WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 4 Получение, свойства и применение фракционированных наноалмазов © С.И. Чухаева Российский федеральный ядерный центр–Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики им. акад. Е.И. Забабахина, 456770 Снежинск, Челябинская обл., Россия E-mail: Chukhaeva@mail.snz.ru Исследованы способы диспергирования порошков наноалмазов различной степени чистоты и получения из них суспензий, пригодных для фракционирования. Представлены основные физико-химические свойства фракций, выделенных из продуктов синтеза (шихты) и очищенных наноалмазов. Обнаружено неоднородное распределение алмаза в шихте: с ростом размера частиц его доля уменьшается. Показаны преимущества применения фракционированных по размерам наноалмазов в различных областях 1. Введение еся способы обработок порошков наноалмазов можно свести к следующим схемам: базовые обработки В связи с увеличением использования наноалмазов (A — анионообменной смолой типа АВ-17П; K —кативопросам дисперсности гранулометрического состава и онообменной смолой типа КУ 8-2; УЗ — ультразвуком его постоянства в различных средах уделяется особое на установке УЗГ 3-10) и различные комбинации базовнимание, однако работ, посвященных исследованию вых обработок. Эффективность каждой схемы получения влияния размеров частиц на физико-химические и эксседиментационно-устойчивых суспензий контролироваплуатационные свойства наноалмазов, известно мало.

лась по накоплению масс осадков наноалмазов в центроОбразование устойчивых частиц наноалмаза происходит бежном поле центрифуги ОС-6M (СССР). На основании посредством сложного многостадийного механизма [1,2].

этих данных по уравнению (1) рассчитывались размеры Из-за высокой активности поверхности частиц дисперсчастиц. Непосредственно перед проведением седименный состав одних и тех же наноалмазов в различных тационных измерений все исследуемые суспензии разсредах может существенно различаться [3]. При удалебавлялись дистиллированной водой до концентрации нании воды из таких частиц образуются прочные агрегаты, ноалмаза в суспензии 5-10 g/dm3; электропроводность трудно поддающиеся диспергированию. Таким образом, таких суспензий составляла 4-8 µS/cm.

задачами настоящей работы являются исследование способов диспергирования порошков наноалмазов различной степени чистоты с целью получения пригодных для фракционирования суспензий и изучение свойств выделенных фракций наноалмазов и продуктов синтеза (шихты).

2. Исследование способов диспергирования порошков наноалмазов Одним из наиболее распространенных способов диспергирования порошков наноалмазов является ультразвуковая (УЗ) обработка [4]. Обнаружено, что после обработки порошков наноалмаза катионообменной смолой кроме уменьшения величины несгораемого остатка (это ранее отмечалось в [5]) наблюдается образование седиментационно-устойчивых суспензий обработанных наноалмазов вследствие более глубокой очистки от катионных примесей. Аналогичный эффект проявляется при использовании анионообменной смолы. Как известРис. 1. Распределение частиц наноалмаза по размено, при простой отмывке порошков наноалмазов дистилрам в зависимости от способа диспергирования. Кривые лированной водой при различной температуре подобных A + US, US, K + A соответствуют различным схемам обраэффектов не наблюдается (кроме порошков, очищенных ботки порошков наноалмазов: A + US — порошок наноалгазофазным окислением).

маза обработан сначала анионообменной смолой, затем УЗ;

Для исследований использовались порошки наноал- US — только УЗ; K + A — ионообменными смолами (сначала мазов производства РФЯЦ–ВНИИТФ [6]. Применявши- катионообменной, затем анионообменной).

Получение, свойства и применение фракционированных наноалмазов — угловая скорость вращения ротора центрифуги ( = 2n, n — число оборотов в секунду), (h2 - h1) — расстояние движения частицы в центробежном поле [m], t — время осаждения частицы с уровня h1 на уровень h2 [s].

На рис. 1 представлены кривые распределения частиц наноалмаза по размерам для образца, приготовленного смешиванием равных количеств порошков семи промышленных партий после 4 и 6 лет хранения.

При анализе полученных экспериментальных данных были сделаны следующие выводы:

1) наиболее дисперсные суспензии наноалмазов получаются только при сочетании обработок УЗ и ионообменными смолами; 2) обработка только ионообменными смолами более эффективна, чем обработки УЗ, при режимах, обеспечиваемывых типом и настройками использованного генератора. Кроме того, перед седиментационными измерениями необходимо проводить дополнительную очистку водной фазы суспензии от примесей Рис. 2. Дифрактограммы фракций шихты и выделенных из нее ионов, выделившихся в результате УЗ-диспергирования.

наноалмазов. 1, 3 — дифрактограммы фракции 3, 2, 4 —дифрактограммы фракции 1.

3. Выделение фракций из наноалмазов различной чистоты Учитывая результаты микроскопических исследоваНа основании анализа кривых распределения частиц ний порошков производства РФЯЦ–ВНИИТФ, подтвернаноалмаза по размерам чистицы были условно разждающих форму кристаллитов наноалмазов, близкую к делены на три фракции. Ряд результатов такого фраксферической, и данные исследований [7,8], для расчета ционирования приведен в [6]. Аналогичным образом размеров частиц (точнее, эквивалентного радиуса) мы были выделены фракции шихты из продуктов синтеза использовали уравнение Тальбо–Сведберга для сферинаноалмазов. В табл. 1 представлены основные физикоческих частиц химические характеристики фракций, выделенных из серийных наноалмазов, а в табл. 2 — аналогичные 9 ln(h2/h1) r =, (1) данные для фракций, выделенных из шихты.

2( - 0)2 t Согласно данным рентгеновской дифракции (рис. 2), в выделенных фракциях шихты наблюдается не только где r — радиус сферической частицы [m], —вязкость дисперсионной среды [Pa · s], и 0 — соответственно различное содержание алмаза, но и отличия в структуре плотности наноалмаза и дисперсионной среды [kg/dm3], неалмазного углерода. Так, для фракции 3 присутТаблица 1. Физико-химические свойства фракций, выделенных из серийных наноалмазов производства РФЯЦ–ВНИИТФ Параметр Фракция 1 Фракция 2 Фракция Диапазон размеров, nm 250-7000 100-250 5-Внешний вид Светло-серый, легко Серый порошок Черные кристаллоподобные рассыпающийся порошок образования Пикнометрическая плотность, g/cm3 3.2 3.25 3.Несгораемый остаток, % 1.6 1.3 0.Окисляемый углерод, % 1.0 1.5 1.Вязкость водной суспензии (концентрация 1.04 1.07 1.наноалмаза 10 g/l; 20.0C), mPa · s Электрокинетический потенциал, mV +16 +32 +Удельная поверхность, m2/g 170 Не определялась Сорбционная емкость по бензолу, mmol/g 17-18 15-16 12- Определялась методом БЭТ (Брунауера, Эммета и Теллера) по азоту в Институте сверхтвердых материалов НАН Украины;

удельная поверхность нефракционированного порошка составляет 227 m2/g.

3 Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 612 С.И. Чухаева Таблица 2. Физико-химические свойства фракций шихты для производства серийных наноалмазов Параметр Фракция 1 Фракция 2 Фракция Внешний вид Черный, легко Черно-серый, Черные кристаллорассыпающийся порошок рассыпающийся порошок подобные образования Пикнометрическая плотность, g/cm3 2.6-2.7 2.9 3.Несгораемый остаток, % 2-3 0.4-1.0 0.1-0.Неалмазный углерод, % 40-50 25 5-Энергия активации окисления 55-60 70-75 90-неалмазного углерода, kJ/mol Термостойкость, C 160-165 200-210 > Сорбционная емкость по бензолу 24-26 22-24 18-(20C), mmol/g После обработки кислотой, значение зависит от исходного содержания в шихте.

Содержание неалмазного углерода в исходной нефракционированной шихте 76%.

ствует небольшой пик, соответствующий d = 3.376 ную способность по сравнению с нефракционирован(кривая 1) и принадлежащий 2H-кристаллической мо- ным наноалмазом. Съем материала с образцов кремдификации графита с гексагональной сингонией. Для ния на уровне АСМ 0.1/0 составлял 0.26-0.28 µm/min, фракции 1 этот пик закрыт широким гало в интервале шероховатость обработанной поверхности кремния углов 2Br = 18-26 (кривая 2), отражающим наличие Ra 0.03-0.1. Для сравнения съем материала с образца аморфной составляющей. При выделении алмазов из кремния с использованием пасты из нефракционированфракций шихты расход окислителя различался в 1.5 раза, ного наноалмаза составил 0.05 µm/min.

что наряду с экспериментально полученными значения- Добавление фракции 1 шихты в моторное масми энергии активации окисления неалмазного углерода ло ВЕЛС-2 в количествах 0.3–1.0% в парах трения из свидетельствует о различии химического состава неал- бронзы обеспечивало снижение коэффициента трения не мазных компонент. менее чем в 2 раза, в то время как нефракционированная шихта проявляла абразивные свойства.

4. Перспективы применения 5. Заключение фракционированных наноалмазов Фракционирование наноалмаза повышает его эффек- Описанные способы диспергирования порошков нанотивность в ряде случаев. Так, в гальванических про- алмазов позволяют получать седиментационно-устойчицессах золочения использование фракции 3 способство- вые суспензии и повышать утраченную при высушивавало увеличению микротвердости покрытия примерно нии активность наноалмазов. Обнаружение неравномерв 1.5 раза [9]. Для никелевых покрытий на различных ного распределения алмаза и неалмазных форм углерода металлических матрицах и в разных конструкциях галь- и различий в физико-химических свойствах наноалмазов ванических ячеек использование фракции 3 обеспечило и шихты не только расширяет области применения надежное увеличение микротвердости по сравнению с наноуглеродных материалов, но и открывает новые вознефракционированным наноалмазом (табл. 3). можности при реализации технологических процессов:

Пасты, приготовленные с использованием фракций 3 удалять неалмазный углерод нужно не из всего продукта и 1 серийных наноалмазов, по данным, полученным в синтеза, а только из тех фракций, эксплуатационные ИСМ НАН Украины, обеспечивали лучшую абразив- свойства которых ухудшаются при наличии неалмазного углерода.

Автор благодарит Г.П. Богатыреву и Ю.И. Никитина за Таблица 3. Микротвердость HV0.05 никелевых покрытий с проведение экспериментальных измерений в ИСМ НАН серийным наноалмазом (kg/mm2) Украины и И.В. Новикову за рентгенографические исследования.

После двух лет Номер Вид наноалмаза Данные использования образца в покрытии работы [10] электролита Список литературы 1 Без наноалмаза 370 2 Фракция 1 370-420 [1] А.Л. Куперштох, А.П. Ершов, Д.А. Медведев. ФГВ 34, 4, 3 Фракция 2 360 102 (1998).

4 Фракция 3 540-560 [2] М.В. Байдакова, А.Я. Вуль, В.И. Сиклицкий, Н.Н. Фалеев.

5 Нефракционированный 470 ФТТ 40, 4, 776 (1998).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Получение, свойства и применение фракционированных наноалмазов [3] Л.В. Агибалова, А.П. Возняковский, В.Ю. Долматов, В.В. Клюбин. Сверхтвердые материалы 4, 87 (1998).

[4] Е.М. Опарин. Патент RU № 2088689.

[5] Т.М. Губаревич, Н.М. Костюкова, Р.Р. Сатаев, Л.В. Фомина.

Сверхтвердые материалы 5, 31 (1991).

[6] С.И. Чухаева, П.Я. Детков, А.П. Ткаченко, А.Д. Торопов.

Сверхтвердые материалы 4, 29 (1998).

[7] А.Е. Алексенский, М.В. Байдакова, А.Я. Вуль, А.Т. Дидейкин, В.И. Сиклицкий, С.П. Вуль. ФТТ 42, 8, 1531 (2000).

[8] P.W. Chen, Y.S. Ding, Q. Chen, F.L. Huang, S.R. Yun.

Diamond Relat. Mater. 9, 1722 (2000).

[9] E.N. Loubnin, S.M. Pimenov, A. Blatter, F. Schwager, P.Ya. Detkov. New Diamond Front. Carbon Technol. 9, 4, (1999).

[10] А.Д. Торопов, П.Я. Детков, С.И. Чухаева. Гальванотехника и обраб. поверхности 3, 14 (1999).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.