Семинар по теме «Аморфные, нано- и микрокристаллические материалы: получение, структура и возможное применение»

ru

Лекция ведущего ученого Сергиенко Руслана на тему «Аморфные, нано- и микрокристаллические материалы: получение, структура и возможное применение»

Аннотация

Аморфные, нано- и микрокристаллические материалы: получение, структура и возможное применение.

Уникальные свойства субмикро- и наноразмерных частиц давно известны и широко используются, например, в катализаторах, присадках к моторным маслам, микроэлектронике и др. Известно, что уменьшение размеров кристаллитов в металлах и сплавах ниже соответствующего порогового значения приводит к значительному изменению их свойств. Такие эффекты имеют место, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, а особенно заметны при размере зерна или частиц менее 10 нм.

Методы получения. Анализ существующих методов получения наночастиц позволяет разделить их на химические, физические. Среди химических методов наибольшее применение получили золь-гель метод, химическое осаждение из паровой фазы и жидких растворов, метод химического осаждения и восстановления солей, термическое разложение (пиролиз), плазмо-химический синтез. Что касается физических методов получения аморфных и нанокристаллических материалов, наноразмерных интерметаллидов, то перспективными методами являются электроискровая обработка металлических гранул в водной и органических средах, распыление электродного материала в плазменном разряде, метод газового и водного распыления жидких металлов (сплавов), а также литье жидких металлов (сплавов) на медный водоохлаждаемый диск. Для получения компактных нано- и микрокристаллических материалов перспективно применение объёмноаморфных сплавов.

Типы материалов и возможное применение. Наночастицы, благодаря своей активной поверхности имеют повышенную способность к интенсивному взаимодействию с окружающей средой. Непокрытые металлические наночастицы окисляются и агломерируют. Покрытие наночастиц инертными материалами, может сохранить их особые свойства и предохранить от окисления. В то же время непокрытые с активной поверхностью частицы могут оказаться эффективными при модифицировании структуры металлов и сплавов.

Методом плазменного разряда в органической жидкости получали нано-, микрокристаллические, а также с аморфной структурой частицы из разных металлических материалов (WC1-x і W2C, Fe3C, χ-Fe2,5C, Co3C, CoCx, Fe38Pt62), которые были покрыты углеродными (графеновыми слоями) — это углеродные нанокапсулы. Этим же методом плазменного разряда в органической жидкости получали полые углеродные оболочки и графитовые нанолисты. Области применения углеродных нанокапсул с магнитными ядрами, полых оболочек и нанолистов следующие:

  1. в средствах записи информации;
  2. для анодного материала в литий-ионных батареях;
  3. в качестве контрастного вещества для магнитно-резонансной томографии;
  4. в ферромагнитных жидкостях;
  5. в магнитной гипертермии;
  6. для направленной доставки лекарственных средств;
  7. прозрачные графитовые нанолисты могут использоваться для изготовления электродов в различных оптоэлектронных устройствах и для изготовления проводящих полимерных нанокомпозитов.

Показано возможное использование полученных металлических наночастиц для модифицирования литейных сплавов при условии, что параметры кристаллических решеток наночастицы и сплава совпадают. Кроме того углеродные нанокапсулы с ядрами карбидов вольфрама могут быть использованы в качестве высокотвердых армирующих фаз в композиционных антифрикционных материалах. Высокая удельная реактивная поверхность наночастиц карбида вольфрама может применяется при катализе, как заменитель благородных металлов (Pt, Pd, Ir). Электрохимические измерения наночастиц карбидов вольфрама, рассеянных в аморфной углеродной матрице, показали прямоугольную форму циклических вольтамперных характеристик, при этом электрическая удельная ёмкость данного материала составляет 92,5 Ф/г. Полученный порошок можно использовать в качестве электродного материала для электролитических суперконденсаторов.

Микрокристаллические модификаторы. Улучшить микроструктуру и механические свойства литейных сплавов можно путем дисперсного упрочнения и модифицирования. Известно, что максимальное дисперсное упрочнение сплавов наблюдается тогда, когда упрочняющая фаза имеет наноразмеры, а максимальный модифицирующий эффект возможен в том случае, когда модификатор и базовый сплав структурно-когерентные (имеют одинаковую кристаллическую структуру и параметры решетки). Способы получения высокоэффективных модификаторов такие:

  • из сплавов в аморфном состоянии, дальнейшая кристаллизация которых обеспечивает получение наноструктурных интерметаллидов;
  • получение быстрозакаленных сплавов (порошков и фибры), что дает возможность получать пересыщенные твердые растворы, распад которых приводит к образованию высокодисперсных включений.

Для разработки перспективных составов модификаторов были выбраны системы сплавов Al-Zr, Al-Cu-Zr, Al-Cu-Ni-Zr, в которых модификатором служит метастабильный интерметаллид Al3Zr с кристаллической структурой близкой к структуре твердого раствора базового сплава. Показаны примеры успешного модифицирования некоторых деформируемых и литейных алюминиевых сплавов разработанным метастабильным интерметаллидом (Al3Zr).