Инновационные технологии и научные основы создания микро- и наноматериалов

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение 
высшего образования 

«Томский государственный архитектурно-строительный университет» 

 
 
 
 

 
 
 
 
 
 

ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ  
И НАУЧНЫЕ ОСНОВЫ СОЗДАНИЯ  
МИКРО- И НАНОМАТЕРИАЛОВ 

 
 
 
 
 

 
 
 

 
 
 
 
 
 

Томск 

Издательство ТГАСУ 

2021 

Авторы: 
В.А. 
Власов, 
Г.Г. 
Волокитин, 
Н.К. 
Скрипникова, 
О.Г. Волокитин, Ю.В. Соловьева, В.А. Старенченко, А.В. Мостовщиков, 
В.В. Шеховцов, П.В. Космачев, А.Н. Соловьев, М.В. Геттингер 
 
УДК 666.263.2:533.9
ББК
38.3
И66
 

Инновационные технологии и научные основы создания 
микро- и наноматериалов : монография / В.А. Власов, Г.Г. Волокитин, 
Н.К. Скрипникова, О.Г. Волокитин, Ю.В. Соловьева, В.А. Старенченко, 
А.В. Мостовщиков, В.В. Шеховцов, П.В. Космачев, А.Н. Соловьев, 
М.В. Геттингер. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2021. – 
120 с. – Текст : непосредственный. 

ISBN 978-5-93057-982-6 
 
В монографии представлены результаты исследований, необходимых для научного обоснования, разработки и внедрения в строительную отрасль технологий создания 
микро- и наноматериалов. Актуальность таких исследований обусловлена отсутствием 
теоретических и технологических предпосылок по оптимизации производственных процессов выпуска различного класса конструкционных материалов, а также отсутствием 
достоверных данных о специфике процессов, протекающих при взаимодействии конденсированной фазы с высокоэнергетическими источниками для создания микро- 
и наноматериалов. Приведенные результаты соответствуют всем требованиям современного физического материаловедения. 

Предназначена для студентов, магистрантов, аспирантов и специалистов, занятых в области создания микро- и наноматериалов. 

УДК 666.263.2:533.9
ББК 38.3

 
 
 

Рецензенты: 
докт. техн. наук, профессор кафедры «Технология силикатов и наноматериалов» НИ ТПУ В.И. Верещагин; 
докт. техн. наук, профессор ТГАСУ, директор НИИ СМ ТГАСУ 
Н.О. Копаница. 

 

ISBN 978-5-93057-982-6
© Томский государственный
   архитектурно-строительный 
   университет, 2021 
© Власов В.А., Волокитин Г.Г., 
   Скрипникова Н.К., Волокитин О.Г., 
   Соловьева Ю.В., Старенченко В.А., 
   Мостовщиков А.В., Шеховцов В.В., 
   Космачев П.В., Соловьев А.Н., 

Геттингер М.В., 2021

И66

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ..................................................................................................... 5 
1. Исследование процессов, протекающих при плазменной 
переработке высококремнеземистых материалов ............................. 7 

1.1. Плазменные процессы при получении нанопорошков ................ 7 
1.2. Основные технологические режимы плазменной установки  
для получения нанопорошка диоксида кремния ............................... 14 
1.3. Фазовые изменения при плазменном воздействии на 
кремнеземистое сырье ......................................................................... 19 
1.4. Изменение связей в кремнеземе при плазменном  
воздействии ........................................................................................... 24 
1.5. Изменение элементного состава .................................................. 28 
1.6. Исследование структурно-морфологических  
характеристик нанопорошка диоксида кремния ............................... 33 
1.7. Сравнение нанопорошков диоксида кремния, полученных 
плазменно-дуговым методом, с аналогами ........................................ 39 

2. Влияние подвижности дислокаций на субструктурные 
превращения в ГЦК-монокристаллах в процессе  
пластической деформации .................................................................... 42 

2.1. Материал и методы исследования ............................................... 44 
2.2. Деформационное упрочнение и эволюция субструктур 
монокристаллов твердого раствора Cu-12ат.%Al ............................. 44 
2.2.1. Кривая деформации и стадии деформации .............................. 45 
2.2.2. Дислокационная структура ....................................................... 46 
2.2.3. Зависимость параметров дефектной структуры  
от степени деформации и деформирующих напряжений ................ 49 
2.3. Деформационное упрочнение и эволюция субструктур 
монокристаллов чистого Ni ................................................................. 55 
2.4. Термическое упрочнение и эволюция субструктур 
монокристаллов NI3GE ........................................................................ 59 
2.4.1. Кривая деформации. Отсутствие стадийности ........................ 59 
2.4.2. Влияние температуры на дислокационные структуры. 
Условия возникновения суперлокализации и локальных 
субструктурных превращений ............................................................ 62 

2.5. Сравнительный анализ субструктурных превращений 
в монокристаллах Ni, Cu-12ат.%Al и Ni3Ge с осью 
сжатия [001], деформированных при комнатной температуре........ 65

3. Применение импульсного СВЧ-воздействия 
для модифицирования порошков алюминия.................................... 72

3.1. О воздействии СВЧ-излучения на твёрдое тело......................... 73
3.2. Характеристики дисперсного алюминия после 
воздействия СВЧ-излучения ............................................................... 78
3.3. Оценка пороговой длительности СВЧ-импульса, 
взаимодействующего с дисперсным алюминием 
по нетепловому механизму ................................................................. 84
3.4. Физико-химический механизм воздействия 
СВЧ-излучения на порошки алюминия ............................................. 90
3.5. Восстановление алюминия в оксидной оболочке 
наночастицы под действием высокоэнергетического
излучения ............................................................................................. 96
3.6. Энергетическая диаграмма существования 
метастабильного состояния................................................................. 98
3.6.1. Применение для синтеза керамических материалов............. 100
3.6.2. Применение для синтеза нитрида алюминия ........................ 106

Заключение............................................................................................ 110
Библиографический список ............................................................... 111

ВВЕДЕНИЕ 

На сегодняшний день в области плазменных технологий широко 
развиты плазмохимические методы получения нанопорошков из химических реактивов. Существующие лидирующие (промышленные) способы производства нанопорошка диоксида кремния также имеют необходимость применения специального химического сырья (металлоорганических прекурсоров или галогенидов), что сказывается на экономике 
производства и его экологичности. В то же время на территории России 
находятся сотни тысяч тонн дешевых кремнеземсодержащих сырьевых 
материалов, пригодных для создания на их основе очень востребованного как в строительной, так и в ряде других отраслей промышленности 
нанопорошка диоксида кремния. 

Использование энергии плазмы электродугового разряда позволяет добиться высоких температур (3000–5000 K), что делает возможным максимально интенсифицировать физические процессы воздействия на тугоплавкие сырьевые материалы. При этом существующие 
методы, способные перерабатывать такое сырье, имеют свои недостатки: механическое измельчение ограничено пределом размалываемости в 100–500 нм, длительность процесса составляет десятки часов; 
лазерные и электронно-лучевые методы испарения предполагают использование сложного дорогостоящего оборудования, проблемы масштабирования производства. В монографии представлены результаты 
исследований изменения фазовых процессов, протекающих во время 
получения нанопорошка диоксида кремния. Определены оптимальные 
режимы работы плазменной установки при получении наночастиц диоксида кремния из различных видов сырья. 

Одним из активно развивающихся направлений современного материаловедения является разработка металлических материалов с ультрамелкозернистой структурой. Установлено, что измельчение зерна до субмикрокристаллического или нанокристаллического размера позволяет 
в значительной мере улучшить прочностные характеристики материалов 
одновременно с их пластическими свойствами. Особое место в методиках получения таких структурных состояний занимают различные методы интенсивной пластической деформации, такие как многократное 

Инновационные технологии создания микро- и наноматериалов 

6 

сжатие и прессование, прокатка, гидроэкструзия и др. Выяснение физических механизмов формирования ультрамелкозернистых структур 
в процессе пластической деформации является необходимым условием 
создания новых металлических материалов. В настоящей работе представлены результаты исследования, целью которого является установление различий между закономерностями формирования и эволюции 
субструктур деформации, формирующихся в ГЦК-монокристаллах чистых металлов и сплавов с существенно разной подвижностью и строением индивидуального носителя пластической деформации – дислокации. Субструктурные превращения, происходящие на начальных 
и средних стадиях пластической деформации, предваряют процессы 
формирования ультрамелкозернистой структуры и могут являться существенным фактором, определяющим её свойства. 

Обработка материалов с помощью низкотемпературной СВЧплазмы, а также электромагнитного излучения СВЧ-диапазона вообще 
является передовым научным направлением высокоэнергетического 
воздействия на материалы с целью улучшения их свойств, а также получения новых материалов. В частности, новым развивающимся направлением является применение короткоимпульсного СВЧ-излучения 
для модифицирования порошков металлов и их оксидов. В монографии 
представлены результаты исследования влияния короткоимпульсного 
СВЧ-излучения на физико-химические свойства микро- и нанопорошков металлов на примере порошков алюминия. Обнаруженные эффекты имеют значительное практическое применение: порошкам металлов свойственно окисляться при длительном хранении и терять свои 
эксплуатационные характеристики. Применение разработанного метода позволит частично регенерировать свойства порошков металлов 
после их длительного хранения, а также улучшить функциональные 
свойства свежих микро- и нанопорошков металлов. 

 

1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ,  
ПРОТЕКАЮЩИХ ПРИ ПЛАЗМЕННОЙ ПЕРЕРАБОТКЕ  
ВЫСОКОКРЕМНЕЗЕМИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ∗ 

Для успешной реализации технологии получения нанопорошка 
важно понимать физические процессы, лежащие в основе рассматриваемого плазменного метода. В первую очередь необходимо иметь представление о механизме испарения кремнеземистых материалов с последующей конденсацией в плазменном реакторе, контролировать химический состав материалов в диапазоне используемых температур, 
а также оценивать фазовые превращения диоксида кремния. 

Несмотря на определенную распространенность плазменных процессов в наше время, способы управления ими и пути регулирования свойств 
получаемых веществ изучены еще очень слабо. 

С удорожанием и усложнением экспериментальных исследований, а также развитием аппарата моделирования все больший упор делается на аналитические методы и численный расчет плазменных процессов. Здесь большую роль играют термодинамические методы исследования, позволяющие устанавливать основные закономерности протекания 
реакций и тем самым намечать пути интенсификации производственных 
процессов. При этом во многих исследованиях электродуговых плазменных процессов по-прежнему преобладают экспериментальные методы 
ввиду сложности построения точной теоретической модели [1]. 

Таким образом, особое внимание стоит уделить исследованию 
плазменных процессов от этапа моделирования переработки сырья 
и изучения эмпирических характеристик плазменной установки до подробного изучения полученных нанопорошков в сравнении с исходными сырьевыми материалами. 

 
 
1.1. Плазменные процессы при получении нанопорошков 

В основе процесса получения нанопорошков диоксида кремния лежит испарение кремнеземистого материала из расплава под действием 
                                                 
∗ Работа выполнена при поддержке государственного задания Министерства науки 
и высшего образования РФ FEMN-2020-0004. 

Инновационные технологии создания микро- и наноматериалов 

8 

плазмы и последующая его конденсация из газовой фазы в виде нанодисперсного порошка SiO2. Механизм процесса испарения состоит в вылете 
за пределы твердого вещества наиболее «быстрых» атомно-ионных частиц, кинетическая энергия которых обеспечивает преодоление сил притяжения остальных частиц вещества. 

Плавление и испарение – эндотермические процессы. При подводе 
энергии (нагрев плазменным излучением) происходит разрыв межмолекулярных связей. В качестве теплоносителя в исследуемом методе применяется воздух, что позволяет получать температуру (3–5)103 K, которой достаточно для плавления и испарения тугоплавких материалов. 

Наночастицы формируются при конденсации газовой фазы 
в охлаждаемой части аппаратуры, а также за счет возникновения зародышей при флуктуациях плотности (конденсация в объеме). Большую 
роль при получении нанопорошков играет процесс закалки – быстрого 
охлаждения газовой фазы. Он приводит к интенсивному росту зародышей и препятствует процессу слипания растущих частиц. При этом возникают ван-дер-ваальсовы связи между отдельными молекулами вещества с выделением энергии, которую отводят непосредственным контактом его с охлаждаемой твердой поверхностью. Кроме того, при 
переработке твердого сырья более крупные частицы с размерами от 100 
до 300 нм могут образовываться при гетерогенном взаимодействии 
твердых частиц и жидких капель того же вещества. 

Для подробного исследования процессов, протекающих при переработке твердофазных природных высококремнеземистых материалов 
в плазменном реакторе при атмосферном давлении, было проведено термодинамическое моделирование с применением универсальной программы TERRA, предназначенной для расчета многокомпонентных гетерогенных систем [2]. Программа термодинамических расчетов TERRA 
базируется на принципе максимума энтропии для изолированных термодинамических систем, находящихся в состоянии равновесия, она обладает собственной базой термодинамических свойств индивидуальных 
веществ. В базе данных содержатся термодинамические функции для 
3500 индивидуальных веществ в интервале температур 300–6000 K. 
В качестве исходных данных для моделирования плазменного процесса 
задавался интервал температур 300–5000 K, атмосферное давление 
0,1 МПа и химический состав используемого сырья при соотношении: 
10 % – сырье, 90 % – воздушный теплоноситель. 

1. Исследование процессов, протекающих при переработке материалов 

9 

Результаты расчета равновесного состава получаются в виде матрицы основных параметров состояния термодинамической системы, содержания компонентов, соответствующих одному из равновесных состояний, заданных температурой и давлением. На их основе для каждого из 
видов сырья построены графики зависимостей массового содержания 
образующихся конденсированных и газообразных фаз от температуры 
в диапазоне 300–5000 K (рис. 1.1–1.3). Значения массовых долей компонентов представлены в логарифмических координатах для наглядности. 

 

 

 

 

 
Рис. 1.1. Зависимости равновесных составов от температуры при переработке кварцита: 
а – конденсированные фазы; б – газообразные фазы 

а

б

Инновационные технологии создания микро- и наноматериалов 

10 

 

 

 
 

 

 
Рис. 1.2. Зависимости равновесных составов от температуры при переработке обогащенного кварцевого песка: 
а – конденсированные фазы; б – газообразные фазы 

б

а

1

0,1

0,01

0,001

0,0001

0
1000
2000
3000
4000
5000