CC BY
126
УДК 621.315: 621.316.8
Г усев А.М.
Г ранулометрический анализ измельченных порошков, на приборе «Analysette 20» с использованием седиментационной колонны.
Аннотация
В статье рассматриваются способы получения нано - порошков. Исследован гранулометрический анализ измельченных порошков, на приборе «Analysette 20» с использованием седиментационной колонны
Ключевые слова: гранулометрический анализ, порог протекания, седиментационные колонны.
Gusev. A.M.
Particle size analysis of milled powders, the instrument «Analysette 20” using a sedimentation column.
Abstract
The article discusses how to obtain nano - powders. Investigated by granulometric analysis of fine powders, the instrument «Analysette 20” using a sedimentation column
Key words: grain size analysis, the percolation threshold, the sedimentation column.
При изготовлении керметных толстопленочных резисторов используются материалы заданного состава с контролируемым содержанием примесей и легирующих добавок.
Вышеизложенным методом производился помол стекол С-56, С-67, С-71К, С-72, С-78, С-СП-2 в мельнице FRITSCH в четырех режимах 4, 6, 8 и 10 часов. После помола порошки тщательно просушивались.
Гранулометрический анализ измельченных порошков производится, на приборе «Analysette 20» с использованием седиментационной колонны.
Расчет результатов проводился разработанным программным продуктом Sediment, внешний вид оболочки которого представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 - Внешний вид программы обработки результатов.
В главное окно программы вводились следующие исходные данные:
- вязкость жидкости, Па* с;
- плотность жидкости, кг/м ;
з
- плотность образца, кг/м ;
- высота суспензии в кювете, мм;
- время измерения, мин.
Полученные результаты представлены в виде графиков (рисунки 2- 3)
Рисунок 2 - Седиментационная кривая осаждения порошка С-56 после 6 часов помола.
Рисунок 3. - Седиментационная кривая осаждения порошка С-67 после 6 часов помола.
Используются системы формирования коллимированных пучков параллельных световых лучей, осложняющих техническую реализацию способа. Стремление к созданию очень узких пучков одновременно
повышает влияние на результаты измерений флюктуаций в суспензии, искажающих стоксову картину гравитационного осаждения.
Целесообразно, чтобы предварительно устанавливали высота суспензии в кювете Н, обеспечивающую погрешность Av / v меньше требуемой, в режиме сканирования поступательно перемещали пучок света вверх в направлении свободной поверхности суспензии с паузами вплоть до достижения глубины просвечивания, обеспечивающей требуемую погрешность и находили плотность распределения частиц порошка по их радиусам v (г) и плотность распределения массы порошка по радиусам его частиц р(г) для каждого дискретного значения глубины просвечивания.
При пошаговом сканировании учитывают уменьшение высота суспензии в кювете, определяемое числом шагов, производя усреднение измеряемой оптической плотности между двумя последовательными паузами.
Достоинством предлагаемого способа является непосредственное определение дифференциальных распределений частиц в анализируемой пробе порошка и ее массы по размерам частиц, исключая традиционные промежуточные две стадии: непосредственное определение интегральных характеристик и последующий дифференциальный анализ. Время проведения измерений минимально, оно в 2-50 раз меньше относительно известных способов[1].
В предлагаемом способе не предъявляется строгое требование к размерам поперечного сечения пучка света. Это позволяет уже в одном цикле измерений существенно снизить влияние различных флуктуаций в суспензии на точность измерения и расширить диапазон исследуемых частиц за счет пространственного усреднения эффектов рассеяния, поскольку засвечивается достаточно большой объем суспензии.
Анализ полученных экспериментальных данных показывает, что помол порошка стекла марок С-56, С-67, С-71 К, С-72, С-78, С-СП-2 от 4 до 8 часов позволяет уменьшить средний размер частиц от 3 до 1,5 мкм.
Дальнейший помол в течение 2-х часов не приводит к уменьшению средних размеров частиц стекла. Из этих результатов можно сделать вывод, что оптимальное время помола стеклофазы С-56, С-67, С-71К, С-72, С-78, С-СП-2 составляет 6 часов. Гранулометрический анализ порошков проводящей фазы показал, что средний размер частиц проводящей фазы для порошка С-67 составляет 0,3 мкм, а для порошка С-СП-2 - 0,5 мкм.
Среди многочисленных факторов, влияющих на концентрационные зависимости керметных композиций, является дисперсность исходных порошков композиции или соотношение размеров их частиц. При этом в зависимости от размеров частиц проводящей фазы и стекла смещается как порог протекания, так и изменяется крутизна концентрационных зависимостей сопротивления[2].
В таблице 1 приведены данные по гранулометрическому составу порошка С-СП-2 рутения в зависимости от температуры разложения Яи(ОН)4.
С использованием полученных порошков были изготовлены композиции и построены их концентрационные зависимости. Из представленных данных видно, что с увеличением дисперсности проводящей фазы при равных соотношениях проводящей фазы и стекла происходит снижение величины удельного сопротивления, особенно значительное в области малых концентраций проводящей фазы. В процессе исследований резистивных слоев, изготовленных из порошков рутения с размером частиц 0,02 мкм, не удалось изготовить монолитные пленки: структура резистивного слоя является рыхлой и не выдерживает механических воздействий. Кроме того, из этих порошков не удается надежно изготавливать слои с величиной удельного поверхностного сопротивления более 10 Ом/м . Порог протекания для исследованных композиций изменяется от 2,5 до 12,5 % с увеличением размера частиц от 0,02 до 0,5 мкм. Оптимальное сочетание свойств обеспечивается в композиции с размерами частиц диоксида рутения 0,16 мкм. При этом перекрывается диапазон удельных сопротивлений от 10 до 5 106 Ом/м2.
Таблица 1 - Химический состав стекла марки С-СП-2
Наименование компонентов Хим.формула Количество,мае.%
Оксид висмута ВІ2О3 67,5 ± 1,0
Оксид кремния PbO 18,4 ± 0,5
Оксид свинца ZnO 8,8 ±0,3
Оксид цинка CaO 3,5 ±0,2
Оксид кальция 1,8 ±0,2
Физико-химические характеристики стекла марки С-СП-2 должны соответствовать
данным, приведенным в таблице 2
Таблица 2 - Физико-химические характеристики стекла марки С-СП-2
Физ.-хим. характеристики Значения характеристик Методы контроля
Внешний вид Прозрачные пластинки цвета от темножелтого до светлокоричневого Визуально
Термический коэффициент ГОСТ 10978-83
линейного расширения (ТКГР) 10" ОСТ 11027.006. 83.
7град-1 при (100 -300)°С 100± 5
Температура стеклования, °С ~ 475
Температура начала деформации,°С. ~513
Удельное объемное электрическое сопротивление, 0м*м при: не менее 1020
20°С,
200°С, не менее 1011
300°С. не менее 109
Диэлектрическая проницаемость при ОСТ 11027.006.83
частоте 1 МГц и температуре:
20°С, не менее 22
200°С, не менее 24
300°С . не менее 25
* Температура стеклования и температура начала деформации являются
справочными величинами и определяются геометрическим гостроением по дилатометрической кривой.
Также исследовалось влияние размеров частиц RuO2 и РЬ2Яи206 на концентрационные зависимости и температурный коэффициент сопротивления (ТКС). Было исследовано 7 партий проводящих фаз, изготовленных из разных исходных материалов, сформированных при различных температурных режимах (таблица 2).
Из каждой партии материалов были изготовлены композиции с различным соотношением проводящей фазы и стекла. В качестве
стеклосвязки использовалось свинцово-боро-силикатное стекло следующего состава (мол. %): РЬО - 42; SiO2 - 46; В20з - 9; и А1203 - 3.
Изготовленные методом трафаретной печати композиции обжигались при температурах 550° С в течение 10 мин и 750° С в течение 15 мин. На сформированных образцах измерялся ТКС в диапазоне от +20 до +160° С. Как показали исследования, образцы С, D, G имеют минимальные температурные коэффициенты сопротивления по сравнению с другими образцами. Для этих образцов удельная поверхность порошков значительно больше других. На рисунке 2.3.8 представлены концентрационные зависимости ТКС для образцов, обожженных при температуре 550° С в течение 15 мин. Подобные зависимости были получены и для температуры обжига 750° С в течение 10 мин[3].
Можно сделать вывод о необходимости использования более высокодисперсных порошков. Однако для данных композиций не приводятся концентрационные зависимости сопротивления, не указывается механическая прочность полученных пленок. Кроме того, учитывая данные высокотемпературной резисторометрии, используемые в работе режимы температурной обработки являются недостаточными для протекания всех стадий формирования структуры. Кроме этого оценка температурного коэффициента по двум температурам не в полной мере характеризует изменение сопротивления в рабочем диапазоне температур.
Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Исследование научно-методологических и материаловедческих основ нанокомпозиционных резисторных структур и создание суперминиатюрных чип-резисторов и самовосстанавливающихся предохранителей на фазовом переходе первого рода» (ГК № 716П от 20 мая 2010 г.) ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)»
Библиографический список
1. Недорезов В.Г. Технология керметных резистивных структур и компоненты на их основе (монография). - изд. ПГУ г. Пенза, 2005, 220с.
2. Недорезов В.Г., Шульгин Е.И. Предельно достижимые значения температурного коэффициента сопротивления керметных резисторов // Электронная техника. Сер. 6, Материалы. - 1987. - Вып. 8. - C. 36-39.
3. Гусев А.И. Нанометриалы, наноструктуры, нанотехнологии. - М: ФИЗМТЛИТ, 2005. - 416 с.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Гусев Александр Михайлович аспирант каф. "Технический сервис" ГОУ ВПО РГУИТП 440026, г. Пенза, ул. Красная/Чкалова 38/53, тел. (8-8412) 562-321, e-mail:[email protected].
