CC BY
10ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ УДК 621.762-03
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОТРУБОК
ОКСИДА ВОЛЬФРАМА
Д. С. ТЕРЕНТЬЕВ, аспирант, (НГТУ, г. Новосибирск)
Терентьев Д.С. - 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: [email protected]
Статья поступила 5 сентября 2011 года
Изучено влияние количественного состава порошковой смеси карбида вольфрама и наноразмерной меди на результаты синтеза нанотрубок оксида вольфрама. Установлено влияние технологических режимов на морфологию получаемых нанотрубок. Наибольший выход годного продукта получается при нагреве до 1100 °С порошковой смеси, содержащей по массе 95 % крупнозернистого карбида вольфрама и 5 % предварительно окисленной наноразмерной меди.
Ключевые слова: нанотрубки, оксид вольфрама. Введение
За последнее десятилетие опубликован ряд научных работ, посвященных изучению оксида вольфрама на нанофазном уровне [1, 2]. Основным достижением выполненных исследований является получение новой модификации соединения вольфрама с кислородом в форме нанотрубок. В большинстве опубликованных работ [3-5] нанотрубки оксида вольфрама в основном синтезировали химическими методами. Общей характерной чертой получаемых нанотрубок являлось наличие поликристаллической структуры.
Образование монокристаллических нанотрубок оксида вольфрама было обнаружено нами в процессе исследования взаимодействия частиц металлов с частицами карбида вольфрама [5]. Исследование эффекта эпитаксиального роста нанотрубок при нагреве порошковых смесей наноразмерных частиц меди и крупных частиц карбида вольфрама позволило нам вскрыть новую технологию получения нанотрубок оксида вольфрама, имеющих минимальное количество дефектов кристаллической структуры.
Использование монокристаллических нанотру-бок оксида вольфрама в качестве сырья для получения нанокристаллических частиц монокарбида вольфрама обеспечивает последним уникальные свойства, определяемые, прежде всего, их структурой. Одной из задач исследований является выяснение роли состояния наноразмерных частиц меди на процесс синтеза нанотрубок карбида вольфрама и на их структуру.
Методика проведения исследований
Для проведения исследований была создана установка (рис. 1), состоящая из муфельной печи типа 8ШЬ7.2/1300, форвакуумного насоса ВН-461М и герметичного контейнера. Рабочая часть контейнера располагалась в зоне нагрева, а другая часть, к ко -торой присоединялся шланг от вакуумного насоса, охлаждалась водой. Установка позволяет варьировать температурно-временные режимы синтеза в широких пределах.
Синтез нанотрубок оксида вольфрама проводился в соответствии с технологическими режимами, представленными в таблице.
Рис. 1. Общий вид установки для получения нанотрубок оксида вольфрама
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Технологические режимы получения нанотрубок
Результаты исследований
Номер опыта Состав порошковой смеси, % по массе Температура, °С Время нагрева, мин Время выдержки, мин Разряжение вакуума, Торр
1 90 WC + 10 nCu 1040 180 0 10-3
2 90 WC + 10 nCu 1080 180 0 10-3
2 95 WC + 5 nCuO 1080 180 0 10-3
3 95 WC + 5 nCuO 1100 180 0 10-3
В режимах 1 и 2 использовали наноразмерный порошок меди (nCu), который получен методом электрического взрыва медного проводника. На режимах 3 и 4 использовался наноразмерный порошок меди (nCu), предварительно окисленный на воздухе в течение 24 часов при температуре 150 °С. Окисление приводило к получению наноразмерно-го порошка оксида меди (nCuO). Средний размер частиц монокарбида вольфрама варьировался в
диапазоне 8___13 мкм. Дисперсность нанопорошка
меди и оксида меди составляла 90 нм. Исходные порошки перемешивались в планетарной мономельнице Fritsch pulverisette 6 в течение шести часов. Морфология и результаты энергодисперсионного микроанализа исходной порошковой смеси 95 % WC + 5 % nCuO представлены на рис. 2 и 3. Капсулы с порошковой смесью помещались для
Рис. 2. Морфология исходной порошковой смеси 95 % WC + 5 % nCuO
Синтезированные нанотрубки оксида вольфрама исследовались с помощью растровой электронной микроскопии Carl Zeiss EVO50 XVP. Морфология нанотрубок оксида вольфрама представлена на рис. 4-7.
При нагреве порошковой смеси 90 % WC + 10 % nCu в соответствии с первым режимом (см. таблицу), образовывались зародыши нанотрубок оксида вольфрама (рис. 4). Отсутствие роста зародышей нанотрубок объясняется низкой температурой проведения синтеза. При повышении температуры до 1080 °С наблюдался рост зародышей нанотрубок (рис. 5), хотя их количество мало.
Рис. 4. Зародыши нанотрубок оксида вольфрама (режим № 1)
Рис. 5. Нанотрубки оксида вольфрама (режим № 2)
Суммарный спектр
1123456789 Полная икала 22373 ими. Курсор: 0ООО_кэв
Рис. 3. Энергодисперсионный микроанализ исходной порошковой смеси 95 % WC + 5 % пСиО
синтеза в контейнер, в котором обеспечивался вакуум 10 2...10 3 Торр на протяжении всего периода. Контейнер и капсулы изготавливались из нержавеющей стали.
Изменение химического состава исходной порошковой смеси заменой наноразмерной меди на наноразмерный оксид меди приводит к образованию нанотрубок различной морфологии и высокой неоднородности по размерам (рис. 6). Средний размер сечения синтезированных нанотрубок составил 80 нм при длине до 3 мкм.
Наибольший процентный выход нанотрубок оксида вольфрама обеспечивался нагревом порошковой смеси 95 % WC + 5% пСиО до температуры 1100 °С. Средний размер сечения нанотрубок составил 100 нм при длине до 2 мкм (рис. 7). Нанотрубки, синтези-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Рис. 6. Нанотрубки оксида вольфрама (режим № 3)
Рис. 7. Нанотрубки оксида вольфрама (режим № 4)
рованные в соответствии с четвертым технологическим режимом, характеризовались высокой однородностью по размерам. При температуре 1100 °С нами наблюдалось некоторое оплавление кристаллов оксида вольфрама. Последнее обстоятельство свидетельствует о недопустимости дальнейшего повышения температуры синтеза.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
Выводы
1. Морфология нанотрубок оксида вольфрама напрямую зависит от температуры синтеза и химического состава исходной порошковой смеси. Количество кислорода, содержащегося на поверхности наноразмерных частиц меди влияет на размеры синтезируемых нанотрубок оксида вольфрама и на их количество.
2. Использование наноразмерного порошка оксида меди вместо пассивированного наноразмерного порошка меди приводит к росту поперечного сечения синтезируемых нанотрубок до 100 нм.
3. Высокая однородность по размерам и наибольший процентный выход нанотрубок оксида вольфрама обеспечивается нагревом исходной порошковой смеси 95 % WC + 5 % nCuO до температуры 1100 °С.
Список литературы
1. Моисеев А.Н., Чилясов А.В., Дорофеев В.В., Краев И.А. Способ получения высокочистого оксида вольфрама (VI). Патент РФ № 2341461, 2008.
2. Колмакова Л.П., Довженко Н.Н., Ковтун О.Н., Колмакова А.А., Гурская В.Ю. Способ получения вольфрамового порошка. Патент РФ № 2362654, 2009.
3. Zhi-Gang Zhao, Masahiro Miyauchi. Nanoporous-Walled Tungsten Oxide Nanotubes as Highly Active Visible-Light-Driven Photocatalysts // Angewandte Chemie-International Edition, Volume 120, Issue 37, September 1, 2008, Pages: 7159-7163.
4. Bando Yoshio, Li Yubao, Dmitri Golberg. Single crystal tungsten oxide nanotube, single crystal tungsten oxide nanowire, and method for manufacturing them. Patent JP № 2005075654, 2005.
5. Буров В.Г., Уваров Н.Ф., Дробяз А.А., Теренть-ев Д.С., Резанов И.Ю., Невзоров И.А. Формирование наноразмерных частиц оксида вольфрама// Обработка металлов: Технология. Оборудование. Инструменты. - 2010. -№ 3. - C. 39-42.
The technology of nanopowder tungsten carbide
D. Terentiev
The effect of the quantitative composition of the powder mixture of tungsten carbide and copper on results of nanoscale nanotubes synthesis of tungsten oxide. The influence of technological conditions on morphology of nanotubes established. The highest yield of the product obtained by heating of powder mixture containing 95 wt. % of coarse-grained tungsten carbide and 5 wt. % of nanoscale pre-oxidized copper up to 1100 ° C.
Key words: nanotubes, tungsten oxide.
