Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие
жүктеу/скачать 3.3 Mb. Pdf көрінісі
|
глава 1. Методы синтеза наночастиц и нанопорошков 1.11. термоциклирование вблизи температуры структурных фазовых переходов Для создания нанокристаллических керамических материалов, об- ладающих достаточно высокой твердостью, пониженной хрупкостью и устойчивостью к растрескиванию, перспективны карбиды переход- ных металлов IV, V и VI групп. Это наиболее тугоплавкие из всех со- единений, по твердости уступающие только алмазу и кубическому нитриду бора. Монокарбиды переходных металлов IV и V групп МС у — сильно нестехиометрические соединения. В неупорядоченном состо- янии они имеют кубическую структуру В1 и могут содержать до 50 % структурных вакансий в неметаллической подрешетке. При темпера- туре ниже 1300 K структура В1становится неустойчивой и в нестехио- метрических карбидах происходят фазовые переходы беспорядок–по- рядок первого рода, сопровождающиеся скачкообразным изменением объема и образованием упорядоченных фаз со сложными сверхструк- турами. Процесс упорядочения является диффузионным, поэтому пре- вращение происходит в течение определенного времени, зависяще- го от температуры. Карбиды синтезируют в интервале температур от 1400 до 1800 K, которые выше температур фазовых превращений беспорядок–порядок (T trans ). При охлаждении карбида до комнатной температуры происходит упорядочение. При быстром охлаждении процесс упорядочения не успевает закончиться и нестехиометриче- ский карбид остается в метастабильном неупорядоченном состоянии. Из-за различия параметров решеток неупорядоченной и упорядочен- ной фаз в образце возникают напряжения, которые могут привести к растрескиванию кристаллитов по границам раздела этих фаз. Умень- шив размеры доменов упорядоченной фазы, можно получить нано- структурированные порошки нестехиометрических карбидов. Идея формирования наноструктуры с помощью атомно-вакан- сионного упорядочения нестехиометрических соединений впервые была реализована на примере нестехиометрического карбида вана- дия. Выбор этого соединения в качестве объекта исследования обу- словлен тем, что в нем упорядочение проявляется наиболее отчетливо. В нанокристаллических твердых телах и нанопорошках важную роль играют не только объемные (связанные с размерами частиц), но и по- верхностные (связанные с состоянием и структурой границ раздела) 61 1.11. термоциклирование вблизи температуры структурных фазовых переходов эффекты, поэтому при изучении физико-химических свойств карби- да ванадия особое внимание уделялось состоянию поверхности изу- чаемого вещества. Частицы наноструктурированого порошкообразного карбида ва- надия VC 0.875 получены карботермическим восстановлением оксида V 2 O 5 с последующим охлаждением до комнатной температуры. Кар- бид ванадия является наноструктурированным, его наночастицы име- ют форму искривленных лепестков, которые, объединяясь между со- бой, образуют структуру, напоминающую кораллы (рис 1.7). Рис. 1.7. Морфология частиц порошка карбида ванадия VC 0.875 (частицы размером около 1 мкм — совокупность двумерных нанокристал- литов в форме искривленных лепестков-дисков диаметром от 400 до 600 нм и толщиной около 20 нм) Результаты электронной микроскопии показали малое отклонение размеров наночастиц. Наноструктурированный карбид ванадия уни- кален, такая структура ранее не наблюдалась. Кристаллическую струк- туру карбида ванадия изучали методом рентгеновской дифракции |