Випуски УФМ »  Том 20, випуск 1

Вплив вуглецевих нанотрубок на механохемічну синтезу нанопорошків карбідів $d$-металів і нанокомпозитів на їх основі

О. І. Наконечна$^{1}$, М. М. Дашевський$^{1}$, О. І. Бошко$^{2}$, В. В. Заводянний$^{3}$, Н. М. Білявина$^{1}$

$^1$Київський національний університет імені Тараса Шевченка, вул. Володимирська, 60, 01033 Київ, Україна
$^2$Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України, бульв. Академіка Вернадського, 36, 03142 Київ, Україна
$^3$Херсонський державний аграрний університет, вул. Стрітенська, 23, 73006, Херсон, Україна

Отримана: 01.10.2018; остаточний варіант — 03.01.2019. Завантажити: PDF logoPDF

Механохемічною методою у високоенергетичному планетарному кульовому млині з шихти, що містить вуглецеві нанотрубки, синтезовано нанорозмірні моно- (порошки) та подвійні (компактовані нанокомпозити) карбіди $d$-перехідних металів. Розглянуто вплив багатошарових вуглецевих нанотрубок на механохемічну синтезу одержаних матеріялів. З’ясовано особливості механізму формування карбідів перехідних металів у процесі механохемічної синтези. Зокрема, показано, що на першому етапі синтези (до 60 хв. оброблення шихти) має місце аморфізація вуглецевих нанотрубок і подрібнення частинок вихідного металу по межах зерен. Надалі аморфізований вуглець потрапляє всередину ґратниці металу, утворюючи твердий розчин втілення, внаслідок чого металеві підґратниці набувають дефектности. На другому етапі синтези (від 60 до 250 хв розмелювання) процес втілення атомів Карбону в металічну матрицю пришвидшується та починається формування карбідних фаз на поверхні частинок вихідного металу. Третій етап синтези завершує формування карбіду. Встановлено, що час розмелювання, потрібний для повного перетворення вихідних компонентів у карбід, корелює з ентальпією його утворення, а поля механічних напружень релаксують за двома основними напрямами: нагрівання та подрібнення. Виявлено, що досліджені в даній роботі карбіди $d$-перехідних металів під час механохемічної синтези формуються в основному за рахунок самопідтримуваної реакції. Показано ефективність використання вуглецевих нанотрубок при створенні нанокомпозиційних матеріялів з поліпшеними функціональними характеристиками. Встановлено, що механохемічна метода є ефективною для синтези багатокомпонентних карбідів (твердих розчинів заміщення), одержати які іншими способами майже неможливо.

Ключові слова: механохемічна синтеза, вуглецева нанотрубка, карбід, твердий розчин, рентґенівська дифракція, електронна мікроскопія.

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

Цитована література (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

Ліцензія Creative Commons
Цю статтю ліцензовано на умовах Ліцензії Creative Commons із зазначенням авторства — без похідних 4.0 Міжнародна
© 2000–2020 «Інститут металофізики ім. Г. В. Курдюмова НАН України»