Выпуски УФМ »  Том 20, выпуск 1

Влияние углеродных нанотрубок на механохимический синтез нанопорошков карбидов $d$-металлов и нанокомпозитов на их основе

О. И. Наконечная$^{1}$, Н. Н. Дашевский$^{1}$, О. И. Бошко$^{2}$, В. В. Заводянный$^{3}$, Н. Н. Белявина$^{1}$

$^1$Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, ул. Владимирская, 60, 01033 Киев, Украина
$^2$Институт металлофизики им. Г.В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Академика Вернадского, 36, 03142 Киев, Украина
$^3$Херсонский государственный аграрный университет, ул. Стретенская, 23, 73006, Херсон, Украина

Получена: 01.10.2018; окончательный вариант — 03.01.2019. Скачать: PDF logoPDF

Механохимическим методом в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице из шихты, содержащей углеродные нанотрубки, синтезированы наноразмерные моно- (порошки) и двойные (компактированные нанокомпозиты) карбиды $d$-переходных металлов. Рассмотрено влияние многослойных углеродных нанотрубок на механохимический синтез полученных материалов. Выяснены особенности механизма формирования карбидов переходных металлов в процессе механохимического синтеза. В частности, показано, что на первом этапе синтеза (до 60 мин обработки шихты) имеет место аморфизация углеродных нанотрубок и измельчение частиц исходного металла по границам зёрен. В дальнейшем аморфизированный углерод попадает внутрь решётки металла, образуя твёрдый раствор внедрения, в результате чего металлическая подрешётка становится дефектной. На втором этапе синтеза (от 60 до 250 мин размола) процесс внедрения атомов углерода в металлическую матрицу ускоряется и начинается формирование карбидных фаз на поверхности частиц исходного металла. Третий этап синтеза завершает формирование карбида. Установлено, что время размола, необходимое для полного преобразования исходных компонентов в карбид, коррелирует с энтальпией его образования, а поля механических напряжений релаксируют по двум основным каналам: нагрев и измельчение. Обнаружено, что исследованные в данной работе карбиды $d$-переходных металлов при механохимическом синтезе формируются в основном за счёт самоподдерживающейся реакции. Показана эффективность использования углеродных нанотрубок при создании нанокомпозиционных материалов с улучшенными функциональными характеристиками. Установлено, что механохимический метод является эффективным для синтеза многокомпонентных карбидов (твёрдых растворов замещения), получить которые другими способами практически невозможно.

Ключевые слова: механохимический синтез, углеродная нанотрубка, карбид, твёрдый раствор, рентгеновская дифракция, электронная микроскопия.

Citation: O. I. Nakonechna, M. M. Dashevskyi, О. І. Boshko, V. V. Zavodyannyi, and N. N. Belyavina, Effect of Carbon Nanotubes on Mechanochemical Synthesis of $d$-Metal Carbide Nanopowders and Nanocomposites, Usp. Fiz. Met., 20, No. 1: 5–51 (2019), doi: 10.15407/ufm.20.01.005

Цитированная литература (65)  
  1. P. Balaz, Acta Metalurgica Slovaca, (Spec. issue), No. 4: 23 (2001).
  2. V. Boldyrev, Khimiya v Interesakh Ustoichivogo Razvitiya, 10, Nos. 1–2: 3, (2002) (in Russian).
  3. M. Carry-Lea, Am. J. Sci., 141: 259 (1891).
  4. E. P. Elsukov, I. V. Povstugar, A. L. Ul’yanov, and G. A. Dorofeev, Fiz. Met. Metalloved., 101, No. 2: 193 (2006) (in Russian).
  5. A. C. Damask and G. J. Dienes, Point Defects in Metals (Gordon and Breach, 1st edition: 1963).
  6. A. M. Shalaev, Radiatsionno-Stimulirovannaya Diffuziya v Metallakh [Radiation-Induced Diffusion in Metals] (Moscow: Atomizdat: 1972) (in Russian).
  7. L. N. Larikov and V. M. Kal’chenko, Mekhanizm Vliyaniya Fazovykh Prevrashcheniy na Diffuziyu. Diffuziya v Metallah i Splavah [Mechanisms of Influence of the Phase Transformations on Diffusion. Diffusion in Metals] (Tula: 1968) (in Russian).
  8. S. D. Gercriken and V. M. Fal’chenko, Voprosy Fiziki Metallov i Metallovedeniya, No. 16: 153 (1962) (in Russian).
  9. B. S. Bokshtejn, S. Z. Bokshtein, and A. A. Zhuhovickiy, Termodinamika i Kinetika Diffuzii v Tverdykh Telakh [Thermodynamics and Kinetics of Diffusion in Solids] (Moscow: Metallurgiya: 1974) (in Russian).
  10. R. W. Baluffi and A. J. Ruoff, J. Appl. Phys., 34, No. 6: 1634 (1963). Crossref
  11. A. J. Ruoff and R. W. Baluffi, J. Appl. Phys., 34, No. 7: 1848 (1963). Crossref
  12. V. M. Lomer, Vakansii i Tochechnye Defekty [Vacancies and Point Defects] (Moscow: Metallurgizdat: 1961) (in Russian).
  13. Yu. P. Romashkin, Fiz. Tverd. Tela, 11, No. 12: 1059 (1960) (in Russian).
  14. V. V. Neverov, V. N. Burov, and A. I. Korotkov, Fiz. Met. Metalloved., 48, No. 5: 978 (1978) (in Russian).
  15. J. S. Benjamin, Sci. Am., 234, No. 5: 40 (1976).
  16. J. S. Benjamin, Mat. Sci. Forum, 88–90: 1 (1992). Crossref
  17. P. H. Shingu, Mechanical Alloying, 88–90 (Zurich: Trans Tech Publ.: 1992). Crossref
  18. V. V. Boldyrev, Eksperimental’nye Metody v Mekhanokhimii Tverdykh Neorganicheskikh Veshchestv [Experimental Methods in Mechanochemistry of Solid Inorganics] (Novosibirsk: Nauka. Siberian branch: 1983) (in Russian).
  19. V. V. Boldyrev, Kinetika i Kataliz, 13, 1411 (1972) (in Russian).
  20. V. Boldyrev and G. Heinicke, Z. Chem. B, 19: 356 (1975).
  21. N. Z. Lyahov and V. V. Boldyrev, Izv. SO AN SSSR. Ser. Khim., 5: 8 (1985) (in Russian).
  22. N. S. Lyakhov, Proc. Second Japan–Soviet Symposium on Mechanochemistry (Eds. G. Jimbo, M. Senna, and Y. Kuwohara) (Tokyo: Publishing Society Powder Technology: 1988), p. 59.
  23. Yu. T. Pavlukhin, Ya. Ya. Medikov, and V. V, Boldyrev, Izv. SO AN SSSR, Ser. Khim., 4: 11 (1981) (in Russian).
  24. Y. T. Pavlukhin, Ya. Ya. Medikov, and V. V. Boldyrev, J. Solid State Chem., 53, No. 2: 155 (1984). Crossref
  25. Yu. T. Pavlukhin, Ya. Ya. Medikov, and V. V. Boldyrev, Rev. Solid State Sci., 2: 603 (1988).
  26. H. Heegn, Proc. First Int. Conf. Mechanochemistry (Cambridge: Cambridge Intersci. Publ.: 1993), p. 11.
  27. R. B. Schwarz and C. C. Koch, Appl. Phys. Lett., 49, No. 3: 146 (1986). Crossref
  28. D. R. Maurice and T. Courtney, Metall. and Mat. Trans. A, 21: 289 (1990). Crossref
  29. V. V. Boldyrev, V. R. Regel’, O. F, Pozdnyakov, F. H. Urukaev, and B. Ya. Byl’skij, Dokl. AN SSSR, 221: 634 (1975) (in Russian).
  30. F. H. Urukaev, V. V. Boldyrev, O. F, Pozdnyakov, and V. R. Regel’, Kinetika i Kataliz, 18, 350 (1977) (in Russian).
  31. E. L. Goldberg, S. V. Pavlov, Proc. Second World Congress on Particle Technology (Ed. G. Jimbo) (Kyoto: Japan Society Technology: 1990), p. 507.
  32. V. V. Boldyrev, S. V. Pavlov, and E. L. Goldberg, Intern. J. Miner. Proc., 44–45: 181 (1996).
  33. C. C. Koch, Mater. Trans., JIM, 36, No. 2: 85 (1995). Crossref
  34. C. Suryanarayana, Progress Mater. Sci., 46, Nos. 1–2: 1 (2001). Crossref
  35. C. Suryanarayana and N. Al-Aqeeli, Progress Mater. Sci., 58, No. 4: 383 (2012). Crossref
  36. T. F. Grigorieva, A. P. Barinova, and N. Z. Lyakhov, Russ. Chem. Rev., 70: 45 (2001). Crossref
  37. P. Y. Butyagin, Russian Scientiéc Review. Sect. B: Chemistry Reviews, 2, Pt. 2: 89 (London: Harwood Academic Publ.: 1998).
  38. R. Schwarz, Mater. Sci. Forum, 269–272: 665 (1998). Crossref
  39. V. K. Pecharsky and P. Y. Zavalij, Fundamentals of Powder Diffraction and Structural Characterization of Materials (New-York: Springer: 2009). Crossref
  40. M. Dashevskyi, O. Boshko, O. Nakonechna, and N. Belyavina, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 39 No. 4: 541 (2017). Crossref
  41. G. K. Williamson and W. H. Hall, Acta Met., 1, No. 1: 22 (1953). Crossref
  42. S. Iijima, Nature, 354: 56 (1991). Crossref
  43. X. Long, Y. Bai, M. Algarni, Y. Choi, and Q. Chen, Mat. Sci. Eng. A, 645: 347 (2015). Crossref
  44. R. A. Andrievskiy and A. V. Ragulya, Nanostrukturnye Materialy [Nanostructured Materials] (Moscow: Academiya: 2005) (in Russian).
  45. O. Boshko, O. Nakonechna, M. Dashevsky, K. Ivanenko, N. Belyavina, and S. Revo, Adv. Powder Technol., 27, No. 4: 1101 (2016). Crossref
  46. O. Boshko, O. Nakonechna, N. Belyavina, M. Dashevsky, S. Revo, Adv. Powder Technol., 28, No. 3: 964 (2017). Crossref
  47. O. Nakonechna, M. Dashevskyi, and N. Belyavina, Metallofiz. Noveishie Tekhnol., 40, No. 5: 637 (2018). Crossref
  48. P. Matteazzi and G. Le Caër, J. Am. Ceram. Soc., 74, No. 6: 1382 (1991). Crossref
  49. A. Teresiak and H. Kubsch, Nanostruct. Mater., 6, Nos. 5–8: 671 (1995). Crossref
  50. Q. Yuan, Y. Zheng, and H. Yu, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 27, No. 4: 696 (2009). Crossref
  51. H. Jia, Z. Zhang, Z. Qi, G. Liu, and X. Bian, J. Alloys Compd., 472, Nos. 1–2: 97 (2009). Crossref
  52. B. Ghosh and S. K. Pradhan, Mater. Chem. Phys., 120, Nos. 2–3: 537 (2010). Crossref
  53. C. J. Lu and Z. Q. Li, J. Alloys Compd., 395, Nos. 1–2: 88 (2005). Crossref
  54. N. J. Calos, J. S. Forrester, and G. B. Schaffer, J. Solid State Chem., 158, No. 2: 268 (2001). Crossref
  55. L. Takacs, J. Solid State Chem., 125, No. 1: 75 (1996). Crossref
  56. B. H. Lohse, A. Calka, and D. Wexler, J. Alloys Compd., 434–435: 405 (2007). Crossref
  57. N. Q.Wu, G. X. Wang, J. M. Wu, Z. Z. Li, and M. Y. Yuan, Int. J. Refract. Met. Hard Mater., 15, Nos. 5–6: 289 (1997). Crossref
  58. X. K. Zhu, K. Y. Zhao, B. C. Cheng, Q. S. Lin, X. Q. Zhang, T. L. Chen, and Y. S. Su, Mater. Sci. Eng. C, 16, Nos. 1–2: 103 (2001). Crossref
  59. E. P. Elsukov and G. A. Dorofeev, Khimiya v Interesakh Ustoichivogo Razvitiya, 10: 59 (2002) (in Russian).
  60. E. P. Elsukov, G. A, Dorofeev, and V. V. Boldyrev, Khimiya v Interesakh Ustoichivogo Razvitiya, 10: 53 (2002) (in Russian).
  61. E. P. Yelsukov, G. A. Dorofeev, V. A. Barinov, T. F. Grigorieva, and V. V. Boldyrev, Mater. Sci. Forum, 269–272: 151 (1998). Crossref
  62. N. P. Lyakishev, Fazovye Diagrammy Binarnyh Metallicheskikh Sistem [Phase Diagrams of Binary Metallic Systems] (Moscow: Mashinostroeniye: 1996) (in Russian).
  63. Y. B. Li, B. Q. Wei, J. Liang, Q. Yu, and D. H. Wu, Carbon, 37, No. 3: 493 (1999). Crossref
  64. V. Raghavan, J. Phase Equilib., 24, No. 1: 62 (2003). Crossref
  65. O. I. Nakonechna, N. N. Belyavina, M. M. Dashevskyi, K. O. Ivanenko, and S. L. Revo, Phys. Chem. Solid State, 19, No. 2: 179 (2018). Crossref

Лицензия Creative Commons
Эта статья доступна по Лицензии Creative Commons “Attribution-NoDerivatives” («атрибуция — без производных статей») 4.0 Всемирная
© 2000–2020 «Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины»