Наглядное моделирование растворения углеродной нанотрубки в расплаве титана Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 666.762; 37.02

НАГЛЯДНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСТВОРЕНИЯ УГЛЕРОДНОЙ НАНОТРУБКИ В РАСПЛАВЕ ТИТАНА

Амосов Евгений Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: amosov-ea@mail.ru) Самарский государственный технический университет, г.Самара, Россия

В данной статье рассмотрен процесс растворения углеродной нанот-рубки в жидком титане, который происходит в ходе само распространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) карбида титана.

Ключевые слова: нанотрубка, растворение, наглядное моделирование

Введение

В последние десятилетия значительный интерес исследователей вызывает применение такой формы углерода, как углеродные нано трубки [1114]. В частности, нано трубки углерода используются рядом авторов в процессах само распространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) как источник углерода в химических реакциях синтеза карбидов и композиционных материалов на их основе [6,8]. Вопрос о поведении нано трубок углерода в ходе СВС реакции полностью ещё не изучен, что и сделало необходимым написание настоящей статьи.

Из классических работ по СВС известно [2,3], что в ходе реакции синтеза карбида титана происходит растворение частиц сажи или графита в расплавленном титане с последующим образованием зёрен карбида титана. Так как наблюдение поведения частиц углерода при высокотемпературном горении является достаточно непростой и трудоёмкой операцией, то для понимания особенностей механизма взаимодействия углеродных нано частиц с расплавленным титаном на первом этапе исследования было решено провести наглядное моделирование поведения вытянутого образца (модели нано трубки) с расплавленной жидкостью. Подобное моделирование, по мнению автора, поможет выявить некоторые возможные закономерности реального процесса растворения углеродной нано трубки в расплаве при формировании частицы карбида титана - целевого СВС продукта.

Материалы и методика эксперимента.

Процесс растворения углеродной нано трубки в расплаве титана был заменён на легко реализуемый в лабораторных условиях процесс расплавления вытянутого образца при взаимодействии с жидкостью, обладающей высокой температурой. Для модельного исследования указанного процесса расплавления нами был взят легкоплавкий образец в форме стержня. Внешний вид образца представлен на рисунке 1.

Образец помещался в ёмкость, заливался горячей водой при температуре порядка 1000С и постепенно переходил в расплавленное состояние. Процесс расплавления фиксировался на видеокамеру.

Рисунок 1 - Расплавляемый образец - модель нано трубки

Так как при СВС реакции по порошковой смеси пробегает волна горения (образования карбида титана), а перед ней - волна повышения температуры (волна нагревания), то для учёта этого обстоятельства наливание горячей воды в ёмкость с образцом производилось с одной стороны от образца,

Результаты экспериментов

На рисунках представлены последовательные этапы модельного процесса расплавления.

Рисунок 2 - Начало процесса расплавления

Как видно из рисунка 2, под действием быстрого неоднородного нагревания модельный образец изогнулся. Это позволяет нам полагать, что при быстром нагревании СВС шихты, когда за секунды температура изменяется на сотни градусов, а на микроуровне волна нагревания перемещается по образцу неравномерно [4], углеродная нано трубка также может изогнуться под действием неравномерного нагрева или неравномерного расплавления находящихся рядом частиц порошка титана.

Судя по рисунку 2, можно выделить несколько областей, что показано на рисунке 3:

-область горячей воды (аналог растворителя),

-область расплавленного вещества (аналог растворённого углерода), -область нерасплавленного образца (аналог ещё не растворившейся углеродной нано трубки).

образец расплавился растворитель образец ещё не расплавился

Схожая картина наблюдается при реальном растворении частицы углерода в жидком титане [2,3]. Как известно из литературы, при СВС реакции частица углерода (сажи, графита) оказывается окружённой зёрнами карбида титана, которые являются результатом растворения углерода в жидком титане и последующей кристаллизации образующихся кристалликов НС.

Рисунок 4 - Деление образца на части при плавлении

Из рисунка 4 видно, что в ходе плавления образец разделился на несколько составных частей. Этот факт позволяет нам полагать, что аналогичным образом при растворении в расплаве титана углеродная нано трубка будет делиться на более мелкие части.

Подобное предположение согласуется с результатами работы [6] по СВС синтезу карбидов с применением углеродных нано трубок. На фотографиях с электронного микроскопа, представленных в указанной работе, видно достаточно большое количество коротких нано трубок углерода, которые не приняли участие в СВС реакции. Можно полагать, что эти корот-

кие трубки являются частями изначальных нано трубок, которые в ходе СВС реакции разделились на более мелкие части.

На рисунке 5 приведён вид области, которую занимает образец после расплавления, эту область можно сравнить с начальным видом образца на рисунке 1.

Рисунок 5 - Вид образца после расплавления

Видно, что вытянутый изначально образец в результате плавления создаёт вытянутую в этом же направлении область. Это позволяет полагать, что на ход СВС синтеза TiC влияет как нано диаметр нано трубки, так и микро метровая длина нанотрубки.

Заключение

Проведено модельное исследование процесса растворения углеродной нано трубки в расплаве титане, позволившее выявить ряд предполагаемых закономерностей этого процесса в реальных условиях СВС, а именно:

-изгиб нано трубки при нагревании шихты,

-деление нано трубки на более короткие части в ходе СВС реакции,

-влияние длины нано трубки на СВС.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по проекту № 19-38-90032\19

Список литературы

1.Кипарисов С.С., Левинский Ю.В., Петров А.П. Карбид титана: получение, свойства, применение. М.: Металлургия, 1987. 216 с.

2.Мержанов А.Г., Мукасьян А.С. Твердопламенное горение. М.: ТОРУС ПРЕСС, 2007. 336 с.

3.Рогачев А.С., Мукасьян А.С. Горение для синтеза материалов. М.: Физматлит, 2013. 400 с.

4.Амосов А.П., Боровинская И.П., Мержанов А.Г. Порошковая технология самораспространяющегося высокотемпературного синтеза материалов. М.: Машиностроение-1, 2007. 567 с.

5.Амосов Е.А. Наглядное моделирование при исследовании. Самара: СамГТУ, 2014. 50 с.

6.Shenbao Jin. Self-propogating high-tempruture synthesis of nano-TiCx particles with different shapes by using carbon nano-tube as C source / Shenbao Jin, Ping Shen, Dongshuai Zhou, Qichuan Jiang / Nanoscale Research Letters, 2011. №6. р. 515

7.Углеродные материалы. Свойства, технологии, применения: Учебное пособие / С.Н. Колокольцев Долгопрудный: Изд. Дом «Интеллект», 2012. 296 с.

8.Qianqian Li. CNT reinforced light metal composites produced by melt stirring and high pressure die casting / Qianqian Li, Christian A. Rottmair, Robert F. Singer / Composite Science and Technology, 2010. №70. р. 2242-2247

9.Боровинская, И.П. Применение углерода в СВС-процессах. И.П. Боровинская, А.Г. Мержанов, В.К. Прокудина / Техника машиностроения, 2003. №1 (41). С.59-65.

10.Yu-Yang Gao. Effects of carbon source on TiC particles distribution, tensile and abrasive wear properties of in-situ TiC/Al-Cu nanocomposites prepared in the Al-Ti-C system / Yu-Yang Gao, Feng Qiu, Tian-Shu Liu, Jian-Ge Chu, Qing-Long Zhao, Qi-Chuan Jiang/ Nanomaterials, 2018. №8. р. 610

11. Елецкий А.В. Углеродные нанотрубки // УФН. 1997. Т. 167. № 9. С. 955

12. S. Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon // Nature.1991. №354. р.54-56. D^Oberlin, M. Endo, T. Koyama. High resolution electron microscoe observations of graphitized carbonfibers // Carbon. 1976.№14.р. 33.

14.Косаковская З.Я., Чернозатонский Л. А. , Фёдоров Е.А. Нановолоконная углеродная структура // Письма в ЖЭТФ. 1992. №56. C. 26.

15. Левашов Е.А. и др. Перспективные материалы и технологии СВС. М.: МИСИС, 2011. 380 с.

Amosov Evgeniy Aleksandrovich, Cand.Tech.Sci., associate professor

(e-mail: amosov-ea@mail.ru)

Samara state technical university, Samara, Russia

VISUAL MODELING OF THE DISSOLUTION OF CARBON

NANOTUBES IN TITANIUM MELT

Abstract. This article describes the process of dissolving a carbon nanotube in liquid titanium, which occurs during the self-propagating high-temperature synthesis (SHS) of titanium carbide.

Keywords: nanotube, dissolution, visual modeling