Нанотехнология негіздері оқу құралы Алматы
Механикалық - химиялық айналулар
жүктеу/скачать 3,31 Mb.
|
нанотех
| 3.6 Механикалық - химиялық айналулар
Механикалық - химиялық нанокластерлерді және наножүйелерді алудағы өте нәтижелі әдіс, әдетте ол шарлы немесе планетарлы диірмендер көмегімен іске асырылады. Қарастырылған механикалық - химиялық реакциялар жаңа қосылыстардың пайда болуына әкеп соғады, олардың пайда болуы реакцияларда, мысалы температуралық фактормен шақырылған реакцияларда болуы мүмкін емес. Заттың түйісу аймағында қозғаушы күші, мысалы металдық шар болатын механикалық әсер, сол түйісу аймағының бетінде кернеудің пайда болуына әкеледі.Осы кернеуді шешуге және бос энергияның төмендеуіне әкелетін кезекті релаксация жылу бөлуі, жаңа беттің пайда болуы, ақаулардың тууына және химиялық реакциялардың жүруімен қабаттасуы мүмкін. Энергияның релаксация бағыты бастапқы заттың құрылымына, механикалық өңдеудің шарттарына (қондырғының қуатынан, қысым мен жылжудың арасындағы қатынасынан), кластердің өлшемі мен пішініне тәуелді. Өңдеу қуатын және әсер ету уақытын көтеру релаксация жолынан жылулық каналы түрінде пластикалық деформацияға, содан кейін химиялық реакцияға өтуін қамтамасыз етеді. Механикалық - химиялық өңдеу кезіндегі механикалық әсер импульсті болып табылады, сондықтан кернеу өрісінің пайда болуы және оның релаксациясы кластерлердің реакторда ұстау уақытының ішінде жүрмейді, тек соқтығысу кезінде және содан аз уақытта, сол себептен үрдістің кинетикасын зерттеудің қажеттілігін тудырады. Дегенмен, механикалық әсер тек импульсті ғана емес, сонымен қатар жергілікті болады, себебі заттың көлемімен біркелкі жүрмейді, тек қана генерация және кернеу өрісінің релаксация аумағында жүреді.Қоспалардың температуралық ыдырау реакцияларында кластерлердің түзілуі тәрізді механохимиялық айналулар да бірнеше стадияларды қамтиды. Бұл, бәрінен бұрын, беттің активациясына әкелетін бетте атомдардың сырғуы мен үйкелуі, одан кейін заттың нанодиапазонға дейін майдалануы және механохимиялық реакцияларды жүргізу, ары қарай нанокластерлердің ұнтақталу мүмкіндігі, енді ақырында пісіру себебінен нанокластерлердің іріленуі. Механикалық - химиялық синтез көмегімен көптеген баяу балқитын қоспалардың жүйелері алынған, металл боридтері, металл карбидтері, 7 нм шамасындай өлшемді TiC, ZrC, VC, NbC, көптеген металл қорытпалары, мысалы 5 ÷ 15 нм өлшемді FeNi, FeFAl және т.б. Титан карбидінің нанокластерлерінің мысалында механохимиялық айналуларын қарастырайық. Механикалық - химиялық синтездің компоненттері Ti және С шарлы диірменде ұнтақтаудың нәтижесінде құрамы Тi44С56 болатын кластер түзеді. 3.8 суретте механосинтездің әртүрлі уақытында алынған наножүйелердің рентгенограммалары көрсетілген. 3.8 сурет. Синтездің әртүрлі уақытында алынған Тi44С56 наножүйелерінің айналуының рентгенограммалары Өңдеу уақытынан кейін 2·103 с титан мен көміртегінің бастапқы фракцияларына сәйкес келетін тек кең рефлекстер бақыланады. 11·103с кейін графит рефлекстері жоғалады, ал 15·103с кейін рефлекстер пайда болады, олар кристалдық торы кубтық құрылымды болатын жаңа фаза – торының тұрақтысы 0,4326 нм болатын титан карбидіне сәйкес. Ұнтақтау уақытын 4·104с металдық титаннан рефлекстің толықтай жоғалуына және титан карбидінен рефлекстің ұлғаюына әкеп соғады.Ұнтақтау уақытын 8·104с дейін көтеру кластерлер өлшемінің ұлғаюына және олардың деформациясының жиналуына әкеледі, ол рентгендік дифракциясының сызығын кеңейтумен жүреді. 7,2·105с уақыт аралығындағы ұнтақтау жүйесі титан карбидінің нанокристалдарының түзілуіне мүмкіндік береді. Әсер ету уақытын 106с дейін көтеру титан карбидінің нанокластерлерінің ешқандай өзгеріске ұшырамады, мысалы пісіруге. Карбидті-титанды жүйеге механикалық - химиялық әсерлерді кинетикалық зерттеудің нәтижелері 3.9 суретте келтірілген. 3.9 сурет. Түйіндердің өлшемінің механосинтез кезіндегі Тi44С56 қосындысын ұнтақтау уақытының ұзақтығына тәуелділігі.Қара нүктелер - электронномикроскопиялық зерттеулердің мәліметтері бойынша алынған нанокластерлер мен дәндердің өлшемдері, ашық түсті нүктелер рентгендік дифракцияның мәліметтері. Бұл суреттің нәтижелері титан карбидінің түзілуінің төрт стадияларын бөлуге мүмкіндік береді. 3.10 суретте салыстыру мақсатымен сканирлеуші электрондық микроскопияның суреттері келтірілген. 3.10 сурет. Ti44C56 үшін түзілетін кластерлердің және бастапқы түйіндердің суреті: а) бастапқы қоспа; б) ұнтақтау уақыты 1,1∙104; в) 4∙104; г) 7,2∙105 с Бастапқы қоспа (3.10 сур.) әртүрлі пішінді және өлшемді түйіндер жиынтығы. Ұнтақтаудың бірінші стадиясында (1,1∙104с дейін) (3.9 сурет) орта мөлшері 103 нм болатын Ti/C композитті түйіндердің түзілуі жүреді (3.10 сур.). Бұл түйіндер титан және көміртегі қабаттарынан тұрады. Екінші стадия (ұнтақтау уақыты 1,1∙104 ÷ 2∙104с) 800 ÷ 1000 нм ірі кластерлерінің пайда болуымен жүретін титан карбидінің түзілу реакциясы жүретін қатты фазалық механикалық - химиялық реакцияны көрсетеді. Үшінші стадияда 2∙104 ÷ 8∙104с уақыт кезінде нанокластерлердің 5 нм дейін майдалануы болады.Узақтығы 8∙104 ÷ 1∙106 с уақыт болатын соңғы стадия орта өлшемі 2 ÷ 3 нм болатын нанокластерлердің өлшем бойынша гомогенизациясын білдіреді. Нанокластерлер өлшемі 300 нм болатын сфералық бөлшектерге біріккен (3.10 сурет, г). жүктеу/скачать 3,31 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|