Особенности структурообразования аморфно-нанокристаллического высокотвердого композита инструментального назначения на основе наноуглерода, полученного при термобарической обработке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности структурообразования аморфно-нанокристаллического высокотвердого композита инструментального назначения на основе наноуглерода, полученного при термобарической обработке

Куис Д.В.,

Окатова Г.П.,

Свидунович Н.А.,

Рудак П.В.

Урбанович В.С.

Ойченко В.М.

В настоящее время происходит бурное развитие исследований и разработок в области наноматериалов и нанотехнологий - стратегически важной области исследований в развитых странах, с которыми связывается новая научно-техническая революция. Эти исследования являются междисциплинарными, на стыке физики, химии, биологии, медицины и материаловедения и требуют нового приборного оснащения для диагностики, чистых помещений, новых организационных подходов.

Наряду с созданием новой техники и новых технологий, благодаря более полному изучению процессов, происходящих на атомно-молекулярном уровне, открываются новые перспективы развития для всех отраслей народного хозяйства, в том числе медицинской, пищевой, парфюмерной, автомобильной, электронной и др.

Композиционные материалы приобретают принципиально новые качества, если они построены на основе наноструктурированных «строительных блоков». У них значительно изменяются механические, магнитные и оптические свойства. Так, известно, что у таких композитов сильно увеличивается твердость и прочность, а с другой стороны, возможно увеличение их эластичности и суперпластичности.

В последнее десятилетие авторами проводились работы в направлении поиска путей создания композитного материала на основе Fe - C инструментального назначения с использованием наноуглеродных добавок и нанотехнологий. В работе изучалась возможность замены дорогостоящих фуллеренов, используемых рядом авторов, на более дешевые наноуглеродные материалы.

Ранее нами было показано, что в условиях высоких давлений - 4-5 ГПа и температур - 950-1200°С образование сверхтвердой алмазоподобной углеродной фазы серого цвета в Fe-C нанокомпозите происходит не только из фуллеренов, но и из других, более дешевых нанодисперсных углеродных материалов - фуллеренсодержащей сажи, многостенных нанотрубок, фуллереновой черни [1]. В основе идеи о возможности замены фуллеренов на другие наноуглеродные материалы явилось предположение о ведущем влиянии на образование «сверхупругих и твердых углеродных частиц» дисперсности исходного углеродного наноматериала.

Изучение механизма структурообразования сверхтвердой фазы в композите с нанодисперсным углеродом необходимо для научно обоснованного управления процессом создания новых материалов этого класса.

Спеканием под высоким давлением 4 ГПа фуллереновой сажи после исчерпывающей экстракции из нее фуллеренов с добавлением 10% Fe получены образцы углеродного нанокомпозита с включениями сверхтвердой фазы (рис.1). Микротвердость включений сверхтвердой фазы (рис.1б) - до 107 ГПа, фазы-основы до 14.6 ГПа, частиц на основе Fe - 9, 2..10, 8 ГПа. Нанокомпозит имеет удельный вес 2.14…2.18 г/см³ и характерный стекловидный излом 2.

а б

Рис. 1 Микроструктура нанокомпозита состава 90% С - экстрагированной фуллереновой сажи + 10 % Fe: а - общий вид, б - сверхтвердая частица фазы с рельефом "зигзаг крапчатый", Н~107 ГПа; а - х50, б - х1000

Методами световой и сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифракции и микрорентгеноспектрального анализа установлено, что полученный композиционный материал на ~90% представляет собой сплошную углеродную фазу с аморфной составляющей и нанокристаллитами различной морфологии и степени дисперсности (1.5…14.5 nm), а также содержит включения дисперсных частиц карбидов Fe.

Вид связующей серой фазы "основа" в изломе (СЭМ) (рис. 2 а) почти гладкий, характерный для стеклообразного полностью аморфного, не кристалличного углерода, дифракция рентгеновских лучей которого показывает только "аморфное гало".

аб

Рис. 2 Поверхность образца композита C-10%Fe в изломе (СЭМ): а, б (по стр.2) - серая фаза "основа", гладкая стеклообразная, б - сверхтвердая частица фазы с "глобулярным" рельефом (по стр.1)

Поверхность частиц серой фазы с "глобулярным" рельефом с повышением разрешения оказывается в свою очередь состоящей из более мелких "глобул", спаянных между собой (рис. 3 б); элементный микрорентгеноспектральный анализ показал, что сверхтвердые частицы с "глобулярным" рельефом состоят из углерода - С (рис. 3в).

карбонильный железо углеродный композиционный

а б в

Рис. 3 Поверхность супертвердой частицы с "глобулярным" рельефом в изломе образца C-10%Fe, СЭМ (а, б), результаты EDX анализа (в) с площади изображения на рис. а.

Серая фаза "основа" - состоит из углерода с включениями Fe от 1, 8 до 7-10 масс.% (рис. 4 а), что близко к заложенному в шихту количеству - 10% Fe, распределено Fe достаточно равномерно в виде дисперсных частиц различного размера (рис. 4 б).

а б

Рис. 4 Поверхность серой фазы "основа" в изломе образца C-10%Fe (а), результаты EDX анализа (б) при сканировании по линии изображения (на рис. а, по стрелке 1).

Сложный дифракционный профиль нанокомпозита С+10%Fe в интервале углов 2??19…31° содержит несколько наложенных рентгеновских линий с широкими, размытыми пиками - "аморфные гало" (рис. 5 линии 2, 3); пик линии 1 соответствует нанокристаллическому состоянию; таким образом, структура углеродного нанокомпозита С+10%Fe является рентгеноаморфнонанокристаллической.

Рис. 5 Дифрактограмма нанокомпозита С-10%Fe с разложением профиля на синглеты 1, 2, 3.

Для исследования тонкой структуры нанокомпозита, уточнения фазового состава и степени разупорядочения кристаллической структуры были использованы методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), электронографии в ПЭМ высокого разрешения JEM2100, фирмы JEOL, Япония и Рамановской спектроскопии на спектрометре комбинационного рассеяния RAMANOR U-1000, фирмы Jobyn Yvon Instruments S. A. Inc., Франция.

При сквозном просвечивании в ПЭМ в нанокомпозите наблюдаются области нанокристаллического строения и бесструктурные участки (рис.6а); картина дифракции с бесструктурного участка (рис. 6 б) представляет собой два размытых кольца Лауэ, соответствующих первой и второй сферам углерода, свидетельствующих о полном разупорядочении, т.е. аморфном состоянии.

а б

Рис. 6 Результаты исследования в ПЭМ нанокомпозита С_эфс-10 масс.% Fe: а - тонкая структура, по стрелке 1 - нанокристаллический участок, по стрелке 2 - аморфный; б - картина дифракции с аморфного участка (рис. а, по стрелке 2)

Результаты Рамановской спектроскопии (рис. 7) подтверждают данные ПЭМ о разупорядочении - аморфизации структуры нанокомпозита. Положение D-линии v_d=1350см^-1 и высокое отношение интенсивностей I_d/I_g типично для аморфного углерода 3.

Рис. 7 Спектры Рамана нанокомпозита С_эфс-10 масс.% Fe, типичные для аморфного углерода: 1 - высокотвердая фаза с "глобулярным рельефом"; 2 - серая фаза "основа"

Таким образом, полученный углеродный нанокомпозит на основе C-10%Fe, является аморфным, подобным стекловидному углероду, содержащим сверхтвердые частицы. Его твердость является изотропной -- то есть одинаково высокой во всех направлениях с супертвердостью на сверхтвердых частицах.

Литература

1. Структура и свойства нанокомпозита на основе железа и нанодисперсного углерода / Г. П. Окатова [и др.] // Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология: сб. тез. докл. 6-й Междунар. конф., Троицк, 28-30 окт. 2009 г. / ФГУ технол. ин-т сверхтвердых и новых углеродных мат-лов. - Троицк: Тровант, 2009. - С. 183.

2. В.С.Урбанович, В.Д.Куис, Г.П.Окатова, Н.А.Свидунович, В.М.Ойченко, Л.В.Баран. Тез. 8-ой Междунар. конф. "Углерод: Фундаментальные проблемы науки, материаловедение, Технология". Моск. обл., Троицк. 25-28 сент., 2012 (Тровант, Троицк, 2012). С. 500.

3. М.Е.Компан, Д.С.Крылов, В.В.Соколов. Комбинационное рассеяние света в самоформирующемся нанопористом углероде на основе карбида кремния. Физика и техника полупроводников, 2011, том 45, вып. 3. С. 316-321.

Размещено на Allbest.ru