Научная статья на тему 'Защитные покрытия и термическая устойчивость нанопорошков алюминия, полученных в условиях электрического взрыва'

Защитные покрытия и термическая устойчивость нанопорошков алюминия, полученных в условиях электрического взрыва Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
624
121
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
нанопорошок алюминия / наночастица / пассивирование / пассивирующее покрытие / реакционная способность / нитрид бора / диборид алюминия / электрический взрыв проводника / параметры термической устойчивости / aluminum nanopowder / Nanoparticle / Passivation / Passivation coating / reactivity / Boron nitride / Aluminum diboride / Electrical wire explosion / parameters of thermal stability

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Ильин Александр Петрович, Тихонов Дмитрий Владимирович, Назаренко Ольга Брониславовна

Проведен анализ современных способов стабилизации нанопорошков алюминия. Исследованы свойства свежеприготовленных и после 13 лет хранения нанопорошков алюминия, пассивированных путем нанесения тугоплавких соединений бора в процессе электрического взрыва проводника в газовых средах. Установлено, что неорганические покрытия (AlB<sub>2</sub>, AlN, BN) как и органические не сохраняют металлический алюминий при длительном хранении нанопорошков в нормальных условиях в условногерметичной таре.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Ильин Александр Петрович, Тихонов Дмитрий Владимирович, Назаренко Ольга Брониславовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Modern stabilization methods of aluminum nanopowders have been analyzed. Properties of freshly prepared nanopowders and those 13 years later passivated by coating refractory boron compounds at conductor electrical wire explosion in gas environment were studied. It was ascertained that inorganic coatings (AlB<sub>2</sub>, AlN, BN) do not save metal aluminum at nanopowders long-term storage in normal conditions in conditionally-sealed container as well as the organic ones.

Текст научной работы на тему «Защитные покрытия и термическая устойчивость нанопорошков алюминия, полученных в условиях электрического взрыва»

Химия

УДК 544.5

ЗАЩИТНЫЕ ПОКРЫТИЯ И ТЕРМИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ НАНОПОРОШКОВ АЛЮМИНИЯ, ПОЛУЧЕННЫХ В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА

А.П. Ильин, Д.В. Тихонов, О.Б. Назаренко

Томский политехнический университет E-mail: dv_1@mail.ru

Проведен анализ современных способов стабилизации нанопорошков алюминия. Исследованы свойства свежеприготовленных и после 13 лет хранения нанопорошков алюминия, пассивированных путем нанесения тугоплавких соединений бора в процессе электрического взрыва проводника в газовых средах. Установлено, что неорганические покрытия (AlB2, AlN, BN) как и органические не сохраняют металлический алюминий при длительном хранении нанопорошков в нормальных условиях в условногерметичной таре.

Ключевые слова:

Нанопорошок алюминия, наночастица, пассивирование, пассивирующее покрытие, реакционная способность, нитрид бора, диборид алюминия, электрический взрыв проводника, параметры термической устойчивости.

Key words:

Аluminum nanopowder, nanoparticle, passivation, passivation coating, reactivity, boron nitride, aluminum diboride, electrical wire explosion, parameters of thermal stability.

Введение

Уменьшение размеров частиц порошков алюминия приводит к увеличению в них доли оксидов и гидроксидов [1]. Особенно быстрый рост доли оксидов (до 5...6 мас. %) наблюдался у субмикронных порошков, например, в порошке АСД-8 (диаметр частиц менее 1 мкм), а уже в нанопорошках пассивированных медленным окислением добавками воздуха в аргон удается стабилизировать лишь 85.92 мас. % алюминия [2]. Столь высокие потери металлического алюминия и нестабильное состояние нанопорошков алюминия (НПА) делает их малопригодными для практического использования [3]. Поэтому проблемой является надежное пассивирование нанопорошков с сохранением достаточного содержания металлического алюминия. Одновременно необходимо решить и проблему совместимости нанопорошков с органическими веществами. Как неорганическое вещество нанопорошок (НП) алюминия на поверхности имеет сильно полярные химические связи А1-0 в отличие от мало полярных С-Н и неполярных С-С связей в полимерах.

Целью данной работы являлся экспериментальный поиск и исследование условий получения наиболее устойчивых покрытий, их нанесение на по-

верхность наночастиц алюминия в процессе электрического взрыва проводника в среде аргона и/или азота.

1. Современные способы стабилизации нанопорошков алюминия

1.1. Состояние поверхности наночастиц алюминия При пассивировании НПА содержание кислорода по мере продвижения от поверхности наночастицы к ее центру уменьшается. Использование метода анализа элементного состава - вторичной ионной масс-спектрометрии позволило провести зондирование поверхности прессованных образцов на глубину несколько сотен нанометров [4]. Поверхность образца (спрессованная таблетка) предварительно протравливали аргоновой плазмой для очистки от газов и термически неустойчивых веществ. Анализ масс-спектров НП алюминия, полученного с помощью электрического взрыва проводников в аргоне, показал, что соотношение ионных токов (тД=27) и 16 а.е.м. (А1+ и 0+ ионы) равно 2,3:1, т. е. ионизации, большей частью, подвергаются атомы алюминия, а толщина оксидной пленки намного меньше, чем глубина зондирования образца.

Общее содержание кислорода в НПА также определяли с помощью метода резерфордовского обратного рассеяния (POP) ионов 2He2+. а-частицы имели начальную энергию ^0=1,8 МэВ, поэтому глубина зондирования прессованных образцов составляла 0,5 мм. Абсолютная точность определения содержания каждого элемента была не хуже ±5 отн. %. Согласно полученным результатам содержание кислорода в пассивированном на воздухе свежеприготовленном образце оказалось 36,7 мас. %, против 30,7 мас. % в хранившемся на воздухе НПА.

Поверхностный слой на наночастицах алюминия был также исследован с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС): глубина зондирования составляла 5 нм. Запись спектров проводили с помощью электронного спектрометра «ESCA-З» при давлении в камере энергоанализатора 1,3-10-6Па. В качестве источника рентгеновского излучения использовали магниевый анод, а в качестве внешнего стандарта - линию C1s (284,8 эВ) в спектре излучения примеси углерода. Качественный элементный состав поверхности наночастиц включал алюминий, кислород и углерод. Результаты количественной обработки РФЭС образцов приведены в табл. 1.

Таблица 1. Соотношение между алюминием и кислородом в поверхностном слое наночастиц алюминия

№ п/п Алюминийсодержащий порошок (газ-среда получения) Энергия связи, эВ Соотношение А1:0 (атомные)

C1s 01s А12р

1 НПА1 (H2) 284,8 531,7 74,3 2,0:4,5

2 НПА1 (H2) 284,8 531,8 74,3 2,0:3,3

3 НПА1 (H2) 284,8 531,6 74,2 2,0:4,8

4 НПА1 (H2) 284,8 531,9 72,7 2,0:2,1

5 НПА1 (H2) 284,8 531,1 73,0 2,0:2,1

6 НПА1 (H2) 284,8 530,9 72,2; 74,3 2,0:2,3

7 НПА1+А1203 284,8 531,3 74,3 2,0:2,9

8 АСД-4 (N2) 284,8 531,6 74,3 -

9 А1 - - 72,8 -

10 А1А - 531,0 74,9 2,0:3,0

11 ^OOH - 530,8:531,8 75,4 2,0:4,0

12 А1 (0H)3 - 532,0 75,6 2,0:6,0

Примечание

По мере возрастания порядкового номера образца время хранения возрастало

Данные [16]

Данные [16]

Согласно РФЭС сначала при пассивировании происходило увеличение содержания кислорода (обр. 1-3) в поверхностном слое, затем его содержание было меньше стехиометрического количества (обр. 4-6), чем это необходимо для формирования А1203 (2:3). Необходимо также обратить внимание на энергетическое состояние 2р-электронов атомов алюминия: если атомы алюминия образуют любую химическую связь, то энергия отрыва 2р-электрона от алюминия во всех соединениях увеличивается, по сравнению с энергией связи в метал-

лическом алюминии [5] за исключением случая образования гидридов алюминия (обр. 4-6). Таким образом, в сравнении с металлическим алюминием (ЕА12р=72,8 эВ) для образцов № 4 и 6 наблюдались (табл. 1) полосы излучения 2р-электронов с меньшей энергией, то есть атомы алюминия химически связанны с атомами водорода (гидриды алюминия). Действительно, НП алюминия содержали до 1,5 мас. % абсорбированного и адсорбированного водорода, часть которого связана в гидриды.

В ИК спектре свежеприготовленных НП присутствует полоса поглощения около 950 см-1. Согласно анализу литературных данных и расчетам по формуле Борна [6] эту полосу можно отнести к хемосорбированной молекуле кислорода в фрагменте -А1-0-0, который имеет один неспаренный электрон. С неспаренным электроном также связан синглетный сигнал в спектре поглощения электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Таким образом, при адсорбции кислорода на поверхности наночастиц алюминия образуется промежуточное пероксидное соединение. Его присутствие увеличивает долю кислорода в поверхности на начальной стадии пассивирования (табл. 1). Этот экспериментальный факт (табл. 1) объясняет образование пероксидных соединений и повышение содержание кислорода более, чем в оксиде алюминия. Другой причиной высокого содержания кислорода в поверхности может быть участие воды в процессе пассивирования и в образовании гидроксидов алюминия.

Низкое содержание металлического алюминия сужает области использования НПА в практических целях: в своем составе нанопорошок содержит до 5.7 мас. % адсорбированных и абсорбированных газов, до 5 мас. % оксидов, гидроксидов алюминия и до 92 мас. % металлического алюминия. Таким образом, получить стопроцентный нанопорошок алюминия практически невозможно. Тем не менее, пассивированый добавками воздуха в аргон, НПА активен в процессах горения, спекания и в химических реакциях [7].

1.2. Пассивирование с помощью тонких пленок

органических соединений

Другим направлением в пассивировании нанопорошков явилось нанесение на поверхность наночастиц тонких пленок органических веществ: стеариновой, олеиновой, пальмитиновой и других кислот [8]. Нанесение органических веществ решает проблему совместимости нанопорошков с полимерами, но не решает проблему повышения устойчивости НПА к окислению: температура начала разложения полимеров ниже, чем температура начала окисления НПА. Пассивирование НПА до температур 350.380 °С возможно: частицы нанопорошка до их контакта с воздухом могут быть покрыты стеариновой кислотой, растворенной в толуоле с НПА, путем химического взаимодействия с выделением Н2 [8].

Рис. 1. Термограмма НП алюминия, пассивированого стеариновой кислотой (масса навески 5,3380 мг, скорость нагрева 10 °/мин, атмосфера - воздух)

При нагревании в воздухе НПА с покрытием из стеариновой кислоты (рис. 1) после 100 °С наблюдается десорбция газов и деструкция покрытия (масса уменьшается на 2,9 мас. %). При 400 °С заметно медленное увеличение массы, переходящее в быстрый процесс (масса увеличивалась на 37,9 % за 2 мин.). При этом протекало одновременно два конкурирующих процесса: окисление алюминия и спекание наночастиц в крупные капли. Таким образом, при нагревании до 660 °С (температура плавления алюминия) окисляется большая доля НП алюминия. С 660 до 1050 °С окислялся алюминий в виде кру-

пных капель: прирост массы составлял 24,7 мас. %. Аналогичные результаты были получены после нанесения себациновой кислоты на поверхность наночастиц НПА: при 350 °С произошло полное разложение органической кислоты, что заметно по зависимости массы от температуры (ТГ), рис. 2, уменьшение массы составило 3,4 мас. %.

Попытки вводить добавки активных газов (02, ^) в аргон и в нем получать нанопорошки не дали положительных результатов: при пассивировании образовывалась защитная оболочка в виде неустойчивых к нагреву и к окислению веществ [9].

2. Материалы и методики эксперимента

Образцы НП получали на экспериментальной установке, оснащенной механизмом автоматической подачи проводника при частоте следования электрических взрывов 0,6...0,8 Гц [10].

Комбинированная схема установки показана на рис. 3. В качестве взрываемого проводника использовали алюминиевую проволоку диаметром

0,20 мм с содержанием алюминия 99,8 мас. %. На поверхность проводника наносили покрытие, состоящее из порошка аморфного бора и затвердевшего бакелитового лака. Массовая доля аморфного бора по отношению к общей массе проводника с покрытием составляла 2,6 мас. %. В качестве рабочего газа применяли аргон, азот, или смесь этих газов при различных парциальных давлениях. Условия приготовления нанопорошков представлены в табл. 2.

Рис. 2. Термограмма НП алюминия, покрытого себациновой кислотой (масса навески 5,5500 мг, скорость нагрева 10 °/мин, атмосфера - воздух)

Рис. 3. Комбинированная схема установки: 1) блок питания установки; 2) пульт управления; 3) высоковольтные кабели; 4) токовый шунт; 5) камера высоковольтного ввода; 6) проходные изоляторы; 7) разрядник; 8) взрывная камера; 9) механизм подачи проводника; 10) вентилятор; 11) фильтр-уловитель нанопорошка; 12) сборник нанопорошка; 13) форваку-умный насос; 14) баллон с газом; 15) трубопровод для сброса газа в вытяжную вентиляцию; 16) взрывающийся проводник; 17) заземленный электрод; 18) мановакууметр; 19) двигатель механизма подачи проводника; 20) пульт управления форвакуумным насосом; 21) газовые краны

Взрывы проводников проводили в режиме «быстрого взрыва» (по классификации Беннета) [11]. Осуществляли режимы электровзрыва с дуговой стадией. Величины удельной введенной энергии Щ/Щ и удельной энергии дуговой стадии Щ/Щ регулировали путем изменения зарядного напряжения и0 или длины Iвзрываемого проводника (Ж- энергия, введенная в проводник на стадии собственно взрыва; Щ - энергия, введенная в проводник на стадии дугового разряда; Щс - энергия сублимации взрываемого проводника). В работе изучали порошок, осевший в сборнике нанопорошка (рис. 3, поз. 12) и прошедший пассивирование в среде аргона с контролируемым напуском воздуха.

Таблица 2. Условия взрыва алюминиевых проводников с покрытием бором

№ обр. и0, кВ 1, мм Газ-среда Давление, Па №/№,: WJW:

1 22,0 69 Аг 0,5.105 1,86 1,30

2 27,5 69 Аг-16 %-Ы2-84 % 1,2.105 3,33 1,72

3 22,5 69 Аг 0,5.105 1,90 1,39

4 25,0 40 N2 104 2,23 3,59

5 26,0 40 N2 104 2,19 4,27

6 21,0 40 N2 104 2,86 1,82

7 13,5 40 N2 104 1,31 0,76

8 10,0 40 N2 104 1,04 0,10

Фазовый состав порошков определяли с использованием рентгеновского дифрактометра <^Ытаёги» XRD-7000. Размер и форму частиц анализировали с помощью растрового микроскопа JSM-7500FA «1ео1». Дисперсность порошков характеризовалась средним объемно-поверхностным диаметром частиц, который определяли при помощи тепловой десорбции аргона (метод БЭТ). Содержание металлического алюминия в НП и его реакционную способность определяли по параме-

трам химической активности [12]: температуре начала окисления, максимальной скорости окисления, степени окисленности НП и удельному тепловому эффекту окисления. Для определения этих параметров использовали совмещенный термоанализатор ТГА/ДСК/ДТА SDT Q600.

3. Пассивирование нанопорошков алюминия

нанесением тугоплавких соединений бора

Перспективным защитным покрытием является тугоплавкий А1В2, стандартная энтальпия образования которого составляет лишь ЛН0=-60 кДж/моль в сравнении с А1203 (ЛН0=-837 кДж/моль) и с АТЫ (ЛН0=-327 кДж/моль) [5]. Формирование защитного покрытия согласно динамике разлета продуктов происходило в условиях электрического взрыва алюминиевых проводников при взаимодействии с покрытием из бора. В среде аргона происходило образование наночастиц диаметром 80 нм с покрытием А1В2 и с температурой начала окисления 600 °С (табл. 3, образец 1). Свежеприготовленный образец 1 содержал 94,2 мас. % металлического алюминия. Значения расчетных теплот сгорания исследуемых образцов показывают, что замена оксидно-ги-дроксидной оболочки частиц оболочкой из А1В2 при окислении дает дополнительно 2.4 кДж/г теплоты.

Полученные нанопорошки алюминия (табл. 2) хранили в условно герметичной таре в течении 13 лет при 20 °С и относительной влажности 60.80 % и затем тестировали с помощью физикохимических методов анализа.

По данным электронной микроскопии (рис. 4) видно, что частицы незначительно различаются по диаметру и практически не агломерированы. В основном диаметр частиц составлял менее 100 нм. Согласно данным рентгенофазового анализа порошки имеют сложный фазовый состав и содержат только металлический алюминий и нитрид алюми-

ния, за исключением образцов № 1 и 3, фазовый состав которых представлен исключительно алюминием. При электрическом взрыве проводника в смеси аргон+азот продукты взрыва - нанопорошки наряду с металлическим алюминием содержат нитриды бора и алюминия.

Рис. 4. Фотография НП алюминия с покрытием из диборида алюминия после 13-ти лет хранения в условно герметичной таре (табл. 3и4, образец 1)

Таблица 3. Характеристики нанопорошков после 13 лет хранения в условно-герметичной таре

№ обр. Тно Ттах Содержание АІ0 5,.д, м2/г (БЭТ) №/№,:

1 550,1 591,5 76,7 31 , 3 1,86 1,30

2 519,6 570,7 66,2 16,8 3,33 1,72

3 536,8 582,4 73,9 32,0 1,90 1,39

4 536,6 584,4 76,1 - 2,23 3,59

5 549,7 600,5 73,8 - 2,19 4,27

6 559,5 599,6 72,8 - 2,86 1,82

7 581,0 617,8 75,3 - 1,31 0,76

8 573,0 614,7 76,7 - 1,04 0,10

9* 660,0 920,0 98 ,5 0,2 - -

*ПорошокАСД-4 (среднеповерхностныйдиаметр частиц 10 мкм).

Оксиды алюминия и бор в продуктах электрического взрыва не были обнаружены, по-видимому, из-за их рентгеноаморфности, либо их низкого содержания в образцах. Согласно полученным результатам (табл. 3) за время хранения содержание металлического алюминия снизилось на 8.20 мас. %, за исключением образца 2, для которого снижение составило около 30 мас. %, наиболее вероятно такое снижение содержания металлического алюминия связано с отличным от других образцов условиями хранения. Температура начала окисления (Гно) не сильно отличается для образцов с различным покрытием, и с различной дисперсностью, и составляла 550+30 °С.

Максимальная температура Тшш образцов при окислении также мало различалась и составляла 570,7.617,8 °С. Таким образом, при длительном хранении НП алюминия в условно-герметичной таре неорганические покрытия (А1В2, ЛШ, В^

не исключают окисления металлического алюминия. Тем не менее, при хранении в течение короткого времени (1.3 года) они лучше защищают НП алюминия от окисления в сравнении с покрытиями из органических кислот [14]. Процесс окисления металлического алюминия в НП в нормальных условиях специфичен и отличается тем, что окислителем является протон. Он способен проникать через любое вещество: радиус атома водорода составляет 0,053 нм, а протона - 0,877-10-6 нм, т. е. они различаются на 5 порядков.

Ранее было установлено, что в условия электрического взрыва образуются наночастицы металлов, несущие электрический заряд [15]. Рекомбинации разноименно заряженных частиц не происходит, благодаря плотному адсорбционному слою из аргона («аргоновая шуба»). При взаимодействии с компонентами атмосферы (02, N2, Н20) в металлической части наночастицы увеличивается положительный заряд за счет адсорбции молекул воды на поверхности, и её диссоциации и диффузии окислителя - протонов к металлу.

Таким образом, термодинамически разрешенный (ЛG<0) процесс окисления металлов, стоящих в ряду напряжений до водорода, тормозится разностью потенциалов внешнего отрицательно заряженного слоя и приповерхностного положительно заряженного слоя, сосредоточенного на границе раздела металл-оксид.

Выводы

1. Установлено, что покрытия нанопрошков алюминия из органических веществ (стеариновой, олеиновой, пальмитиновой и других кислот) при нагревании разлагаются при более низкой температуре (<400 °С), чем начинают окисляться нанопорошки. Неорганические покрытия (А1В2, АВД, В^ как и органические не сохраняют металлический алюминий при длительном хранении в нормальных условиях в условногерметичной таре.

2. Содержание металлического алюминия в нанопорошках после 13 лет хранения примерно одинаково для различных типов покрытий - А1В2, АВД, BN и составляет 71,45+5,25 мас. %. Исходное содержание металлического алюминия в нанопорошке с покрытием из А1В2 составляло 94,2 мас. % в сравнении с нанопорошком алюминия, пассивированном добавками воздуха в аргон, для которого содержание металлического алюминия не превышает 92 мас. %.

3. Основным окислителем нанопорошков металлов является протон, который образуется при диссоциации воды, адсорбированной из воздуха. Поэтому для замедления процесса окисления нанопорошков необходимо применять покрытие с гидрофильными свойствами и минимальной сорбционной способностью к воде. Работа выполнена с использованием оборудования научнообразовательного инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» ТПУ и научно-аналитического центра ТПУ.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федоров С.Г., Гусейнов Ш.Л., Стороженко П.А. Нанодиспер-сные порошки металлов в энергетических конденсированных системах. Российский электронный наножурнал. 2010. URL: http://issuu.com/tan130/docs/rn_2010_t5_n9—10?viewMo-de=magazine (дата обращения: 19.09.2011).

2. Ильин А.П., Проскуровская Л.Т. Окисление алюминия в ульт-радисперсном состоянии на воздухе // Порошковая металлургия. - 1990. - № 9. - С. 32-34.

3. Tepper F., Ivanov G., Lerner M., Davidovich V. Energetic formulations from nanosize metal powders // Proceedings of the International Pyrotechnics Seminar, 24th. - N.Y., 1998. - Р. 519-530.

4. Проскуровская Л.Т., Ильин А.П. Сорбированный и химически связанный кислород вУДП алюминия // Межвузовский сб. научных трудов: Физико-химия ультрадисперсных порошков. Ч. 1. - Томск: НИИ ВН при ТПИ, 1990. - С. 37-40.

5. Гурвич Л.В., Карачевцев Г.В., Кондратьев В.Н. и др. Энергии разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону. Справочник / под ред. В.Н. Кондратьева. -М.: Наука, 1974. - 351 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Ормонт Б.Ф. Введение в физическую химию и кристаллохимию полупроводников. - М.: Высшая школа, 1968. - 487 с.

7. Ильин А.П., Громов А.А. Горение алюминия и бора в сверхтонком состоянии. - Томск: Изд-во ТГУ, 2002. - 154 с.

8. Ляшко А.П., Ильин А.П., Савельев Г.Г. Модифицирование субмикронных порошков алюминия // Журнал прикладной химии. - 1993. - Т. 66. - № 6. - С. 1230-1233.

9. Перекос А.Е., Рудь А.Д., Седой В.С. Структура малых металлических частиц, синтезируемых электроразрядными методами

// В сб.: Синтез наноразмерных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещества / под ред. А.В. Булгакова, Н.М. Булгакова, И.М. Буракова и др. - Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2009. - С. 399-444.

10. Азаркевич Е.И., Ильин А.П., Тихонов Д.В., Яблуновский Г.В. Электровзрывной синтез ультрадисперсных порошков сплавов и интерметаллических соединений // Физика и химия обработки материалов. - 1997. - № 4. - С. 85-88.

11. Bennet F.D. High-temperature Exploding Wires // Progress in High-temperature Physics and Chemistry. - N.Y.: Pergamon Press.- 1968. - V. 2. - P. 1-63.

12. Ильин А.П., Яблуновский Г.В., Громов А.А. Об активности порошков алюминия // Физика горения и взрыва. - 2001. - Т. 37. - № 4. - С. 58-62.

13. Назаренко О.Б. Электровзрывные нанопорошки: получение, свойства, применения. - Томск: Изд-во ТГУ, 2005. - 148 с.

14. Громов А.А., Хабас Т.А., Ильин А.П. и др. Горение нанопорошков металлов / под ред. А.А. Громова. - Томск: Дельтаплан, 2008. - 382 с.

15. Ильин А.П. Развитие электровзрывной технологии получения нанопорошков в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете // Известия Томского политехнического университета. - 2003. - Т. 306. - № 1. - С. 133-139.

16. Турова Н.Я. Справочные таблицы по неорганической химии / под ред. Н.С. Тамм. - Л.: Химия, 1977. - С. 70-71.

Поступила 09.08.2011 г.

УДК 546.82:539.374.2/6:66.094.3-926-217:543.573

ОСОБЕННОСТИ ОКИСЛЕНИЯ СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ТИТАНА ПРИ НАГРЕВАНИИ В ВОЗДУХЕ

А.В. Коршунов, А.П. Ильин, А.И. Лотков*, И.В. Раточка*, Т.П. Морозова, О.Н. Лыкова*

Томский политехнический университет *Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, г. Томск E-mail: korshunov@tpu.ru

Исследован процесс окисления в воздухе образцов титана с субмикрокристаллической структурой (средний размер элементов зеренно-субзеренной структуры 0,46 и 0,15 мкм), полученных методом пластической деформации. Показано, что в условиях деформационного воздействия в титане возрастает содержание растворенного кислорода, приводящего к стабилизации а-фа-зы и смещению температуры полиморфного перехода a-Ti^-fi-Ti в область более высоких температур. При линейном нагреве в воздухе наблюдается немонотонное изменение скорости прироста массы образцов, связанное с неравномерным характером роста зерен и миграции границ. По результатам изучения кинетики окисления Ti в изотермических условиях в интервале 600...800 °С показано, что процесс протекает вдиффузионном режиме вследствие формирования на поверхности металла плотного оксидного слоя. С уменьшением среднего размера зерна в образцах происходит понижение эффективной энергии активации процесса окисления за счет повышения диффузионной проницаемости металла. Основной кристаллической фазой, образующейся при окислении Ti в данном температурном интервале, независимо от структуры металла является ТЮ2-рутил.

Ключевые слова:

Титан, интенсивная пластическая деформация, субмикрокристаллическая структура, окисление, термогравиметрия.

Key words:

Titanium, severe plastic deformation, submicrocrystalline structure, oxidation, thermogravimetry.

Введение

Перспективы применения титана и его сплавов с мелкозернистой и субмикрокристаллической структурой связаны с улучшением ряда физикомеханических характеристик (увеличение прочно-

сти с сохранением пластичности) по сравнению с крупнозернистыми материалами. Известно, что перевод металла в субмикрокристаллическое состояние за счет различного вида деформационных воздействий сопровождается возрастанием доли

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.