Химия твёрдого тела и нанопроцессов

Целью данной работы является рассмотрение методов синтеза твердофазных материалов.

Указанное название для данной синтетической методики можно считать вполне сложившимся в отечественной научной литературе. Оно указывает на то, что это — этап в получении керамики. Одновременно это едва ли не самый распространенный и простой синтетический прием, история его применения насчитывает века. В общих чертах схема керамического синтеза выглядит следующим образом:
приготовление шихты;
обжиг;
измельчение продукта обжига.
Обжиг проводят в разнообразных по конструкции печах. Управление синтезом сводится к рациональному выбору температуры, времени и атмосферы обжига, реже изменению состава шихты и введению специальных примесей исходя из термодинамики и кинетики твердофазных реакций, протекающих в шихте. Теоретические основы термодинамики и кинетики твердофазных реакций, на которые опираются при определении конкретных значений температуры, времени и проч., изложены в предыдущих главах. Естественное желание получить чистый продукт за один обжиг, как правило, реализуется в считанном числе случаев или же требует применения очень высоких температур. По этой причине операции «обжиг—помол» повторяют многократно, «скалывая» с поверхности реагентов тормозящий реакцию слой продукта.
Для ускорения керамического синтеза применяют следующие приемы:
измельчение, смешение;
прессование реакционной смеси (для реакций без выделения газа);
повторение цикла «измельчение—прессование—обжиг»;
устранение стадии образования зародышей в твердофазной реакции (путем добавления в шихту частиц готового продукта);
использование реагентов с повышенной реакционной
способностью создание расплава в реакционной смеси.
К недостаткам керамического синтеза следует отнести его длительность и необходимость воздействия высокой температуры, что предопределяет существенные энергозатраты (несколько десятков, а иногда и сотен мДж/кг продукта); загрязнение реакционной смеси материалом мелющих тел при измельчении; недостаточная химическая однородность конечного продукта, вызванная неполнотой протекания реакции [3].
Указанные недостатки керамического метода привели к широкому распространению различных методов, включающих быструю кристаллизацию в сильнонеравновесных условиях некоторой гомогенной системы (жидкого или твердого раствора) с получением мелкодисперсных (с размером частиц менее 0,1 мкм) твердофазных порошков с высокой степенью химической однородности. Эти порошки могут быть как оксидными, так и солевыми; их последующая термообработка приводит к образованию конечного продукта синтеза при более низких температурах и за более короткое время, чем в случае керамического синтеза [2].

Таким образом, в данной работе были рассмотрены методы синтеза твердофазных материалов.
В первой главе работы кратко рассматриваются основные проблемы при синтезе твердофазных материалов, отмечаются основные особенности методов их синтеза.
Во второй главе работы приведены методы синтеза твердофазных материалов с использованием физических методов гомогенизации исходной смеси, а именно керамический синтез, самораспространяющийся высокотемпературный синтез, синтез с использованием микроволнового нагрева и синтез с использованием ударного сжатия при взрыве. Вышеперечисленные методы синтеза, объединены тем, что смесь исходных реагентов получают в результате чисто механических операций — измельчения, перемешивания. Дальнейшие же превращения реагентов могут быть обусловлены химическими реакциями практически любого типа. А фазовый состав исходной смеси, способ инициирования и режим проведения реакции могут варьироваться в зависимости от конкретной методики.
В третьей главе рассмотрены синтезы с использованием химических методов гомогенизации исходной смеси, а именно соосаждение солевых смесей, кристаллизация солевых твердых растворов, золь-гель метод, распылительная сушка (пиролиз аэрозолей) и сублимационная сушка (криохимическая технология). В основе данных методов синтеза, лежит идея получения исходного химического соединения (обычно солевого твердого раствора, комплексной соли или гидроксокомплекса), в котором атомы основных компонентов расположены в необходимой близости друг к другу.
И, наконец, в четвертой главе кратко рассмотрены методы получения тонких пленок.