ФОРМИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ ОКСИДА ВОЛЬФРАМА Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ОБРАБОТКАМЕТАЛЛОВ

УДК 66.017

ФОРМИРОВАНИЕ ОДНОРАЗМЕРНЫХ ЧАСТИЦ ОКСИДА ВОЛЬФРАМА

В.Г. БУРОВ, канд. техн. наук, профессор, Н.Ф. УВАРОВ, доктор хим. наук, с.н.с., А.А. ДРОБЯЗ, аспирант, Д.С. ТЕРЕНТЬЕВ, аспирант, И.Ю. РЕЗАНОВ, магистрант, И.А. НЕВЗОРОВ, магистрант

(НГТУ, Новосибирск)

Статья поступила 6 сентября 2010 г.

Буров В.Г. - 630092, Новосибирск, Новосибирский государственный технический университет,

пр. К. Маркса, 20; e-mail: [email protected]

Проведен дифференциально-термический анализ взаимодействия частиц порошковой смеси WC-Cu в процессе нагрева. Получены наноразмерные частицы оксида вольфрама в форме нанотрубок.

Ключевые слова: оксид вольфрама, нанотрубки, дифференциально-термический анализ.

A differential thermal analysis of the interaction of particles of powder mixture WC-Cu is made. Nanosized particles of tungsten oxide in the form of nanotubes are obtained.

Key words: tungsten oxide, nanotubes, differential thermal analysis.

Введение

Уменьшение размеров компонентов композиционных материалов до размеров нанодиапазона (1...100 нм) представляет значительный интерес в плане получения новых свойств. Перспективность использования ультрадисперсных порошков для улучшения свойств дисперсно-упрочненных композиционных материалов является основанием для поиска новых методов получения наноразмер-ных порошков металлов и керамических соединений.

В данной работе1 приведены отдельные результаты исследования способа получения нанотрубок из оксида вольфрама.

Материалы и методики

При проведении исследований использовались следующие материалы:

- порошок карбида вольфрама марки С1 производства Кировоградского завода твердых сплавов зернистостью 10.20 мкм;

- порошок вольфрама зернистостью 20 мкм;

- порошок меди марки ПМС-1 зернистостью 50. 100 мкм;

- порошок меди (nCu) производства ООО «Передовые порошковые технологии», г. Томск, со средним размером частиц 50 нм;

- порошок оксида меди двухвалентной ТУ б-09-02-391-85 зернистостью 50 мкм.

Дифференциально-термический анализ проводился с использованием системы синхронного термического анализа NETZSCH Jupiter STA 449 C с масс-спектрометром Aeolos II. Морфология и химический состав частиц оценивались на растровом электронном микроскопе EVO 50 XVP производства фирмы Carl Zeiss с приставкой микро-рентгеноспектрального анализа Oxford Instruments и просвечивающего электронного микроскопа TECHNAI G2 20 TWIN. При проведении исследований, направленных на определение влияния размеров частиц порошковой смеси WC-Cu на процессы, происходящие при её нагреве, были использованы порошковые смеси, приведенные в табл. 1.

Т а б л и ц а 1 Композиционный состав и процентное соотношение компонентов порошковых смесей

№ Состав Масс. % Масса, г t нагрева, °С

1 WC-Cu 50:50 0,5 1100

2 WC-nCu 50:50 0,5 1100

3 nWC-Cu 50:50 0,5 1100

4 nWC-nCu 50:50 0,5 1100

5 WC-CuO-nCu 49,5:49,5:1 10 1000

б WC-^О 50:50 10 1000

7 W-CuO-nCu 49,5:49,5:1 10 1000

S W-^О 50:50 10 1000

9 WC-CuO-nCu 8б,5:12,5:1 40 б00

Порошковые смеси различного состава (табл. 1) подвергались нагреву в системе синхронного термического анализа NETZSCH Jupiter STA 449 C и в специально созданной установке, схема которой изображена на рис. 1. После охлаждения порошковые смеси исследовались на растровом электронном микроскопе и просвечивающем электронном микроскопе. Смеси 1 - 4 нагревались в установке для синхронного термического анализа, смеси 5 - 9 - в специально созданной установке.

Рис. 1. Установка для получения наноразмерного порошка оксида вольфрама: 1 - печь типа СНОЛ, 2 - герметичная камера, 3 - порошковая смесь WC-CuO-nCu, 4 - выход к форвакуумному насосу

1 Работа выполнена при финансовой поддержке АВЦП 2009-2010

№3(48)2010 39

Ом

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Результаты и обсуждение

При проведении дифференциально-термического анализа нагреваемые порошковые смеси наносились на железную пластину. Построенные калориметрические диаграммы для разных составов порошковых смесей представлены на рис. 2, а. Диаграмма, соответствующая порошковой смеси № 2, имеет существенное отличие, заключающееся в выделении дополнительного тепла при температуре 692,2 °С (рис. 2, б).

Температура 'С

а

692,2 •с .772,3 С

\ ' / /

V

1095,3^

Результаты дифференц Вакуум 10 мкбар. Нагрев до 1100 "С со о Рв(99,75%)+нм Си+\ЛГС юльной сканирующей калориметрии □ростью 10 К/мин. 922,3 'С II !_ 1

ФЩ

4%

Рис. 4. Оплавленные частицы оксида вольфрама при спекании порошковой смеси 5

Дополнительные эксперименты и анализ полученных данных показал, что такой эффект достигается за счет наличия окисной пленки на наноразмерных частицах меди. Взаимодействие оксида меди с крупными частицами карбида вольфрама приводит к появлению зародышей оксида вольфрама и дальнейшему их эпитаксиальному росту. Происходит увеличение содержания оксида меди (нагрев порошковых смесей 5-8), а также образование оксида вольфрама, но уже с повышенным содержанием кислорода, в результате чего при высоких температурах эти частицы оплавляются (рис. 4).

Температура °С б

Рис. 2. ДСК кривые: а - диаграммы для порошковых смесей 1 - 4, б - диаграмма для порошковой смеси 2

При структурных исследованиях полученных образцов после нагрева до 1100 °С выявлено, что наличие нано-размерной меди и крупнозернистого карбида вольфрама (образец № 2) приводит к образованию новой фазы, имеющей форму стержней прямоугольного наноразмерного сечения (рис. 3). Максимальная длина стержней составляет 20 мкм, а минимальный размер в поперечном сечении не превышает 10 нм. Химический состав стержней дает основание сделать заключение о том, что эти образования являются оксидом вольфрама. Исследование полученных частиц на просвечивающем электронном микроскопе позволило установить их структуру. Стержни являются на-нотрубками, которые при эпитаксиальном росте через расплав меди получают структуру, отличающуюся низкой дефектностью. На рис. 3, б представлен электронно-микроскопический снимок одной из трубок.

Рис. 3. Изображения полученных при нагреве порошковой смеси № 2 наночастиц оксида вольфрама

Рис. 5 Формирование трубчатого оксида вольфрама после спекания порошковой смеси WC-CuO-nCu при 600 °С

Нагрев порошковой смеси № 9, содержащей карбид вольфрама, 12 % оксида меди и 1 % нанопорошка меди, при 600 °С привело к резкому увеличению скорости образования оксида вольфрама в форме нанотрубок (рис. 5).

Заключение

Получены данные об образовании оксидных нанотру-бок при нагреве смеси порошков карбида вольфрама, оксида меди и наноразмерной меди.

Установлено, что наличие наноразмерных частиц оксида меди позволяет обеспечить наноразмерность образующихся нанотрубок оксида вольфрама.

Список литературы

1. Нанотрубки и родственные наноструктуры оксидов ё-металлов: синтез и моделирование / Г.С. Захарова, В.Л. Волков, В.В. Ивановская, А.Л. Ивановский // Успехи химии. - 2005. Т. 74. - № 7. - С. 651-685.

2. Нанотехнологии, свойства и применение наноструктури-рованных материалов // Успехи химии. - 2007. Т. 76. - № 5. -С. 474-500.

3. Многофункциональные наноматериалы / Суздалев И.П. // Успехи химии. - 2009. Т. 78. - № 3. - С. 266-301.

40 №3(48)2010