CC BY
15
214
ISSN 1683-0377. Труды БГТУ. 2013. № 2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность
УДК 621.762.2
Н. А. Свидунович, доктор технических наук, профессор (БГТУ);
Г. П. Окатова, кандидат технических наук, старший научный сотрудник (БГТУ);
В. С. Урбанович, кандидат технических наук (НИЦ НАН Беларуси по материаловедению);
П. В. Рудак, кандидат технических наук, доцент (БГТУ);
Ю. А. Товстыко, магистрант (БГТУ)
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРНОГО СОСТОЯНИЯ КОМПОЗИТА НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДА, ПОЛУЧЕННОГО ПРИ ТЕРМОБАРИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
Из порошков углеродных материалов и карбонильного железа в соотношении С-90 мас. % методом высокотемпературной интенсивной пластической деформации изготовлены композиционные материалы, изучено структурное состояние полученных материалов различными методами исследований.
Of powders carbon and carbonyl iron materials in the ratio С-90 weights of % a method of high-temperature intensive plastic deformation are made by composite materials. The structural conditions of the materials were studded with different research methods.
Введение. 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 Бе-С нанокомпозите происходит не только из фуллеренов, но и других, более дешевых нано-дисперсных углеродных материалов - фуллерен-содержащей сажи, многостенных нанотрубок, фуллереновой черни [1]. В основе идеи о возможности замены фуллеренов на другие нано-углеродные материалы явилось предположение о ведущем влиянии на образование «сверхупругих и твердых углеродных частиц» дисперсности исходного углеродного наноматериала.
Основная часть. В результате проведения комплекса работ в условиях высоких давлений (4 ГПа) и температур (1200-1500°С) получены опытные образцы композитов из шихты состава 90% С + 10% Бе. В качестве исходных компонентов использовали экстрагированную на-нодисперсную фуллереновую сажу и порошок карбонильного железа с размером частиц 5100 мкм.
Использованная нами экстрагированная фул-лереновая сажа не содержит фуллеренов (по данным фазового анализа ~1,5% С60 и ~1,3% С70), т. е. это наноуглерод после практически исчерпывающей экстракции фуллеренов из продукта электродугового испарения графита.
Полученные образцы нанокомпозитов исследовались методами световой и электронной микроскопии, рентгеновской дифракции, мик-рорентгеноспектрального анализа и измерения микротвердости.
В результате исследования микроструктуры установлено, что образцы, спеченные на основе экстрагированной фуллереновой сажи (90 мас. % Сэфс + 10 мас. % Бе) представляют собой сплошную особотвердую углеродную серую фазу, содержащую ряд ее модификаций различных от-
тенков (рис. 1). Образцы композита С-Бе не имеют зеренной структуры - ни до, ни после травления она не выявлена, что характерно для аморфного состояния. Полученный высокотвердый углеродный нанокомпозит является суперлегким - его удельный вес находится в пределах 2,14-2,18 г/см3.
При исследовании в сканирующем электронном микроскопе полученного нанокомпо-зита установлен ряд характерных и неожиданных структурных особенностей и отличительных свойств серой фазы.
Поверхность супертвердых частиц, названная «рельефом "зигзаг"», «крапчатая», «зигзаг, крапчатая» оказалась составленной из сросшихся в разной степени «шаровидных» частиц разной морфологии и размеров (рис. 2) в зависимости от температуры и времени спекания; при уменьшенном увеличении и низком разрешении светового микроскопа такой рельеф и создает характерные «зигзаги» и «крапчатость». «Шаровидное», теперь можно назвать глобулярное, строение составляющих поверхность супертвердых частиц с «рельефом «зигзаг», «крапчатая», «зигзаг, крапчатая» полученных нами образцов композита С-Бе находится в согласии с моделью глобулярной структуры стек-лоуглерода [2].
Элементный микрорентгеноспектральный анализ показал, что супертвердые частицы полученного композита С-Бе состоят из С, фаза-основа состоит из С с включениями Бе от 1,8 до 7-10 мас. % при анализе по площади. При этом определено, что в центре больших супертвердых частиц располагаются частицы Бе, т. е., возможно, добавка 10% Бе явилась катализатором этого процесса.
Вид изломов серой фазы-основы в световом и сканирующем электронном микроскопе ха-рактерн для аморфных материалов [3].
Общеинженерные вопросы лесопромышленного комплекса
215
Рис. 1. Микроструктура образца Эфс-17 из шихты на основе экстрагированной фуллереновой сажи, Р = 4 ГПа, Тсп = 1200°С, время спекания - 43 с (по стрелке - связующая серая «фаза-основа»; по стрелке 12 - включения супертвердых частиц рельефа «зигзаг» и «крапчатый», по стрелке ./3-частицы на основе Ре; по стрелке У 4- «гладкая темно-серая фаза» с огранкой или округлая)
Рис. 2. Фрактограмма частицы серой фазы с рельефом «зигзаг, крапчатая» в сканирующем электронном микроскопе с излома образца Эфс-17 из шихты на основе экстрагированной фуллереновой сажи с добавкой 10 мас. % Ре Р = 4 ГПа, Тсп = 1200°С, время спекания - 43 с
Таким образом, в дополнение к отсутствию зеренной структуры вид поверхности излома серой фазы-основы является еще одним из аргументов в пользу подтверждения ее аморфного состояния. Однако для окончательного вывода изучение необходимо дополнить проведением исследования методом просвечивающей электронной микроскопии и электронографии.
Анализ и расчет дифрактограмм спеченных образцов свидетельствуют в пользу того, что полученный композит является аморфно-нано-кристаллическим углеродным материалом с различной степенью дисперсности кристаллитов и аморфной составляющей (1,3-14,5 нм).
Полученные результаты по состоянию на-нокомпозиционного материала на основе С-Бе из недорогой, несодержащей фуллеренов экстрагированной фуллереновой сажи согласуются с данными авторов [4].
Заключение. Таким образом, полученный нами нанокомпозиционный материал на основе С-Ре из недорогой, не содержащей фуллеренов, нанодисперсной экстрагированной фуллерено-вой сажи с добавлением 10% Бе, на ~90% является одной сплошной углеродной фазой с на-нокристаллитами различной степени дисперсности и морфологии и аморфной составляю-
щей. Микротвердость включений супертвердых частиц близка к твердости алмаза.
Литература
1. Структура и свойства нанокомпозита на основе железа и нанодисперсного углерода / Г. П. Окатова [и др.] // Химия и химическая технология. Разд. Химическая технология. -2010. - Т. 53, вып. 10. - С. 90-100.
2. Беленков, Е. А. Гибридные наноалмазы и родственные углеродные материалы. Компьютерное материаловедение / Е. А. Беленков, В. В. Ивановская, А. Л. Ивановский. - Екатеринбург: УрО РАН, 2008. - 165 с.
3. Разрушение. Т. 7: Разрушение неметаллов и композитных материалов. Ч. I: Неорганические материалы (стекла, горные породы, композиты, керамики, лед) / пер. с англ.; под ред. Ю. Н. Работнова. - М.: МИР, 1976. - 634 с.
4. Структура и свойства сверхупругих и твердых углеродных частиц, армирующих износостойкие композиционные материалы, полученные из смеси порошков железа и фуллеренов под давлением / О. П. Черногорова [и др.] // Российские нанотехнологии. - 2008. - Т. 3, № 5-6.- С. 150-157.
Поступила 21.02.2013
