CC BY
17Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №1. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/10.33619/2414-2948/50
УДК 621.315.616.95 https://doi.org/10.33619/2414-2948/50/22
СОЗДАНИЕ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИЗКОРАЗМЕРНЫХ УГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ
©Жогаштиев Н. Т., Киргизский технический университет им. И. Раззакова, г. Бишкек, Кыргызстан, [email protected]; [email protected]
CREATION OF A COMPOSITE MATERIAL BASED ON LOW-SIZED CARBON PARTICLES
©Zhogashtiev N., Kyrgyz Technical University named after I. Razzakov, Bishkek, Kyrgyzstan, [email protected]; [email protected]
Аннотация. В статье рассмотрены вопросы термоударной стойкости углеродных материалов. Для получения композиционного материала использовали метод электродуговой обработки относительно низким значением силы тока. Полученный материал и его свойства соответствуют представлениям о двойном электрическом слое на межфазной границе, который обусловлен ориентацией молекул углерода.
Abstract. The article considers the issues of thermal shock resistance of carbon materials. To obtain a composite material, the method of electric arc treatment with a relatively low current value was used. The resulting material and its properties correspond to the concept of a double electric layer at the interface, which is due to the orientation of carbon molecules.
Ключевые слова: углеродный нанопорошок, термическое воздействие, электродуговой процесс, термоударная стойкость, микротвердость.
Keywords: carbon nanopowder, thermal effect, electric arc process, thermo-resistance, microhardness.
Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии — создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами.
Известно, что в природе чистый углерод можно встретить в форме графита. Если посмотреть на структуру графита, то видно, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.
Композиционная термоударная стойкость покрытий (КТСП) обладают также рядом механических свойств, выгодно отличающих их от свойств материалов полупроводников, металлов и диэлектриков. Структура и свойства КТСП зависят от природы и размеров наполнителей (порошковых материалов), их количества в покрытии и взаимодействия с металлической матрицей [1-4]. Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал, являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. Один из самых популярных материалов является углепластика, полученной на основе
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №1. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/10.33619/2414-2948/50
углеродного волокна. Углеродные волокна получают из синтетических и природных волокон на основе целлюлозы, сополимеров акрилонитрила, нефтяных и каменноугольных пеков и т. д. Термическая обработка волокна проводится, как правило, в три этапа (окисление — 220 °С, карбонизация — 1000-1500 °С и графитизация — 1800-3000 °С) и приводит к образованию волокон, характеризующихся высоким содержанием (до 99,5 % по массе) углерода.
Исследование свойств графитного композиционного электролитического покрытия
с углеродными нанопорошками Для получения углеродного нанопорошка использовали методы термоударной стойкости в температурном интервале 900-1000 °С.
Полученный углеродный нанопорошок представляет собой высокодисперсную микрогетерогенную систему с развитой активной поверхностью (Рисунок 1 а, б). Последние обусловливают поведение наполнителя в процессах его дальнейшей переработки — смешивания со связующим, прессования, термообработки композиции.
Рисунок 1. Микрофотография углеродного нанопорошка (а) и его структурная модель (б).
При прессовании смеси углеродных нанопорошков, компоненты которых образуют отдельные каркасы, деформация пористого тела определяется, по-видимому, наибольшим модулем объемного сжатия одного из каркасов, а при наличии одного каркаса и прерывистого заполнения вторым компонентом — модулем объемного уплотнения каркаса.
Рисунок 2. Изображение пресс-формы для порошка и после пресс-формы: а — пресс-форма 1; б — стержень готового графита 2.
Графит в этом случае изготавливали методом термоударного горячего прессования в пресс-форму порошковой смеси, содержащей дисперсный углеродный нанопорошок.
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №1. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/10.33619/2414-2948/50
Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток — хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале. Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.
Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям — электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.
Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия — и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников. Как известно, вольт-амперные характеристики (ВАХ) нано- и микросистем являются, пожалуй, наиболее доступными для экспериментальных исследований и вместе с тем весьма информативными для определения особенностей генерации, рекомбинации и переноса носителей заряда в этих системах и построения теоретических моделей происходящих процессов наноструктурных системах.
Прежде чем создать композиционный материал на основе высокодисперсного углеродного нанопорошка, исследовали вольт-амперной характеристики (ВАХ) полученного графитового порошка (Рисунок 1 а), а дальнейшем исследовали ВАХ композитционного материала — стержня (Рисунок 1 б), и железного проводника.
Для получения композиционного материала на основе углеродных низкоразмерных порошков, необходимо сжатие с возрастающим давлением порошковой смеси и обеспечивать высокую плотность их уплотнения (не менее 70% от теоретической плотности получаемого материала).
Из Рисунка 3 видно, что ВАХ композиционного материала и готового графитового стержня идентичны, т.е. мы получили композитный материал с электрическими параметрами совпадающий с электрическими параметрами железного проводника, тогда как электрические параметры графитового порошка примерно в 10 раз отличаются от значений композита.
Для получения композиционного материала использовали метод электродуговой обработки относительно низким значением силы тока (Таблица).
Полученные таким образом, объемные композитные материалы методами прессования низкоразмерных порошков с электродуговой обработки с последующим спеканием соответствует стандартным графитовым материалам, используемые на практике.
На Рисунке 4 показана зависимость изменения электрического сопротивления композитного материала от давления их прессования.
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №1. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/10.33619/2414-2948/50
в
Рисунок 3. Вольт-амперная характеристика нанопорошка (а) и композита (б), железа (в).
Таблица.
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ ОТНОСИТЕЛЬНО НИЗКИМ ЗНАЧЕНИЕМ СИЛЫ ТОКА
Наименование материала Значение силы тока при электродуговом процессе
2 А 5А 7А 10А
Время воздействия — нагревания, 20 с
Графитовый порошок
Интервал температурного 10-15 °С 15-20 °С 20-30 °С 30-150 °С
воздействия
Композитный материал (изделия) — стержень
Интервал температурного 10-50 °С 50-200 °С 200-550°С 550-1100°С
воздействия
Экспериментальные данные согласуются с термодинамическим равновесием перехода порошка в композит, представленным на Рисунке 4.
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice https://www.bulletennauki.com
Т. 6. №1. 2020 https://doi.org/10.33619/10.33619/2414-2948/50
Рисунок 4. Зависимость электрического сопротивления углеродного порошка от давления их прессования.
На основании полученных результатов (Рисунок 4), можно сделать вывод, что в процессе сжатия порошков происходит уменьшение электрического сопротивления композита, т.е. композит начинает хорошо проводит электрический ток. Это связано, по-видимому с тесным сближением частиц (атомов) углеродного порошка, в результате которого происходит расщепление энергетических уровней в более выраженной форме. Если два атома сближаются друг к другу, то потенциал, который определяет энергетические уровни электрона, изменяется. В результате этого изменения все разрешенные уровни энергии электрона сдвигаются — появляются возмущенные энергетические уровни, определяемой по формуле:
En=-
2 4
где z — число протонов в ядре; m0 — масса свободного электрона; в0 — диэлектрическая проницаемость вакуума; h — постоянная Планка; п — положительное целое число.
Таким образом, полученный результат соответствуют представлениям о двойном электрическом слое на межфазной границе, который обусловлен ориентацией молекул углерода.
Список литературы:
1. Ташполотов Ы, Жогаштиев Н. Т., Турдубаева Ж., Садыков Э., Дуйшеева С. Разработка технологии получения наноструктурных материалов на основе местных минерально-сырьевых ресурсов // Вестник КГУСТА. 2012. №4. С. 25-29.
2. Ташполотов Ы., Жогаштиев Н. Т., Садыков Э. Вольт-амперные характеристики углеродного наноструктурного композита // Вестник КГНУ им. Жусупа Баласагына 2013. Серия 3. Естественно-технические науки. С. 36-38.
3. Жогаштиев Н. Т., Абдалиев У К., Ташполотов Ы. Получение суспензий низкоразмерных порошков угля с помощью метода гидроударного фракционирования // Перспективные технологии и материалы. 2012. №1.
4. Яфаров Р. К., Шаныгин В. Я., Нефедов Д. В. Углеродный пленочный нанокомпозит для сильноточных полевых источников электронов // Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2019. Т. 19. №1. С. 68-75. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-1-68-75
Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice Т. 6. №1. 2020
https://www.bulletennauki.com https://doi.org/10.33619/10.33619/2414-2948/50
References:
1. Tashpolotov, Y., Zhogashtiev, N. T., Turdubaeva, Zh., Sadykov, E., & Duisheeva, S. (2012). Razrabotka tekhnologii polucheniya nanostrukturnykh materialov na osnove mestnykh mineral'no-syr'evykh resursov. Vestnik KGUSTA, (4), 25-29. (in Russian).
2. Tashpolotov, Y., Zhogashtiev, N. T., & Sadykov, E. (2013). Vol't-ampernye kharakteristiki uglerodnogo nanostrukturnogo kompozita. Vestnik KGNU im. Zhusupa Balasagyna, Seriya 3. Estestvenno-tekhnicheskie nauki, 36-38. (in Russian).
3. Zhogashtiev, N. T., Abdaliev, U. K., & Tashpolotov, Y. (2012). Poluchenie suspenzii nizkorazmernykh poroshkov uglya s pomoshch'yu metoda gidroudarnogo fraktsionirovaniya. Perspektivnye tekhnologii i materialy, (1). (in Russian).
4. Shanygin, V. Y., Nefedov, D. V., & Yafarov, R. K. (2019). Carbon Film Nanocomposite for High-Current Field Electron Sources. Izvestiya of Saratov University. New Series. Series: Physics, 19(1), 68-75. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2019-19-1-68-75. (in Russian).
Работа поступила Принята к публикации
в редакцию 14.12.2019 г. 19.12.2019 г.
Ссылка для цитирования:
Жогаштиев Н. Т. Создание композиционного материала на основе низкоразмерных углеродных частиц // Бюллетень науки и практики. 2020. Т. 6. №1. С. 192-197. https://doi.org/10.33619/2414-2948/50/22
Cite as (APA):
Zhogashtiev, N. (2019). Creation of a Composite Material Based on Low-sized Carbon Particles. Bulletin of Science and Practice, 6(1), 192-197. https://doi.org/10.33619/2414-2948/50/22 (in Russian).
