5. TEKNIK UNTUK SINTESIS DAN KONSOLIDASI NSM
5.6. Konsolidasi nanopowders
5.6.1. Sintering nanopartikel
Gambar. 36. Teknik bergulir.
Banyak upaya yang difokuskan dalam pengembangan metode baru dan perbaikan metode yang sudah ada, untuk membuat fabrikasi nanopartikel lebih dan lebih sederhana, lebih murah dan mudah dikendalikan.
5.6. Konsolidasi nanopowders
Untuk memanfaatkan sifat unik dari bahan nanokristalin massal, serbuk nanometer harus dipadatkan menjadi beberapa bagian dari sifat, geometri, dan ukuran tertentu. proses konsolidasi nanopowder adalah untuk mencapai densifikasi dengan konstruksi mikrostruktur minimal atau transformasi mikrostruktur yang tidak diinginkan. Selain itu, semua spesimen yang padat harus memiliki ukuran yang cukup untuk pengujian akhir yang dapat diandalkan atau produk akhir yang berguna. Upaya untuk memproduksi dan memadatkan nanopowders dimulai pada awal 1968. Upaya ini terkait dengan sintering MgO untuk mencapai perilaku superplastik. Pada tahun 80-an, ketika produksi nanopowder dimulai pada skala yang lebih besar, lebih diarahkan pada pengolahan nanopowder. Namun, densifikasi umumnya menghasilkan partikel kasar, atau ukuran spesimen kecil yang tidak dapat diterima dan ikatan yang tidak mencukupi. Tindakan pencegahan khusus harus dilakukan untuk mengurangi gesekan dan pemanasan antarpartikel; Serta aktivitas partikel untuk meminimalkan bahaya ledakan. Awal tahun 90an lebih menekankan pada pentingnya pengembangan metode pengolahan yang dapat direproduksi untuk pembuatan partikel nano ke bagian yang cukup besar yang mempertahankan fitur nanometer. Inilah yang telah membawa kemajuan signifikan dalam penelitian dan teori nano-sintering yang dapat menghasilkan produksi besar bagian padat dengan ukuran butir nanometer.
Proses densifikasi serbuk konvensional diketahui dengan baik, baik secara teoritis maupun praktis. Namun, densifikasi nanopowders menimbulkan sesuatu tambahan yang signifikan. Perumusan serbuk, reaktivitas tinggi yang menyebabkan kontaminasi, penggumpalan partikel, dan kehilangan sebagian besar nano-fitur, dan ketidakmampuan untuk membuat bagian besar dan padat merupakan salah satu masalah utama. Masalah yang didapatkan akan mempengaruhi semua kualitas produk akhir secara keseluruhan.
5.6.1. Sintering nanopartikel
Secara termodinamika, nanopowder memiliki sifat sangat tidak stabil. Proses sintering ini didorong oleh kecenderungan untuk mengurangi luas permukaan yang terlalu besar per satuan volume. Misalnya, 1 kg partikel bola tembaga 5 nm dalam radius memiliki luas permukaan sekitar 75000 m2, sedangkan jumlah partikel radius 50 mikron yang sama akan memiliki luas permukaan 15 m2. Energi ekstra permukaan dengan radius kelengkungan, R, dapat dihitung sebagai tegangan (σ) dalam persamaan Laplace:
Dimana γ adalah energi permukaan. Dalam Nanomaterials, keadaan sintering ini bisa mencapai nilai yang sangat tinggi. Misalnya, tegangan sintering mungkin sebesar 300 MPa dalam partikel 10 nm dibandingkan hanya 3 MPa untuk partikel 1 μm, jika γ memiliki nilai tipikal 1,5 J / m2.
Biasanya, energi permukaan diasumsikan isotropik. Untuk nanokristal dengan luas permukaan yang signifikan, masalah anisotropi menjadi jauh lebih kritis. Pertama, sinter dimulai pada suhu yang lebih rendah. Dalam kasus ini, efek anisotropi energi permukaan lebih terasa.
55
Langkah pertama konsolidasi bubuk adalah pemadatan nanopowders. Untuk menghasilkan apa yang disebut badan hijau, proses yang berjalan pada suhu yang relatif rendah atau sedang. Sebagian besar kesalahan sintering mungkin terkait dengan struktur mikro badan hijau tersebut. Inhomogeneities dalam densitas, pengepakan, dan ukuran partikel dalam kompak hijau akan membatasi kerapatan sintered terakhir. Contoh seperti itu adalah retak pada keramik pada sintering. Umumnya serbuk nanokristal lebih masuk akal apabila terdapat kesalahan pada compacts hijau dibandingkan serbuk konvensional.
Karena hubungan Hall - Petch antara hasil tegangan dan ukuran partikel, pemadatan partikel nano dengan pendinginan memerlukan tekanan dalam rentang gigapascal. Itu berarti rute pemadatan non konvensional yang baru diperlukan.
Pada skala nano, gesekan mekanis menjadi substansial karena banyak celah antar bagian. Kekuatan ini adalah hasil dari fenomena mekanis, elektrostatik, van der Waals, dan permukaan adsorpsi yang jauh lebih signifikan ketika ukuran partikel menurun hingga nanometer. Gesekan membatasi pergerakan partikel dan susunan ulang yang menyebabkan pembentukan badan warna yang rendah.
Susunan ulang partikel dapat difasilitasi dengan penggunaan pelumas atau air, sering dikombinasikan dengan agitasi ultrasonik atau sentrifugasi untuk mendapatkan kemasan bubuk yang dapat diterima sebelum menekan atau sintering. Baru-baru ini, pemadatan osmotik telah diterapkan pada pemadatan bubuk keramik berdasarkan aksi potensial kimia osmotik. Kepadatan hijau yang sama atau lebih besar dibandingkan dengan aplikasi tekanan fisik telah dicapai tanpa kerusakan mekanis yang mungkin dihasilkan oleh kekuatan eksternal.
Proses sintering dimulai saat bubuk dipanaskan sampai suhu tinggi, biasanya sekitar 2Tmelt / 3. Pada tahap ini, difusi menjadi signifikan. Proses densifikasi terdiri dari ikatan partikel padat atau pembentukan leher diikuti dengan penutupan secara terus menerus dari porositas yang sebagian besar terbuka sampai pada dasarnya merupakan badan. Beberapa mekanisme dilibatkan sepanjang proses sintering, yaitu penguapan kondensasi, difusi permukaan, batas difusi partikel, difusi curah, aliran kental, dan deformasi plastis. Setiap proses transportasi menunjukkan ketergantungan tertentu pada ukuran partikel dan kerapatan. Sensitivitas tertinggi pada ukuran partikel adalah difusi permukaan dan batas partikel. Meskipun mekanisme simultan, model sintering umumnya mengaitkan alat massal yang dominan ke tahap sintering tertentu. Misalnya, difusi permukaan dianggap sebagai mekanisme prinsip selama tahap awal saat acara utama adalah pembentukan leher. Untuk nanopartikel dengan luas permukaan yang berlebihan, permukaan yang sangat melengkung, dan jarak difusi yang berkurang, difusi permukaan diperkirakan akan sangat cepat pada tahap sintering awal. Hubungan umum antara parameter sintering dapat dinyatakan sebagai berikut:
Dimana n adalah konstanta, ρ adalah densitasnya, Q adalah energi aktivasi untuk sintering dan d adalah diameter rata-rata partikel serbuk. N biasanya sekitar 3 dan Q dianggap sama dengan energi aktivasi untuk difusi batas butir.
Idealnya, untuk memulai sintering dengan menghasilkan benda hijau dengan jumlah kontak titik awal yang lebih besar, pori-pori yang lebih kecil dalam kompak padat tinggi, dan distribusi pori-pori yang sama. Itu akan memungkinkan memperpendek waktu sintering dan menggunakan suhu sintering yang lebih rendah. Sintering dari kedua logam dan keramik dimulai pada suhu 0,2 - 0.4Tmelt sementara sintering serbuk konvensional dimulai pada 0,5-0,8 Tmelt,
56
Tabel 4. Pemadatan semua partikel nano pada suhu yang lebih rendah dari pada serbuk konvensional, Tabel 5.
Tabel 4. Permukaan sintering untuk serbuk berbeda.
Tabel 5. Kendali densifikasi serbuk berbeda.
Suhu yang lebih rendah untuk meminimalkan perkembangan partikel agar menghambat ikatan intergranular yang baik, sehingga mengurangi kekuatan mekanik dan keuletan tinggi yang diharapkan. Suhu sintering yang rendah juga dapat mengganggu pengurangan oksida termokimia pada permukaan partikel yang diperlukan untuk ikatan sinter selanjutnya. Upaya terbaru sangat bermanfaat dalam mengatasi beberapa masalah ini (misalnya, Aglomerasi dan kontrol ukuran partikel). Hal ini telah mencapai perbaikan yang bagus dalam metode sintesis nanopowder dan pemahaman tentang proses densifikasi seperti efek dalam nanosintering.
Masalah yang paling umum adalah penghapusan besar yang berasal dari compact hijau. Penghapusan ini memerlukan suhu tinggi pada sintering berikutnya, sehingga mendorong perkembangan partikel-partikel yang tidak diinginkan dan kehilangan ukuran nano yang diinginkan.
Sama seperti persamaan yang diberikan di atas untuk parameter sintering, fraksi pori dapat diperkirakan dengan:
Dimana ρ (t) dan rp (t) adalah kerapatan seketika dan radius masing-masing.
Persamaan ini memperlihatkan bahwa tingkat densifikasi tertinggi terjadi pada ukuran terbaik. Hubungan ini memiliki dua permasalahan. Pertama, ukuran kulit, selain ukuran partikel, harus dikontrol selama sintering. Kinetika sintering cepat dihasilkan dari ukuran kulit halus. Kedua, tingkat densifikasi diperoleh dari ukuran kulit seketika, tidak hanya ukuran awal. Oleh karena itu, untuk menjaga tingkat sintering cepat harus tetap kecil meski pada tahap akhir sintering. Ukuran kulit yang kecil selama proses sintering sangat penting dalam mengendalikan ukuran partikel. tujuan nya agar populasi kecil dan seragam yang diinginkan dalam compact hijau.