Морозов В.В., Сысоев Э.П. Нанотехнологии в керамике. Часть 2. Нанопленки, нанопокрытия, наномембраны, нанотрубки, наностержни, нанопроволока

Подождите немного. Документ загружается.

На рис. 1.9 – 1.12 приведены фотография частиц Al

, покрытых

нано-SiO

, результаты ИК-спектроскопии с фурье-преобразованием и

зависимость вязкости от рН и содержания твердой фазы.

Рис. 1.10. ИК-спектры α-Al

, золя SiO

и микрокомпозиционного

порошка

Рис. 1.11. Зависимость вязкости от величины рН для шликера из

частиц Al

, покрытых нано-SiO

Рис. 1.12. Зависимость вязкости от содержания в шликере

твердой фазы

В данной работе для получения соответствующих свойств по-

луфабриката особое внимание уделили получению концентрирован-

ной суспензии с низкой вязкостью и высоким содержанием твердой

фазы. По данным просвечивающей электронной микроскопии и ИК-

спектроскопии с фурье-преобразованием установили, что на поверх-

ности частиц Al

после диспергирования Al

в 30,3 масс. % золя SiO

происходило образование нанопокрытия SiO

толщиной 30 – 50 нм и

образование связи Si-O-Al-O. Частицы Al

с нанопокрытием SiO

оп-

тимально диспергировались в суспензии при рН = 9,0 и при вязко-

сти<945 мПа·с. Суспензию с содержанием твердой фазы>76 % полу-

чили за счет электростатических и пространственных эффектов ад-

сорбции отрицательно заряженных коллоидных частиц SiO

. Литьем

гелей, содержащих только 7,7 масс. % мономера (добавки), получили

бездефектные полуфабрикаты с прочностью при изгибе 5,85 МПа при

относительной плотности 62 %.

1.1.6. Получение золь-гель способом

нанокристаллических пористых пленок TiO

и их структура

В Китайском университете Tianjin [7] золь-гель способом на стек-

лянных подложках получили пористые пленки нанокристаллического

TiO

используя в качестве прекурсора Ti(OC

)

и полиэтиленгликоль

(PEG) в качестве органической темплаты. На рис. 1.13 приведена модель

получения коллоида TiO

-PEG.

Рис. 1.13. Схема получения PEG в коллоиде TiO

Результаты термообработки и исследования морфологии поверх-

ности пленок, а также химических и физических изменений, происхо-

дящих при золь-гель процессе, приведены на рис. 1.14 – 1.17.

Рис. 1.14. Результаты сканирующей микроскопии пленок TiO

при различных отношениях

n(H

O)/n[Ti(OC

)

]: а – n(H

O)/n[Ti(OC

)

] = 1; б – n(H

O)/n[Ti(OC

)

] =

= 2; в – n(H

O)/n[Ti(OC

)

] = 3

Рис. 1.15. Результаты сканирующей микроскопии пористых пленок TiO

(550 °С, 1 ч)

при различном содержании PEG и при различных скоростях нагрева: a – без PEG,

2 °C/мин; б – 1,0 г в 100 мл золя, 2 °С/мин; в – 2,0 г в 100 мл золя, 2 °С/мин; г– 4,0 г

в 100 мл золя, 2 °С/мин; д – 4,0 г в 100 мл золя, 2 °С/мин

Рис. 1.16. ИК-спектры коллоидного титана, ксерогеля и порошков

TiO

: 1 – NH(C

OH)

; 2 – коллоид; 3 – ксерогель; 4 – порошки

Рис. 1.17. Результаты рентгеновской дифракции пленки

и порошка TiO

: a – пленка SiO

; б – порошок TiO

а)

б)

Экспериментальные результаты показали, что размер пор на-

нокристаллических пористых пленок составил 50 – 500 нм, при этом

размер пор контролировался количеством PEG и соотношением

n(H

O)/[Ti(OC

)

]. Скорость нагрева оказывала решающее влияние

на получение совершенной пористой структуры.

1.1.7. Механизм роста наноразмерного SiC и устойчивость

к окислению алмазных частиц с покрывным слоем

В научно-исследовательском институте сварки г. Osaka (Япония)

[8] исследовали процесс нанесения покрытия SiC на частицы алмаза.

Схема процесса представлена на рис. 1.18.

Порошки алмаза с размером частиц 20 – 30 мкм через углерод-

ный фетр укладывали в тигле из Al

на порошок SiO и в течение

1 – 90 мин нагревали при 1250 – 1450 °С под давлением 0,03 Па.

Морфологию поверхности алмазных порошков после нанесения на них

покрытия исследовали сканирующей электронной микроскопией, а

толщину слоя SiC и устойчивость покрытия к окислению – термогра-

виметрией и дифференциально-термическим анализом. Результаты оп-

ределений приведены на рис. 1.19 – 1.26.

Нагреватель

Рис. 1.18. Схема получения покрытия SiC на час-

тицах алмаза

Рис. 1.19. Типичные кривые термогравиметрии алмазных

частиц, покрытых SiC

Рис. 1.20. Результаты рентгеновской дифракции алмазных частиц и

алмазных частиц с нанесенным на них покрытием SiC

По полученным результатам разработали модель структуры,

включающей алмазную сферу, покрытую однородным слоем SiC.

Схема модели представлена на рис. 1.21.

Рис. 1.21. Модель алмазной частицы с покрытием

SiC по результатам сканирующей электронной

микроскопии: r

– радиус частицы алмаза; l – тол-

щина слоя SiC

Процесс роста слоя SiC разделялся на две стадии: на первой про-

исходило образование слоя SiC толщиной ~15 нм за счет реакции ме-

жду паром SiO и алмазными частицами; на второй – осаждение нано-

размерных гранул SiC на слое SiC за счет реакции между паром SiO и

CO. Величина кажущейся энергии активации образования слоя SiC на

частицах алмаза составила 100 кДж/моль, что служит доказательст-

вом, что процесс получения покрытия SiC был обусловлен парофазо-

вой реакцией, результат которой приведен на рис. 1.22. На рис. 1.23 пока-

зана зависимость толщины слоя SiC от времени выдержки при различ-

ных температурах.

Слой SiC

Алмаз

2 мкм

Рис. 1.22. Величина кажущейся энергии активации

реакции между алмазом и газообразным SiO

Рис. 1.23. Зависимость толщины покрытия и при-

веса массы от времени выдержки при образова-

нии SiC

Устойчивость к окислению частиц алмаза с нанесенными на них

покрытиями определялась толщиной слоя SiC, при этом окисление час-

тиц алмаза начиналось при 950 °С, что на 400 °С выше, чем у частиц

алмаза без покрытия. На рис. 1.24 приведены результаты сканирую-

щей электронной микроскопии алмазных частиц с покрытием SiC,

обработанных при различном времени выдержки при 1350 °С, а на

рис. 1.25 и 1.26 – зависимости начальной температуры окисления и

изменения массы от времени выдержки.

Рис. 1.24. Микрографии алмазных частиц с покрытием SiC после термо-

обработки при 1350 °С: a – 1 мин; б – 15 мин; в – 30 мин; г – 90 мин

Рис. 1.25. Исходная температура окисления алмазных

частиц с нанесенным на них покрытием SiC

Рис. 1.26. Кривые термографии: a – для алмазных час-

тиц; б – алмазных частиц с покрытием SiC, термо-

обработанных 30 мин на воздухе при 1350 °С; c –

нагретых 90 мин на воздухе при 700 °С

1.1.8. Стабилизация тетрагонального ZrO

в окисляемых нанокомпозиционных покрытиях Zr-Si-N

Во французском институте FEMTO-ST [9] реактивным напыле-

нием композиционных мишеней Zr-Si получили и исследовали рент-

геновской дифракцией, микроспектроскопией и разрядной эмиссион-

ной оптической спектроскопией нанокомпозиционные покрытия Zr-

Si-N. Полученные характеристики окисления покрытия Zr-Si-N сопос-

тавили с результатами окисления покрытия ZrN. Введение Si в коли-

честве 3 – 5 ат. % в покрытие на основе ZrN способствовало началу

окисления при ~100 °С. Структура оксидного слоя сильно зависела от

содержания в пленке Si: в пленках ZrN существовала только моно-

клинная модификация ZrO

; смесь моноклинной и тетрагональной син-

гоний ZrO

была установлена при промежуточной концентрации Si, и

только тетрагональная модификация была обнаружена при высоком

содержании Si. Стабилизация тетрагональной формы рассмотрена с