционных оксидов являются MgO, CaO, Al2О3 и SiO2. Оксиды металлов, расположенных в середине периодической таблицы (от Sc до Zn), являются полупроводниками или металлическими оксидами, типичными представителями которых являются ZnO, TiO2, NiO, Fe2O3 и Cr2O3.
Хорошо известно, что в промежутке между 2 и 10 нм классические законы и законы квантовой химии не приемлемы. В наночастицах сферической формы, например, с размером 3 нм, 50 % атомов или ионов находится на поверхности, что позволяет изменять объемные свойства за счет поверхностных эффектов в области реакционной химии вблизи стехиометрического состава. При наличии прочной химической связи, процесс делокализации изменяется в зависимости от размера частиц, что может привести к изменению химических и физических свойств. Проверку этих положений провели при изучении поведения при измельчении оксидов MgO и CaO. Выбор этих оксидов был основан на их высокой ионной плотности, высоких температурах плавления. Это позволило предположить, что образцы из MgO и CaO, имеющие маленький размер частиц, должны обладать стабильностью и изоляционной способностью. Эти предположения послужили основой детального изучения оксидов кальция и магния (особенно кристаллов и порошков магния) [3].
Огнеупорная природа большинства оксидов металлов действительно способствует образованию ультрамалых частиц. Высокоионная природа некоторых материалов, особенно MgO, Al2O3, ZrO2 и TiO2, способствует
образованию многих стабильных дефектных мест, включая углы, края и анионно-катионные вакансии.
Установлено, что материалы, полученные аэрогельным способом, обладают очень низкой плотностью, могут быть прозрачными или просвечивающими, иметь низкую теплопроводность и необычные акустические свойства. Они используются в различных областях в качестве детекторов радиации, сверхизоляторов, покрытий, прекурсоров стекла, катализаторов, неразрушающихся адсорбентов. Наночастицы керамических материалов могут быть уплотнены при относительно низких температурах в твердые материалы, обладающих по сравнению с традиционной керамикой повышенными характеристиками деформируемости и пластичности [3].
Анализ всевозможных дефектов, находящихся на поверхности керамики, показал, что их большинство обусловлено наличием ненасыщенных ионов, ввиду присутствия плоскостей, углов, анионно-катионных вакансий и избытков электронов. Все эти положения часто рассматриваются в качестве активных мест для протекания очень интересных и полезных реакций, включая активацию метана, олигомеризацию CO и др.
27.02.13
Известно, что наночастицы кристаллических веществ имеют около 1019 поверхностей раздела на 1 см3 и удельную поверхность до 800 м2/г, поэтому при компактировании (без роста нанокристаллов) происходит образование твердых тел с огромным количеством межзернистых границ. В случаях CaF2 и TiO2 были получены твердые образцы, обладающие при обычной температуре пластической деформацией, в основном, за счет диффузионной ползучести. Предполагается, что дальнейшая работа в области консолидирования нанофазных материалов может привести к созданию керамики с повышенными деформационными способностями и с меньшей хрупкостью, и возможно, с большей прочностью. При этом станет возможным получать материалы с большой фракцией атомов на границах зерен, с необычным их расположением, а также получать бинарные материалы с нерастворимыми соединениями или элементами [3].