Нанопорошки. Назначение, свойства, производство

14.04.2009
Нанопорошки – только один из многих существующих на сегодняшний день наноматериалов. Большинство из них, такие как, например, дендримеры, фуллерин, нанотрубки, нанопрокладки и нанопоры, производятся из ограниченного количества видов сырья. А нанопорошки можно производить из сотен различных материалов. Все наноматериалы, которые производятся в настоящее время, подразделяются на четыре группы: оксиды металлов, сложные оксиды (состоящих из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси.

Оксиды металлов составляют не менее 80% всех производимых нанопорошков. Нанопорошки чистых металлов составляют значительную и все больше возрастающую долю общего объема производства. Сложные оксиды и смеси имеются в ограниченном количестве. Однако, ожидается, что в долгосрочной перспективе их использование возрастет .

Оксиды металлов

Три нанопорошка составляют около 80% всех порошков оксидов металлов.

1. Кремнезем;

2. Титания;

3. Глинозем;

4. Прочие оксиды.

Кремнезем— SiO2

Диоксид кремния, или кремнезем, - это нанопорошок, которого в мире производится больше всего, - 40% общего объема производства нанопорошков. Широко используемый в электронике и оптике диоксид кремния также широко применяется в обрабатывающей промышленности как абразив, краска и пластический наполнитель, покрытие и грунтовка для строительных материалов, а также как водоотталкивающее средство.

Титания— TiO2

Диоксид титана, также известный как титания, составляет более 80% всего мирового производства нанопорошков. Используемый в основном в обрабатывающей промышленности для производства красок, защитных покрытий, абразивов и полировки, этот материал играет важную роль в оптике как фотокатализатор и покрытие линз, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Диоксид титана все больше и больше используется в области экологии, например, при очистке сточных вод, в воздушных фильтрах. Кроме того, он применяется при производстве строительных материалов, косметики, пластмасс, печатных красок, стекла и зеркал, а также для уничтожения боеголовок химических ракет.

Кремнезем— Al2O3

Составляя приблизительно 15% годового объема производства нанопорошков в мире, оксид алюминия, или кремнезем, в основном используется в обрабатывающей промышленности как абразив, для струйной очистки, притирки и полировки, особенно в электронике и оптике. Кроме этого, он используется для очистки воздуха, в качестве катализатора, в конструкционной керамике и для производства конденсаторов.

Остальные 21% в основном приходятся на следующие семь нанопорошков – оксиды железа, цинка, церия, циркония, иттрия, меди и магнезию.

Ряд важных нанопорошков производится в меньших количествах.

Оксид неодимия— Nd2O3

Оксид неодимия, используемый исключительно в электронике и оптике, применяется в керамических конденсаторах, в люминофорах для цветных телевизоров, угольно-дуговых электродах, NdFeB магнитах и для вакуумного напыления. Он также находит ограниченное применение в высокотемпературных глазурях и пигментах для стекла.

Оксид европия— Eu2O3

Оксид европия, используемый почти исключительно в электронике и оптике, употребляется в люминофорах для цветных телевизоров и рентгеновских экранов, для вакуумного напыления и в графитовых стержнях в ядерных реакторах.

Оксид диспрозия— Dy2O3

Являясь важным оксидом для электроники и оптики, оксид диспрозия используется для производства дю-стекла, NdFeB магнитов и оптической магнитной памяти, а также в галогеновых и металлических галогенидных лампах. Он также применяется в железо-иттриевом и алюминиево-иттриевом гранате в ядерной энергетике.

Порошки чистых металлов

Почти все твердые металлические элементы выпускаются серийно в виде нанопорошков чистых металлов. Промышленное применение многих из них нуждается в дальнейшем развитии. Затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты значительно выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства лидируют пять нанопорошков – порошки железа, алюминия, меди, никеля и титана.

Драгоценные металлы и кремний производятся в небольших объемах. Их многочисленные способы применения требуют низкой концентрации, однако, по мере того, как расширяется их применение, мировое производство должно вырасти.

Металлическое серебро—Ag

Металлическое серебро находит широкое применение во многих отраслях. С давних времен оно использовалось в электрических контактах и проводящих пастах в электронике. Антибактериальные и антивирусные свойства серебра сделали его привлекательным для использования в косметологии и фармацевтике, а также в текстильной отрасли, в чистящих прокладках, стоматологии и в качестве санитарных покрытий. Экологический сектор проявил заинтересованность в использовании серебряных наночастиц в воздушных фильтрах и в качестве катализатора.

Металлическое золото—Au

Хотя золото составляет лишь небольшую часть общего объема мирового производства нанопорошков в год, оно широко используется в электронике в качестве покрытия проволочных контактов, гальванопокрытий и защиты от инфракрасного излучения. В области энергетики и экологии золото используется в химических элементах и в качестве катализатора. В последнее время золото стало применяться в медицине в качестве маркеров ДНК.

Металлическая платина—Pt

Платина в основном используется в электронике и в качестве катализатора. Она играет важную роль в топливных элементах, деталях автомобилей, переработке нефти, медицине и стекловолокне.

Кремний—Si

Кремний широко используется в электронике в качестве основного компонента полупроводников, микросхем и солнечных элементов. Он также играет важную роль в металлургии как отвердитель железа и сплавов, а также добавка для получения жаропрочности. Кроме того, он используется в керамике, сварочных прутках, пиротехнике, артиллерии, производстве цемента и абразивов.

Смеси и сложные оксиды

Сложные оксиды, такие как сурьмяно-оловянный оксид и индие-оловянный оксид, составляют небольшую долю объема производства. В противоположность оксидам металлов и порошкам чистых металлов, производится небольшое количество сложных оксидов. Смеси более разнообразны, хотя они в высшей степени специализированы и объем их производства крошечный по сравнению с оксидами металлов и порошками чистых металлов.

Сурьмяно-оловянный оксид— Sb2O3/SnO2

Используемый исключительно в электронике и оптике, сурьмяно-оловянный оксид является важным компонентом дисплеев благодаря своему антистатическому эффекту, способности поглощать инфракрасную часть спектра и светопроводимости.

Индие-оловянный оксид—In2O3/SnO2

Как и сурьмяно-оловянный оксид, индие-сурьмяный оксид является важным компонентом современных дисплеев. При всем многообразии его возможных применений этот оксид в основном используется для создания проводимого и прозрачного покрытия.

Нитрид кремния— Si3N4

Нитрид кремния обычно используется в производстве турбин, деталей двигателей, фундамента машин, жаропрочных и теплоизоляционных материалов, а также тепло- и коррозиеустойчивых зажимов.

Титанат бария— BaTi03

Титанат бария является коммерчески значительной наносмесью, используемой в электронике для производства запоминающих устройств, диэлектрических усилителей и сегнетоэлектрической керамики.

Наноалмазы—C

Наноалмазы используются исключительно в обрабатывающей промышленности, обычно для нанесения прочных покрытий на полирующие и режущие инструменты и сверла, а также смазывающих и износостойких покрытий. При добавлении к стали наноалмаз повышает ее сопротивление коррозии. Производство полупроводников потребляет небольшую часть объема произведенных алмазов.

Вольфрамово-кобальтовый карбид —WC/Co

Вольфрамово-кобальтовый карбид широко используется для увеличения срока службы инструментов, особенно металлообрабатывающих и добывающих.

По определению, наночастицы должны иметь диаметр менее 100 нм. Почти половина нанопорошков имеет диаметр менее 30 нм. Девять процентов порошков, относящихся к группе «нано», имеют диаметр более 100 нм. Большинство производителей предлагают порошки диаметром от 5 до 100 нм. При определении цены не столь важен размер частиц, сколько важна чистота и однородность.

Статья приведена в сокращении

Метки: наука