Fracture at the Nanoscale and the Limit of Grinding

Autor(en): Knieke, Catharina Erlangen-Nürnberg, 18. April 2012 Seiten: 190 Auflage: 1 Aufl. Sprache: EN ISBN-10: 3954040859 ISBN-13: 9783954040858 Zugeordnete Fachbereiche: Chemie | Geowissenschaften | Maschinenbau-und Verfahrenstechnik Kategorie: Dissertation Bezugsmöglichkeiten Print Version 30,25 € In den Warenkorb eBook (4507.6 kB) 30,25 € In den Warenkorb

Kurzbeschreibung

Neben chemischen Synthesemethoden können Nanopartikeln heutzutage auch über Top-down Prozesse in Rührwerkskugelmühlen hergestellt werden. Dabei stellt ihre Stabilisierung gegen Agglomeration ein wichtiges Kriterium dar, um Nanopartikelsuspensionen mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten. Während in den letzten Jahren Stabilisierungsmöglichkeiten Gegenstand der Forschung waren, ist das Bruchverhalten von Nanopartikeln bis heute nicht verstanden. Es existiert eine Diskrepanz zwischen dem vorherrschenden Stand der Technik, dass keine Zerkleinerung unterhalb des Spröd-Duktil- Übergangs möglich ist, der für keramische Partikeln im Bereich von weinigen μm liegt, und experimentell erreichten Partikelgrößen im Nanometerbereich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher Langzeitzerkleinerungsversuche mit verschiedenen Materialien durchgeführt, um das Bruchverhalten im Nanometerbereich zu untersuchen. Mit Hilfe von XRD und TEM Analytik konnte die Entwicklung der inneren Mikrostruktur der Partikeln während der Zerkleinerung verfolgt werden. Ein Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und Bruchfähigkeit wird nachgewiesen. Zusätzlich wird gezeigt, dass eine untere Zerkleinerungsgrenze existiert und wie diese Grenze von Prozess- und Umgebungsbedingungen abhängt. Eine physikalische Erklärung der Zerkleinerungsgrenze liegt in der Veränderung der Defektstruktur unterhalb einer kritischen Korngröße begründet.
Neben dem Bruchverhalten von spröden Keramiken, wird auch die Zerkleinerungsfähigkeit von Graphit als ein typisches Schichtmaterial untersucht. Die starke Anisotropie in den Bindungskräften resultiert in einer selektiven Zerkleinerung während des Mahlvorgangs. Eine Anpassung der Prozessbedingungen in einer Weise, dass die anziehenden van der Waals Kräfte zwischen den Graphen-Lagen überwunden werden, ohne die Schichten selbst zu brechen, erlaubt die Herstellung von dünnsten Flakes mit hohem Aspektverhältnis in einem Delaminierungs-Prozess. Verschiedene Analysetechniken wie AFM, Raman Spektroskopie, TEM oder XPS werden zur Charakterisierung der Schichten eingesetzt. Zudem werden in dieser Arbeit Informationen über die Ausbeute an delaminierten Schichten gegeben und erste Anwendungsbeispiele vorgestellt.

Description

Besides chemical synthesis routes, nanoparticles can be produced in top-down processes nowadays. Stirred media mills are commonly used to break particles down to the nanometer range. Thereby, their stabilization against agglomeration plays a major role to obtain nanoparticle suspensions with the desired properties. Whereas different stabilization methods have been a subject of much research in the last few years, the breakage behavior of nanoparticles is not well understood for the time being. A discrepancy exists between the common state of the art that particles cannot be comminuted below the brittle-to-ductile transition size, which is in the range of a few µm for ceramic particles, and the experimental findings of particles sizes in the nanometer range. In this work, long term grinding experiments of different oxide and non-oxide inorganic materials were carried out to investigate the breakage behavior in the nanometer range. By means of X-ray diffraction analysis and TEM investigations, the evolution of the internal microstructure of the particles was followed during the grinding treatment. A strong correlation between the microstructure and the fracture ability was found. In addition, the existence of a true grinding limit, where no further fracture takes place, and the influence of process and environmental conditions was demonstrated. A physical explanation of the grinding limit originates from changes in the defect structure below a critical crystallite size.
Besides the breakage behavior of brittle ceramics, the grindability of graphite particles as a typical layered material was also investigated. The strong anisotropy of the bond forces in the crystal results in a selective size reduction during the grinding process. By adjusting the process conditions in a way that the acting forces overcome the attractive van der Waals forces between the graphene sheets without breaking them, the production of thinnest flakes with high aspect ratios is allowed. The size reduction was realized as a kind of peeling process. Various analysis techniques such as AFM, Raman spectroscopy, TEM or XPS were employed to characterize the delaminated sheets, especially to determine the exact number of layers. Furthermore, information about the yield of delaminated sheets was given and first examples of application are presented.