CC BY
26
Деревообрабатывающая промышленность
199
УДК 669.24/29.018:[539/25+539/26]
Д. В. Куис, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой (БГТУ);
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);
И. Л. Тоболич, студент (БГТУ)
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АМОРФНО-НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КОМПОЗИТА
ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ НАНОУГЛЕРОДА, ПОЛУЧЕННОГО СПЕКАНИЕМ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ
Композиционные материалы получены из порошка карбонильного железа и углеродистых материалов в соотношении С - 90 мас. % методом высокотемпературной интенсивной пластической деформации. Структурное состояние материалов изучено различными методами исследования.
Of powders carbonyl iron and carbon materials in the ratio C - 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. Спекание композитов на основе нанодисперсных компонентов системы Бе-С при высоких давлениях представляет большой интерес в связи с возможностью получения повышенных физико-механических свойств, в частности твердости и износостойкости [1]. Ранее нами показано, что при спекании в условиях высоких давлений (4-5 ГПа) и температур (950-1200оС) в нанокомпозите на основе Бе с добавкой 3-10 мас. % наноуглерода образование сверхтвердой углеродной фазы происходит не только из фуллеренов, но и из других, более дешевых нанодисперсных углеродных материалов - фуллеренсодержащей сажи, многостенных нанотрубок, фуллереновой черни
[2]. В результате было сделано предположение о ведущем влиянии на образование «сверхтвердой углеродной фазы» в композитах Бе-С дисперсности наноуглеродного компонента и технологии спекания материала [3]. Поэтому представлялось целесообразным исследовать возможность получения твердого композита С-Бе с преобладанием сверхтвердой углеродной фазы и обратным соотношением компонентов железа и углерода.
Основная часть. В качестве исходных использовались нанопорошок экстрагированной фуллереновой сажи (Сэфс) и микропорошок карбонильного железа с размером частиц 5-100 мкм в соотношении 90 мас. % Сэфс : 10 мас. % Бе. Использовалась экстрагированная фуллерено-вая сажа (Сэфс) после практически исчерпывающей экстракции фуллеренов из продукта электродугового испарения графита. Методика приготовления образцов композита описана в работе
[3]. Спекание проводилось при давлении 4 ГПа.
Методами световой и сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифракции и микрорентгеноспектрального анализа установлено, что полученный нами композици-
онный материал приблизительно на 90% представляет собой сплошную углеродную фазу с аморфной составляющей и нанокристаллитами различной морфологии и степени дисперсности (1,5-14,5 нм), а также содержит не более 7-10% фазы из дисперсных частиц различного размера на основе карбидов железа, распределенных по объему достаточно равномерно. Установлено, что полученные образцы содержат различные модификации сверхтвердой углеродной фазы серого цвета, преобладающая из которых с микротвердостью до 78 ГПа играет роль связующей, находясь при спекании в квазижидком состоянии.
Микротвердость включений сверхтвердой фазы близка к твердости алмаза, фазы на основе Бе - 9,2-10,8 ГПа. Удельный вес высокотвердого углеродного композита 2,14-2,18 г/см3. Он имеет удельный вес 2,14-2,18 г/см3 и характерный стекловидный излом [3].
Поверхность излома связующей серой фазы «основа», по данным сканирующей электронной микроскопии, почти гладкая, характерная для стеклообразного аморфного углерода, дифракция рентгеновских лучей которого показывает только «аморфное гало» [3].
Поверхность частиц сверхтвердой фазы с «глобулярным» рельефом состоит из более мелких «глобул», спаянных между собой [3]. Микрорентгеноспектральный анализ показал, что сверхтвердая фаза с «глобулярным» рельефом состоит из углерода.
Для исследования тонкой структуры нано-композита, уточнения фазового состава и степени разупорядочения кристаллической структуры были использованы методы просвечивающей электронной микроскопии, электронографии и Рамановской спектроскопии.
В тонкой структуре нанокомпозита в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ)
200
ISSN 1683-0377. Труды БГТУ. 2014. № 2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность
наблюдаются области нанокристаллического строения и бесструктурные участки (рис. 1, а); на картине дифракции с бесструктурного участка (рис. 1, б) наблюдаются два размытых кольца Лауэ, соответствующих первой и второй сферам углерода, свидетельствующих о полном разупорядочении, аморфном состоянии.
б
Рис. 1. Результаты исследования
нанокомпозитов ПЭМ: а - тонкая структура, по стрелке: 1 - нанокристаллический участок, по стрелке; 2 - аморфный; б - картина дифракции с аморфного участка (а), по стрелке 2
Результаты Рамановской спектроскопии (рис. 2) подтверждают данные ПЭМ о разупорядочении -аморфизации структуры нанокомпозита.
2500 ■ 2000 ■
И
1500 -
1000 ■
500
D
Ü
-1 2
0 500
1500
2500
1/см
Рис. 2. Спектры Рамана нанокомпозита Сэфс -10 мас. % Ге, типичные для аморфного углерода; 1 - высокотвердая фаза с «глобулярным рельефом»; 2 - серая фаза «основа»
Положение D-линии Vd = 1350 см1 и высокое отношение интенсивностей Id / Ig типично для аморфного углерода [4].
Заключение. Таким образом, полученный углеродный нанокомпозит на основе Сэфс - 10% Fe, является аморфным, подобным стекловидному углероду, содержащим сверхтвердые частицы. При этом его твердость является изотропной, то есть одинаково высокой во всех направлениях.
Полученные результаты представляют интерес в связи с сообщением ученых из Геофизической Лаборатории Карнеги (США) о новой аллотропной форме супертвердого углерода -аморфном алмазе [5], имеющем потенциальное преимущество перед обычным алмазом - его твердость также является изотропной, то есть одинаковой во всех направлениях, в отличие от обычного алмаза, для которого ее величина зависит от направления в кристаллической решетке.
Литература
1. Структура и свойства сверхупругих и твердых углеродных частиц, армирующих износостойкие композиционные материалы, полученные из смеси порошков железа и фул-леренов под давлением / О. П. Черногорова [и др.] // Российские нанотехнологии. 2008. Т. 3. № 5-6. С. 150-157.
2. 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.
3. Влияние условий термобарической обработки наноуглерода под высоким давлением на образование и тонкую структуру сверхтвердой фазы / В. С. Урбанович [и др.] // Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология: сб. тез. докл. 8-й Между-нар. конф., Троицк, 25-28 сент. 2012 г. Троицк: Тровант, 2012. С. 500-510.
4. Компан М. Е., Крылов Д. С., Соколов В. В. Комбинационное рассеяние света в самоформирующемся нанопористом углероде на основе карбида кремния // Физика и техника полупроводников. 2011. Т. 45. Вып. 3. С. 316-321.
5. Carnegie Institution for Science [Electronic resource] / News. New form of superhard carbon observed. USA, Washington, 2011. URL: http://www.carnegiescience.edu. Date of access: 11.10.2011.
Поступила 27.02.2014
а
v
