Физико-механические свойства керамического композита НОА/МУНТ Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.793, 621.357.7, 539.25

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА НОА/МУНТ

© В.В. Коренков, Р.А. Столяров, В.М. Васюков, А.В. Шуклинов, А.Н. Ходан

Ключевые слова: наноструктурированные оксиды алюминия; многостенные углеродные нанотрубки; нанокомпо-зиционные материалы; наноиндентирование; сканирующая электронная микроскопия.

Методом наноиндентирования исследованы физико-механические свойства наноструктурированных оксидов алюминия (НОА), модифицированных многостенными углеродными нанотрубками (МУНТ). Получены данные зависимости твердости и модуля Юнга композита НОА/УНТ от температуры отжига.

Материалы НОА были синтезированы относительно недавно, в середине 1990-х гг. Данные материалы обладают высокой пористостью и большой удельной поверхностью. Изменяя температуру и продолжительность отжига, можно легко получить материал, обладающий необходимыми морфологическими и структурными характеристиками для практического применения [1-3]. Известно, что изохронный отжиг в температурном диапазоне 100-1650 °С в течение 4 часов не разрушает монолитность и пористое строение образцов НОА, несмотря на уменьшение линейных размеров образцов и многократное увеличение их плотности (до 100 раз) [4, 5]. Увеличение температуры отжига активирует структурно-фазовые превращения и диффузионный массоперенос в материале НОА, что приводит к уплотнению материала, морфологическим изменениям в нанофибриллах и к началу формирования зародышей кристаллических фаз. Детальное исследование эволюции структуры и морфологии образцов НОА в процессе отжига показало, что эти материалы обладают достаточной устойчивостью и сохраняют признаки своей исходной наноструктуры вплоть до 1000 °С [3-6].

Путем физической и химической модификации поверхности материалов НОА, например, осаждением оптически активных органических или неорганических веществ, либо изменением фазового и химического состава, путем введения нано- и микроразмерных частиц в свободный объем материала можно получить материалы с прогнозируемыми физико-химическими свойствами, которые могут найти применение в области катализа, очистки и фильтрации газов, иммобилизации радиоактивных отходов и т. д.

Композиционные материалы с армирующими элементами из углеродных волокон уже давно применяются в качестве конструкционных, теплоизолирующих, экранирующих от разных воздействий, фрикционных материалов. Переход к наноуглеродным материалам и модифицирование полимерных, металлических и керамических матриц нановолокнами, нанотрубками, фул-леренами позволяет создавать еще более прочные на-нокомпозиционные материалы.

Цель данной работы заключалась в исследовании механических свойств от температуры отжига композита НОА/МУНТ. Можно надеяться, что детальное

изучение физико-механических свойств композита HOA/МУШ' позволит использовать данный материал для устройств и новой техники не только в области нанотехнологий, но в других отраслях производства [7].

Исследуемый композит HOA/MУHT получали следующим образом. В водный раствор помещали МУШ и с помощью ультразвукового диспергатора добивались однородной концентрации трубок по объему, затем в полученный раствор помещали образец HOA. После испарения воды композит HOA/МУШ' отжигался при температуре 500 °С в течение 4 часов.

Для получения композиционного материала HOA/МУШ' использовали нанотрубки, которые имели длину ~ 5-10 мкм и диаметр ~ 20-50 нм. МУШ зарегистрированы под торговой маркой «Tаyнит» и производятся в OOO «Tамбовский инновационно-технологический центр машиностроения», г. Tамбов.

Химический анализ HOA/МУШ производили на энергодисперсионном рентгеновском микроанализаторе INCA act и INCA 350XT Oxford Instruments.

Измерение твердости H и модуля Юнга E проводили на наноиндентометре G200 фирмы MTS (СШЛ). Данные представлены в табл. 1.

Как видно из таблицы 1, композит HOA/МУШ обладает вдвое большей твердостью и упругостью по сравнению с исходной пористой керамикой. Из морфологии скола (рис. 1) следует, что МУШ довольно равномерно распределены в матрице HOA. Урчащие концы нанотрубок из поверхности скола демонстрируют хорошую адгезию их с матрицей. Улучшение адгезии

Tаблица 1

Значение твердости Н и модуля Юнга E HOA и композита HOA/МУШ

HOA HOA/МУШ HOA (отжиг 500 °С) HOA/МУШ (отжиг 500 °С)

Tвердость Н, ГПЛ 0,128 0,278 0,184 0,277

Модуль Юнга E, ГПа 2,187 5,613 4,563 7,515

Рис. 1. SEM - изображения морфологии поверхности скола исходного композита НОА/МУНТ a) и отожженного при 500 °С б)

Таблица 2

Химический анализ композита НОА/МУНТ (в весовых %)

С Al O

НОА/МУНТ 9,61 23,45 66,94

НОА/МУНТ 9,99 23,74 66,28

(отжиг 500 °С)

армирующего элемента в керамической матрице способствует улучшению его прочностных характеристик, повышению твердости и модуля упругости за счет армирования его углеродными нанотрубками.

Химический анализ отожженных и контрольных образцов НОА/МУНТ показал (табл. 2), что концентрация углерода в композите не изменяется в процессе отжига. Однако модуль Юнга (в отличие от твердости) у отожженных образцов увеличился на ~ 50 %. Это происходит предположительно из-за увеличения адгезии нанотрубок с матрицей НОА в процессе отжига.

Таким образом, модификация НОА многостенными углеродными нанотрубками и температурный отжиг позволят селективно управлять физико-механическими свойствами и расширить спектр практического применения НОА.

ЛИТЕРАТУРА

1. Асхадуллин Р.Ш., Мартынов П.Н., Симаков А.А., Юдинцев П.А. Жидкометаллическая технология синтеза наноструктурированных веществ. Их свойства и перспективы применения // Новые промышленные технологии. 2004. Вып. 3.

2. Асхадуллин Р.Ш., Юдинцев П.А., Курина И.С. Жидкометаллическая технология синтеза аэрогеля Al2Oз•H2O и его применение для получения усовершенствованных керамических материалов // Новые промышленные технологии. 2004. Вып. 3.

di Costanzo T., Fomkin A.A., Frappart C., Khodan A.N., Kuznetsov D.G., Mazerolles L., Michel D., Minaev A.A., Sinitsin V.A., Vignes J.-L. Progress in advanced materials and processes // Ed.: D.P. Uskokovic, S.K. Milonjic, Materials Science Forum. V. 453-454. (Proceedings of YUCOMAT 2003) Uetikon-Zurich: Trans Tech Publications Ltd, 2004. Р. 315-320.

Vignes J.-L., Frappart C., di Costanzo T., Rouchaud J.-C., Mazerolles L., Michel D. Ultraporous monoliths of alumina prepared at room temperature by aluminium oxidation // Journal of Materials Science. 2008. Feb. V. 43. № 4. Р. 1234-1240.

Мартынов П.Н., Асхадуллин Р.Ш., Юдинцев П.А., Ходан А.Н. Новый метод синтеза наноматериалов на основе контролируемого селективного окисления жидкометаллических расплавов // Новые промышленные технологии. 2008. Т. 4. С. 48-52.

6. di Costanzo T., Fomkin A.A., Frappart C.,. Khodan A.N, Kuznetsov D.G., Mazerolles L., Michel D., Minaev A.A., Sinitsin V.A., Vignes J.-L. New methods of porous oxide synthesis: alumina and alumina based compounds // Progress in advanced materials and processes, Materials science forum. 2004. V. 453^54. Р. 315-322.

7. Головин Ю.И. Наноиндентирование и его возможности. М.: Машиностроение, 2009. 312 с.

БЛАГОДАРНОСТИ: Авторы благодарят профессора А.Г. Ткачева за предоставленные многостенные углеродные нанотрубки.

НИР проведена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.

Поступила в редакцию 12 мая 2011 г.

Korenkov V.V., Stolyarov R.A., Vasyukov V.M., Shukli-nov A.V., Khodan A.N. PHYSICAL-MECHANICAL PROPERTIES OF NOA/MCNT CERAMIC COMPOSITE

Physical-mechanical properties of nanostructured aluminum oxides modified by multiwall carbon nanotubes were investigated by nanoindentation method. The influence of annealing temperature on hardness and Young’s modulus of composite NOA/MCNT was found out.

Key words: aluminum oxihydroxide; multiwall carbon nanotubes; nanocomposites; nanoindentation; scanning electron microscopy.