Как было показано (2 часть статьи) в силу своей специфики, непрерывный твердофазный синтез (НС) имеет ряд преимуществ перед классическим твердофазным синтезом (КТС), а именно:
- 100%-е протекание твердофазных реакций в рамках одного технологического процесса;
- повышение дисперсности исходной механической смеси за счет ее измельчения непосредственно в процессе синтеза и как следствие,
- сокращение времени синтеза от 1мин до 20 - 30мин.
На рис 3.1-3.2 приводятся сравнительные данные атомно-силового сканирования порошков:
- промышленного диоксида титана (TiO2) (рис.3.1),
- пьезоматериала ЦТС-19М, синтезированного по технологии КТС (рис.3.2)
до (a) и после (b) обработки по технологии НС.
Как видно из приведенных данных после обработки порошков методами непрерывной технологии размеры частиц смещаются в диапазон менее 1мкм, что говорит о пригодности этих порошков для производства высококачественной керамики.
Аналогичное измельчение испытывает и гранулированная механическая смесь, вводимая в реакционную камеру установки непрерывного синтеза. Таким образом, в твердофазной реакции участвуют порошки, размеры частиц которых менее 1мкм, что и позволяет достигать100%-го протекания твердофазных реакций в течение одного технологического процесса, длительность которого определяется минутами, а не часами как в случае классического твердофазного синтеза.
В этой связи, непрерывность непрерывного синтеза в первую очередь связана с химической непрерывностью процесса, а только потом с его физической непрерывностью, которой в настоящее время больше чем достаточно.
Синтезированные по технологии НС порошки оксидных материалов представляют собой совокупность наноструктурных дисперснокристаллических композиций, сформированных по технологии «снизу - вверх» непосредственно в процессе синтеза, т.е. в рамках одного технологического процесса (рис.3.3).
При этом гранулометрический состав синтезированных наноструктурных порошков оксидных материалов предопределяется непосредственно температурно-временными характеристиками синтеза, из которых:
- температура – оказывает превалирующее влияние на оптимизацию размеров;
- время – на их оптимальное соотношение.
Тенденцию зависимости гранулометрического состава от температуры синтеза можно проследить на примере синтеза SrAl2O4 (данные лазерного анализатора частиц Analysette 22, рис.3.4).
Как видно из рис.3.4, несмотря на критичность протекания химических реакций в системе SrO – Al2O3 тем не менее, наблюдается устойчивая тенденция смещения гранулометрического состава вправо с ростом температуры синтеза.
Практически это говорит о том, что в случае синтеза различных технологических партий искомого оксидного материала, синтезируемых при одной и той же оптимальной температуре, можно ожидать, что они будут иметь одинаковый гранулометрический состав.
Действительно, на рис.3.5 приводятся данные наложения зависимости гранулометрических составов восьми технологических партий порошков катодного материала литий-железо-фосфата (LFP), синтезированных при оптимальной температуре 850°C от длительности времени синтеза от 20 до 90с с шагом 10с (поддержание времени синтеза не хуже 3с).
Как видно из приведенных данных, в условиях взаимосвязанных температурно-временных характеристик синтеза формируются пять основных размеров наноструктурных композиций, каждый из которых имеет свое нормальное распределение. При этом в каждом конкретном случае формируемые в процессе синтеза наноструктурные композиции, достигая практически одинаковых размеров, обладают, в зависимости от времени синтеза, разными их объемными соотношениями
При этом оптимальное время синтеза составило1минуту, что на три порядка меньше, чем время синтеза в условиях классического твердофазного синтеза с использованием того же состава исходной механической смеси (ИМС).
К тому же синтез LFP был осуществлен непосредственно в воздушной среде, хотя весь мировой опыт говорит о том, что синтез LFP возможен только в инертной или восстановительной среде, независимо от выбранного способа синтеза.
В общем случае это лишний раз говорит об особенностях одновременного протекания процессов измельчения исходных компонент искомого оксидного материала, твердофазных реакций в среде высокодисперсных порошков и формирования наноструктурных порошков целевого оксидного материала.
Кроме того наноструктурные порошки оксидных материалов, синтезированные по технологии НС:
- не требует своего измельчения для дальнейшего использования на этапе формования, что особенно значимо для функциональных материалов, чувствительных к их загрязнению,
- снимает проблему формования наноструктурных порошков, что представляет собой в реальном керамическом производстве отдельную, достаточно сложную технологическую задачу формования наноразмерных порошков в целом.
- существенно повышают вероятность достижения состояния отформованной заготовки, отвечающие требованиям, предъявляемым к нему со стороны этапа спекания.
Непрерывный твердофазный синтез осуществляется на установке непрерывного твердофазного синтеза, которая легко встраивается практически в любую технологическую цепочку и предназначена для реальных керамических производств и научных центров, занимающихся разработкой сложных оксидных функциональных материалов.
Специалистам, аспирантам, соискателям и студентам. Обращайтесь, Вас услышат. E-lk783395@gmail.com