Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства

Методом электрического взрыва компактных образцов, изготовленных из порошковых смесей железа и графита, в дистиллированной воде получены нанодисперсные порошки при различных соотношениях исходных компонентов. Электронно-микроскопические исследования показали, что частицы железа имеют сферическую фор...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2013
Hauptverfasser:	Перекос, А.Е., Дубовой, А.Г., Войнаш, В.З., Рудь, А.Д., Залуцкий, В.П., Василенко, А.С., Ефимова, Т.В., Рудь, Н.Д.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України 2013
Schriftenreihe:	Металлофизика и новейшие технологии
Schlagworte:	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов
Online Zugang:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104109
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства / А.Е. Перекос, А.Г. Дубовой, В.З. Войнаш, А.Д. Рудь, В.П. Залуцкий, А.С. Василенко, Т.В. Ефимова, Н.Д. Рудь // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 4. — С. 569-582. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-104109
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1041092025-02-09T10:30:23Z Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства Pulse Plasma-Chemical Synthesis of Nanodispersed Iron-Based Powders, Their Phase Composition, and Magnetic Properties Перекос, А.Е. Дубовой, А.Г. Войнаш, В.З. Рудь, А.Д. Залуцкий, В.П. Василенко, А.С. Ефимова, Т.В. Рудь, Н.Д. Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Методом электрического взрыва компактных образцов, изготовленных из порошковых смесей железа и графита, в дистиллированной воде получены нанодисперсные порошки при различных соотношениях исходных компонентов. Электронно-микроскопические исследования показали, что частицы железа имеют сферическую форму, а их размеры зависят от диаметра компактного образца. Фазовый состав нанодисперсных порошков определяется соотношением исходных порошков железа и графита в компактных образцах. Установлено, что существует оптимальное соотношение порошков железа и графита в компактном образце, при котором нанодисперсные порошки содержат минимальное количество оксидов и карбидов. Методом електричного вибуху компактних зразків, одержаних з порошкових сумішей заліза і графіту, в дистильованій воді одержані нанодисперсні порошки при різних співвідношеннях вихідних компонентів. Електронномікроскопічні дослідження показали, що частинки заліза мають сферичну форму, а їх розміри залежать від діаметра компактного зразка. Результати рентгенографічних досліджень засвідчили, що фазовий склад нанодисперсних порошків визначається співвідношенням вихідних порошків заліза та графіту в компактних зразках. Встановлено, що існує оптимальне співвідношення порошків заліза та графіту в компактному зразку, при якому нанодисперсні порошки містять мінімальну кількість оксидів та карбідів. Nanodispersed powders with different proportions of the content of the initial components are synthesized by the method of electric explosion in distilled water of compact samples produced from powder mixtures of iron and graphite. Electron microscopy studies show that iron particles are spherical and their sizes depend on the diameter of а compact powder sample. The results of X-ray studies show that the phase composition of the nanodispersed powders depends on the ratio between the amount of the initial powders of iron and graphite in the compact samples. As established, there exists an optimal ratio of the powders of iron and graphite, when the nanodispersed powders contain the minimum amount of oxides and carbides. 2013 Article Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства / А.Е. Перекос, А.Г. Дубовой, В.З. Войнаш, А.Д. Рудь, В.П. Залуцкий, А.С. Василенко, Т.В. Ефимова, Н.Д. Рудь // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 4. — С. 569-582. — Бібліогр.: 25 назв. — рос. 1024-1809 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104109 PACS numbers:61.05.cp, 68.37.Hk,75.75.Fk,81.07.Wx,81.20.Ka,82.33.Vx, 82.33.Xj ru Металлофизика и новейшие технологии application/pdf Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов
spellingShingle	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов Перекос, А.Е. Дубовой, А.Г. Войнаш, В.З. Рудь, А.Д. Залуцкий, В.П. Василенко, А.С. Ефимова, Т.В. Рудь, Н.Д. Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства Металлофизика и новейшие технологии
description	Методом электрического взрыва компактных образцов, изготовленных из порошковых смесей железа и графита, в дистиллированной воде получены нанодисперсные порошки при различных соотношениях исходных компонентов. Электронно-микроскопические исследования показали, что частицы железа имеют сферическую форму, а их размеры зависят от диаметра компактного образца. Фазовый состав нанодисперсных порошков определяется соотношением исходных порошков железа и графита в компактных образцах. Установлено, что существует оптимальное соотношение порошков железа и графита в компактном образце, при котором нанодисперсные порошки содержат минимальное количество оксидов и карбидов.
format	Article
author	Перекос, А.Е. Дубовой, А.Г. Войнаш, В.З. Рудь, А.Д. Залуцкий, В.П. Василенко, А.С. Ефимова, Т.В. Рудь, Н.Д.
author_facet	Перекос, А.Е. Дубовой, А.Г. Войнаш, В.З. Рудь, А.Д. Залуцкий, В.П. Василенко, А.С. Ефимова, Т.В. Рудь, Н.Д.
author_sort	Перекос, А.Е.
title	Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства
title_short	Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства
title_full	Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства
title_fullStr	Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства
title_full_unstemmed	Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства
title_sort	импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства
publisher	Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
publishDate	2013
topic_facet	Строение и свойства наноразмерных и мезоскопических материалов
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/104109
citation_txt	Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства / А.Е. Перекос, А.Г. Дубовой, В.З. Войнаш, А.Д. Рудь, В.П. Залуцкий, А.С. Василенко, Т.В. Ефимова, Н.Д. Рудь // Металлофизика и новейшие технологии. — 2013. — Т. 35, № 4. — С. 569-582. — Бібліогр.: 25 назв. — рос.
series	Металлофизика и новейшие технологии
work_keys_str_mv	AT perekosae impulʹsnyjplazmohimičeskijsinteznanodispersnyhporoškovnaosnoveželezaihfazovyjsostavimagnitnyesvojstva AT dubovojag impulʹsnyjplazmohimičeskijsinteznanodispersnyhporoškovnaosnoveželezaihfazovyjsostavimagnitnyesvojstva AT vojnašvz impulʹsnyjplazmohimičeskijsinteznanodispersnyhporoškovnaosnoveželezaihfazovyjsostavimagnitnyesvojstva AT rudʹad impulʹsnyjplazmohimičeskijsinteznanodispersnyhporoškovnaosnoveželezaihfazovyjsostavimagnitnyesvojstva AT zaluckijvp impulʹsnyjplazmohimičeskijsinteznanodispersnyhporoškovnaosnoveželezaihfazovyjsostavimagnitnyesvojstva AT vasilenkoas impulʹsnyjplazmohimičeskijsinteznanodispersnyhporoškovnaosnoveželezaihfazovyjsostavimagnitnyesvojstva AT efimovatv impulʹsnyjplazmohimičeskijsinteznanodispersnyhporoškovnaosnoveželezaihfazovyjsostavimagnitnyesvojstva AT rudʹnd impulʹsnyjplazmohimičeskijsinteznanodispersnyhporoškovnaosnoveželezaihfazovyjsostavimagnitnyesvojstva AT perekosae pulseplasmachemicalsynthesisofnanodispersedironbasedpowderstheirphasecompositionandmagneticproperties AT dubovojag pulseplasmachemicalsynthesisofnanodispersedironbasedpowderstheirphasecompositionandmagneticproperties AT vojnašvz pulseplasmachemicalsynthesisofnanodispersedironbasedpowderstheirphasecompositionandmagneticproperties AT rudʹad pulseplasmachemicalsynthesisofnanodispersedironbasedpowderstheirphasecompositionandmagneticproperties AT zaluckijvp pulseplasmachemicalsynthesisofnanodispersedironbasedpowderstheirphasecompositionandmagneticproperties AT vasilenkoas pulseplasmachemicalsynthesisofnanodispersedironbasedpowderstheirphasecompositionandmagneticproperties AT efimovatv pulseplasmachemicalsynthesisofnanodispersedironbasedpowderstheirphasecompositionandmagneticproperties AT rudʹnd pulseplasmachemicalsynthesisofnanodispersedironbasedpowderstheirphasecompositionandmagneticproperties
first_indexed	2025-11-25T20:35:16Z
last_indexed	2025-11-25T20:35:16Z
_version_	1849795983496445952
fulltext	569 PACS numbers:61.05.cp, 68.37.Hk,75.75.Fk,81.07.Wx,81.20.Ka,82.33.Vx, 82.33.Xj Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства А. Е. Перекос, А. Г. Дубовой , В. З. Войнаш, А. Д. Рудь, В. П. Залуцкий, А. С. Василенко, Т. В. Ефимова, Н. Д. Рудь Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины, бульв. Акад. Вернадского, 36, 03680, ГСП, Киев-142, Украина Институт проблем материаловедения им. И. Н. Францевича НАН Украины, ул. Кржижановского, 3, 03680, ГСП, Киев-142, Украина Методом электрического взрыва компактных образцов, изготовленных из порошковых смесей железа и графита, в дистиллированной воде получены нанодисперсные порошки при различных соотношениях исходных компо- нентов. Электронно-микроскопические исследования показали, что части- цы железа имеют сферическую форму, а их размеры зависят от диаметра компактного образца. Фазовый состав нанодисперсных порошков опреде- ляется соотношением исходных порошков железа и графита в компактных образцах. Установлено, что существует оптимальное соотношение порош- ков железа и графита в компактном образце, при котором нанодисперсные порошки содержат минимальное количество оксидов и карбидов. Методом електричного вибуху компактних зразків, одержаних з порошко- вих сумішей заліза і графіту, в дистильованій воді одержані нанодисперсні порошки при різних співвідношеннях вихідних компонентів. Електронно- мікроскопічні дослідження показали, що частинки заліза мають сферичну форму, а їх розміри залежать від діаметра компактного зразка. Результати рентгенографічних досліджень засвідчили, що фазовий склад нанодисперс- них порошків визначається співвідношенням вихідних порошків заліза та графіту в компактних зразках. Встановлено, що існує оптимальне співвід- ношення порошків заліза та графіту в компактному зразку, при якому на- нодисперсні порошки містять мінімальну кількість оксидів та карбідів. Nanodispersed powders with different proportions of the content of the initial components are synthesized by the method of electric explosion in distilled wa- ter of compact samples produced from powder mixtures of iron and graphite. Electron microscopy studies show that iron particles are spherical and their sizes depend on the diameter of а compact powder sample. The results of X-ray studies show that the phase composition of the nanodispersed powders depends Металлофиз. новейшие технол. / Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2013, т. 35, № 4, сс. 569—582 Оттиски доступны непосредственно от издателя Фотокопирование разрешено только в соответствии с лицензией 2013 ИМФ (Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины) Напечатано в Украине. 570 А. Е. ПЕРЕКОС, А. Г. ДУБОВОЙ, В. З. ВОЙНАШ и др. on the ratio between the amount of the initial powders of iron and graphite in the compact samples. As established, there exists an optimal ratio of the pow- ders of iron and graphite, when the nanodispersed powders contain the mini- mum amount of oxides and carbides. Ключевые слова: электрический взрыв проводников, рентгеноструктур- ный анализ, электронная микроскопия, нанодисперсные порошки железа. (Получено 16 декабря 2011 г.; окончат. вариант– 1марта 2013 г.) 1. ВВЕДЕНИЕ Явление электрического взрыва проводников (ЭВП) имеет давнюю ис- торию [1], однако для получения нанодисперсных порошков (НДП) его начали использовать лишь во второй половине прошлого века [2— 6]. В последнее время метод ЭВП широко используют в ИМФ НАН Украины (Киев) и ИИПТ (Николаев) НАН Украины для получения НДП металлов и сплавов, а также углеродных наноматериалов [7—14]. Структурное состояние, фазовый состав и дисперсность НДП, по- лученных методом ЭВП, зависят от многих факторов: химического состава проводников, их размеров, рабочей среды, введенной в про- водник удельной энергии, длительности импульса и т.д. В процессе ЭВП материал проводника, а также рабочая среда, которая непо- средственно контактирует с проводником, переводятся в паро- плазменное состояние. При этом температура паро-плазменной смеси может достигать 104 К, а давление – 102—103 МПа [1, 6]. Во время охлаждения паро-плазменной смеси по окончании электри- ческого импульса атомы металлов активно взаимодействуют с ато- мами, которые входят в состав молекул рабочей среды, и образуют между собой химические соединения. Благодаря этому, подбирая соответствующим образом рабочую среду, можно с помощью ЭВП получать оксиды, карбиды, нитриды, сульфиды и другие соедине- ния металлов [3, 5, 7, 9]. Для получения порошков металлов с ми- нимальным количеством примесей ЭВП необходимо проводить в инертных газах (гелий, аргон) или в криогенных жидкостях [11]. Основная идея настоящей работы заключается в том, чтобы в процессе ЭВП уменьшить влияние кислорода и углерода, которые могут поступать из наиболее распространенных рабочих сред, на формирование НДП металлов. Реализовать эту идею можно в том случае, если в состав рабочей среды будут входить атомы или ионы химических элементов, более активных по отношению к атомам кислорода, чем атомы металлов. По нашему мнению таким элемен- том может быть углерод [10]. Целью данной работы было получение НДП железа в дистилли- рованной воде, а для защиты частиц железа от влияния кислорода, который входит в химическую формулу воды, был использован ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ 571 графит, являющийся одной из аллотропических форм углерода. 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭВП осуществляли на электровзрывной установке «ИМПУЛЬС-БМ- 2» в специально изготовленной рабочей камере из нержавеющей стали. Компактные образцы для осуществления ЭВП изготовляли из крупнозернистых порошков карбонильного железа (размер час- тиц 30—40 мкм) и графита (размер частиц 30—60 мкм). Сначала их смешивали в дистиллированной воде с помощью ультразвукового диспергатора УЗДН-2М, после чего полученную смесь высушивали при комнатной температуре и запрессовывали в керамические труб- ки разного диаметра. Керамические трубки с запрессованной в них порошковой смесью закрепляли в рабочей камере и вводили в них электроды. Взрывы осуществляли в дистиллированной воде при на- пряжении между электродами 4,5 кВ, которое было оптимальным для получения порошков в нанодиапазоне [7]. Соотношение между количествами крупнозернистых порошков железа и графита в ком- пактных образцах и диаметры последних указаны в табл. 1. Размеры и морфологию нанодисперсных частиц (НДЧ) изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа JEM-6360, а структурное состояние и фазовый состав – на рентгеновском ди- фрактометре ДРОН-3.0 с использованием излучения железного анода. Магнитные измерения проводили с помощью баллистиче- ского магнитометра при комнатной температуре в диапазоне маг- нитных полей до 800 кА/м. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ В работах [4, 7] было показано, что частицы Fe, полученные мето- ТАБЛИЦА 1. Соотношение количеств порошков железа и графита в ком- пактных образцах и их диаметр. № образца Соотношение Fe:C Диаметр образца, мм 1 8:1 2 2 8:1 3 3 8:1 5 4 1:1 3 5 4:1 3 6 10:1 3 7 16:1 3 572 А. Е. ПЕРЕКОС, А. Г. ДУБОВОЙ, В. З. ВОЙНАШ и др. дом ЭВП, имеют форму, близкую к сферической, и широкое рас- пределение по размерам. При этом более мелкие НДЧ (10—100 нм) формируются непосредственно в процессе охлаждения высокотем- пературной плазмы, а более крупные (0,1—1 мкм) – из более мел- ких НДЧ за счет процессов коагуляции. Результаты электронно-микроскопических исследований НДП, представленных на рис. 1, 2, не противоречат результатам, полу- ченным в [4, 7]. Действительно, из приведенных на рис. 1, 2 микро- фотографий хорошо видно, что большинство НДЧ имеют субмик- ронные размеры, а их конгломераты имеют, как правило, непра- вильную форму и включают в себя большое количество более мел- ких частиц сферической или близкой к сферической формы. Час- тицы размерами 1—4 мкм сферической или овальной формы также состоят из более мелких частиц, что хорошо видно при большем увеличении (рис. 2). Стоит также отметить, что при увеличении со- держания железа в компактных образцах количество НДЧ сфери- ческой формы и их конгломератов растет. О химическом составе полученных НДП можно судить, анализи- а б в г Рис. 1. МикрофотографииНДП Fe:№ 4 (а),№ 5 (б),№ 6 (в),№ 7 (г). ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ 573 руя результаты рентгеноспектральных исследований (табл. 2), ко- торые свидетельствуют о том, что НДЧ кроме атомов железа, угле- рода и кислорода, содержат также атомы Cr и Ni. По нашему мне- нию наличие атомов Cr и Ni в НДП можно объяснить эрозией при взрыве электродов и рабочей камеры из нержавеющей стали. Важ- но отметить, что содержание атомов Fe несколько выше в НДЧ, чем в других областях НДП. Из этого можно сделать вывод, что атомы железа содержатся главным образом в НДЧ, а атомы углерода и ки- слорода – в матрице, в которой они распределены. Видно также, что содержание углерода в НДП падает при уменьшении количест- ва графита в исходных компактных образцах. Фазовый состав полученных НДП определяли, используя ре- зультаты рентгеноструктурных исследований, которые приведены на рис. 3, 4. В частности, на рис. 4 представлены фрагменты ди- фрактограмм НДП при соотношении Fe:C  4:1 для разных диамет- ров компактных образцов. Приведенные фрагменты дифракто- грамм свидетельствуют о том, что количество оксида FeO в полу- ченных НДП зависит от диаметра компактного образца. При этом а б в г Рис. 2. МикрофотографииНДП Fe:№ 4 (а),№ 5 (б),№ 6 (в),№ 7 (г). 574 А. Е. ПЕРЕКОС, А. Г. ДУБОВОЙ, В. З. ВОЙНАШ и др. минимальное количество оксида наблюдается для D  3 мм. Резуль- таты рентгеноструктурных исследований НДП, полученных при D  3 мм и разных соотношениях Fe:C в исходных компактных об- разцах, приведены в табл. 3 и на рис. 3. Видно, что на дифракто- грамме порошка, полученного при отсутствии графита в компакт- ном образце, кроме линий - и -фаз Fe присутствуют линии оксида железа FeO. При введении в компактный образец графита интен- сивность линий FeO уменьшается, а линий -Fe – напротив, рас- тет, и при соотношении Fe:C  (8—10):1 линии FeO на дифракто- граммах отсутствуют (рис. 3, б). При последующем увеличении со- держания графита в компактном образце до 1:1 линии оксида FeO появляются опять (рис. 3, а, в). В заключение следует отметить, что на дифрактограммах некоторых НДП линии -фазы Fe раздваива- ются (см., например, рис. 4) – кроме линий -фазы Fe появляются также линии -фазы с уменьшенным по сравнению с -фазой пара- метром решетки. К сожалению, причину этого явления нам устано- вить не удалось. Немонотонную зависимость количества оксида FeO в НДП от со- держания графита в компактных образцах можно объяснить тем, что при разных диаметрах компактных образцов в паро-плазменное состояние может переходить разное количество графита. Действи- тельно, начальную мощность взрыва для образца цилиндрической формы можно приближенно оценить по формуле 2 2 2 ко ко 4 U U D P R l    , (1) где U – напряжение на зажимах емкостного накопителя, Rко – электрическое сопротивление компактного образца, ко, l и D – со- ответственно удельное сопротивление, длина и диаметр компактно- го образца. Как видно из формулы (1), начальная мощность взрыва зависит от диаметра компактного образца. Однако от диаметра компактного образца зависит также общее количество в нем графита, которое ТАБЛИЦА 2. Результаты рентгеноспектрального элементного анализа НДП (% вес.). Элемент № образца С O Cr Ni Fe 4 8,9 10,9 3,1 3,1 Остальное 5 6,3 10,0 1,9 5,2 6 4,2 3,5 0 6,8 7 2,1 1,0 0,8 2,8 ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ 575 для образца цилиндрической формы можно приближенно оценить по формуле (для точного определения необходимо знать пористость запрессованного в керамическую трубку порошка) 2 , 4 k lD m  (2) где m – масса графита, ρ – плотность, k – массовая доля графита в компактном образце. Из последних двух формул видно, что при неизменных массовой доле графита и длине компактного образца общее количество гра- фита, переведенного в паро-плазменное состояние, при разных его диаметрах может быть разным. Разной также может быть скорость изменения тока (до перехода компактного образца в паро- плазменное состояние) в цепи, которая определяется постоянной времени CRR )( ко0  , (3) где С – емкость накопителя, а R0 – внутреннее сопротивление электровзрывной установки, что также может повлиять на проте- кание взрывного процесса. Таким образом, формулы (1)—(3) свидетельствуют о том, что гео- метрические размеры компактного образца (во всяком случае, на Рис. 3. Фрагменты дифрактограмм НДП, полученных при напряжении между электродами 4,5 кВ и диаметре образца 3 мм при разных соотноше- ниях количеств порошков железа и графита в компактных образцах: Fe:C  1:1 (а), 10:1 (б), 4:1 (в). 576 А. Е. ПЕРЕКОС, А. Г. ДУБОВОЙ, В. З. ВОЙНАШ и др. стадии его разогрева – до перехода в паро-плазменное состояние) могут оказывать влияние как на энергетику взрыва, так и на коли- чество графита, переведенного в паро-плазменное состояние. Наиболее интересным результатом исследований зависимости фазового состава НДП, полученных при ЭВП компактных образцов с графитом и железом, есть то, что при оптимальных значениях диаметра образца и количества в нем графита можно получить НДП Fe без оксидов и карбидов (табл. 4). Этот результат представляет большой интерес потому, что он дает возможность управлять фазо- вым составом и получать НДП металлов практически без примесей. По поводу механизма влияния графита наша гипотеза заключается в том, что атомы углерода, как более активные и подвижные по от- ношению к атомам кислорода, чем атомы железа, вступают в реак- цию с кислородом на всех стадиях электровзрывного процесса и тем самым уменьшают содержание свободного кислорода в высокотем- пературной плазме во время ее охлаждения, что может существен- но влиять на ход реакции образования оксидов железа в НДП. Дело в том, что при нормальных условиях химическое сродство к кисло- роду у большинства металлов выше, чем углерода [15]. Однако с по- вышением температуры химическое сродство к кислороду металлов Рис. 4. Фрагменты дифрактограмм НДП, полученных при напряжении между электродами 4,5 кВ, соотношении Fe:C  4:1 и диаметрах образцов: 2 мм (а), 3 мм (б), 5 мм (в). ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ 577 уменьшается, а углерода растет, и при температуре 1600C оно убы- вает в следующем порядке: Be, Ca, Zr, Mg, Al, Ti, C, Si, V, B, Mn, Cr, Fe, W, Mo, Co, Ni, Cu, As. Из этого ряда видно, что при высоких температурах химическое сродство углерода к кислороду выше, чем у железа. Это свойство углерода используется, например, для восстановления железа из руды в доменных печах. Таким образом, при определенных условиях углерод по отношению к оксидам ме- таллов может выступать в качестве восстановителя. Следует особо обратить внимание на то обстоятельство, что со- гласно дифрактограммам, приведенным на рис. 3, 4, количество свободного графита в НДП немонотонным образом зависит от обще- го количества графита в компактном образце, которое определяется его диаметром и соотношением порошков железа и графита. Так, например, при одном и том же диаметре компактного образца мак- симальное количество графита соответствует соотношению порош- ков железа и графита 1:1 (рис. 3, а), а интенсивность линий графита на соответствующей дифрактограмме оказалась минимальной по сравнению с дифрактограммами НДП с меньшим соотношением порошков железа и графита (рис. 3, б, в). Также отсутствует прямая зависимость между общим количеством графита в компактных об- разцах и количествами свободного графита в НДП при разных диа- метрах компактных образцов (рис. 4). Указанная особенность, воз- можно, обусловлена влиянием диаметра компактного образца на энергетику взрыва и количество графита в паро-плазменном со- стоянии, а также может свидетельствовать о том, что углерод в НДП присутствует не только в виде графита, но и, возможно, в дру- гих аллотропических формах. Интересно, что кроме углерода НДП содержат достаточно боль- шое количество кислорода (табл. 2), которое в некоторых НДП дос- ТАБЛИЦА 3. Фазовый состав НДП, при разных соотношениях количеств порошков железа и графита и разных диаметрах компактных образцов. № образца Фазовый состав, % -фаза -фаза FeO 1 75 25 0 2 0 98 2 3 35 43 22 4 10 30 60 5 0 35 65 6 0  100 0 7 20 6 74 Fe 31 7 62 578 А. Е. ПЕРЕКОС, А. Г. ДУБОВОЙ, В. З. ВОЙНАШ и др. тигает почти 11% масс. Согласно тем же рис. 3, 4 на образование оксида железа FeO расходуется только часть кислорода. По- видимому, не прореагировавшая часть углерода и кислорода обра- зуют некоторую структуру, которая вместе со свободным графитом и FeO представляет собой твердую матрицу, в которой распределе- ны НДЧ железа. Такое строение НДП может оказывать двойную пользу: во-первых, матрица будет удерживать НДЧ от слипания (коагуляции), во-вторых, – защищать их от окисления при кон- такте с атмосферным воздухом. Подобная ситуация имеет место в порошках, полученных другими методами [16—19]. Побочным подтверждением нашей гипотезы о строении НДП мо- гут быть результаты измерения магнитных свойств, которые при- ведены на рис. 5 и в табл. 4. Как и следовало ожидать, удельная на- магниченность насыщения S НДП увеличивается с ростом количе- ства железа в компактном образце. Ход зависимости удельной на- магниченности НДП от величины приложенного магнитного поля свидетельствует о том, что, во-первых, за исключением первых од- ной-двух точек на графике в малых полях (до 20 кА/м) в диапазоне полей 20—300 кА/м зависимость (Н) имеет линейный характер. Во-вторых, (Н) НДП не насыщается даже в полях до 800 кА/м. Эти экспериментальные факты свидетельствуют о том, что боль- шинство НДЧ находятся в суперпарамагнитном состоянии [20, 21]. Нелинейность кривых (Н) в малых полях можно связать с присут- ствием в НДП небольшого количества ферромагнитных НДЧ, кото- рые насыщаются в полях до 20 кА/м и в дальнейшем не влияют на ход зависимости (Н). Присутствием в НДП ферромагнитных НДЧ можно также объяснить тот факт, что коэрцитивная сила Hc  0 (для суперпарамагнитных частиц Hc  0). Полевые зависимости (Н), приведенные на рис. 5, позволяют приблизительно оценить объемную долю Рф ферромагнитных НДЧ по отношению к общему количеству НДЧ (ферромагнитные  су- перпарамагнитные): ф ф ~ /P   , (4) ТАБЛИЦА 4. Магнитные свойства и размеры (d) частиц при разных соот- ношениях количеств порошков железа и графита в компактных образцах. № образца S, Aм2/кг Нс, А/м d, нм 4 22,8 80 4 5 28,6 1200 4 6 57 2400 5 7 59,8 1200 5 ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ 579 где ф – удельная намагниченность насыщения ферромагнитных НДЧ,  – намагниченность насыщения НДП. Оценка Рф по форму- ле (4) дает для всех НДП приблизительно одинаковое значение Рф  0,1. Суперпарамагнитный характер зависимости (Н) дает возмож- ность также оценить радиус r суперпарамагнитных частиц по фор- муле [21, 22] B 3 0 9 4 r k T I r I I H   , (5) где I – намагниченность НДП в поле Н при температуре Т, I0 – намагниченность насыщения НДП, Ir – намагниченность насыще- ния материала частиц, kB – постоянная Больцмана. Размеры НДЧ (d = 2r), рассчитанные по этой формуле (см. табл. 4), не противоре- чат результатам электронно-микроскопических исследований для более мелкой фракции. В начале обсуждения результатов магнитных измерений было отмечено, что они могут быть побочным подтверждением гипотезы о внутреннем строении наших НДП в виде графитово-оксидной матрицы и вкрапленных в нее НДЧ железа. Такое подтверждение дает характер полевых зависимостей намагниченности (рис. 5), со- гласно которому большая часть (более 90%) НДЧ находится в су- Рис. 5. Зависимость удельной намагниченности НДП от напряженности магнитного поля при разных соотношениях количеств порошков железа и графита в компактных образцах: Fe:C  1:1 (1), 4:1 (2), 10:1 (3), 16:1 (4). 580 А. Е. ПЕРЕКОС, А. Г. ДУБОВОЙ, В. З. ВОЙНАШ и др. перпарамагнитном состоянии, которое не изменяется для НДП с существенно разным соотношением количеств железа и графита в исходных компактных образцах. Остается постоянным и размер НДЧ более мелкой фракции НДП № 4—7. Эти особенности магнит- ных свойств НДП свидетельствуют о том, что НДЧ железа не имеют возможности объединяться (коагулировать) в плотные ансамбли (конгломераты), ведь при этом значительно бы выросла температу- ра перехода в суперпарамагнитное состояние, а вместе с ней и объ- емная доля ферромагнитных НДЧ. При этом способность к коагу- ляции должна была бы увеличиваться для НДП с большим содер- жанием железа в исходных компактных образцах. Соответственно, при увеличении объемной доли ферромагнитных НДЧ изменялся бы характер полевых зависимостей НДП. Однако эксперименталь- ные факты противоречат этому. По нашему мнению, как раз нали- чие графитово-оксидной матрицы мешает НДЧ объединяться в конгломераты и тем самым изменять свои магнитные свойства. Следует обратить внимание на то, что НДП Fe содержат в доста- точно больших количествах -фазу железа (температура аллотро- пического   -превращения в массивном железе  910C). Следует отметить, что в первую очередь наличие -фазы железа может быть обусловлено влиянием углерода, который, как известно [23, 24], может существенно ( до 723C) понизить температуру аллотропиче- ского   -превращения. В таблице 5 приведены результаты опре- деления параметра решетки и концентрации углерода в -фазе в за- висимости от количества графита в компактных образцах. Видно, что параметр решетки и концентрация углерода в НДЧ увеличива- ется с увеличением общего количества графита в компактном об- разце и для D  5 мм последняя достигает 1,75% масс. Согласно [23] этого количества углерода вполне достаточно, чтобы понизить тем- пературу аллотропического превращения на несколько сотен гра- дусов. Следует также отметить, что согласно табл. 5 параметр ре- шетки -фазы железа практически совпадает с табличным значени- ТАБЛИЦА 5. Параметры решеток и концентрация углерода в - и -фазах железа в зависимости от общего количества графита в компактных образцах. № образца Фазы Параметр решетки, нм Концентрация C, % масс. 1   0,2868 0,3596  0,93 2    0,3602  1,07 3   0,2870 0,3632  1,75 ИМПУЛЬСНЫЙ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ 581 ем для чистого -Fe (0,2865 нм). Кроме того, по нашему мнению понижение температуры    превращения может быть обусловлено влиянием как кинетическо- го, так и термодинамического размерных факторов. Если аллотро- пическое превращение протекает путем образования зародышей и последующего их роста, то наличие небольшого количества не пре- вратившейся -фазы в НДП вполне естественно можно объяснить сверхвысокими скоростями охлаждения (кинетический фактор), которые могут подавить или затормозить протекание   - превращения в наночастицах наименьших размеров. С другой сто- роны, наличие -фазы в НДП может быть обусловлено действием размерного термодинамического фактора (вклад в общую свобод- ную энергию системы поверхностной энергии НДЧ, которая зави- сит от размера частиц и которая может существенно изменить усло- вия равновесия фаз и положение линий фазового равновесия на диаграммах состояний, в том числе температуру аллотропического    превращения [5]). Анализ имеющихся в литературе результа- тов исследований влияния размеров зерен в массивных образцах и быстрозакаленных лентах, а также размеров частиц в порошках на особенности протекания аллотропического   -превращения [24, 25] позволяет нам сделать заключение, что присутствие в НДП ГЦК-модификации железа при комнатной температуре, может быть также обусловлено действием размерного фактора. 4. ВЫВОДЫ Размеры дисперсных частиц, полученных методом электрического взрыва проводников, находятся в нанометровом диапазоне. Фазо- вый состав нанодисперсных порошков зависит от диаметра ком- пактного образца и соотношения в нем количеств порошков железа и графита. При оптимальном соотношении количеств порошков железа и графита в компактном образце можно получить нанодис- персные порошки, не содержащие оксидов или карбидов. Магнит- ные свойства полученных нанодисперсных порошков определяются фазовым составом и размерами частиц присутствующих в порош- ках магнитных кристаллических фаз. ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Взрывающиеся проволочки (Ред. А. А. Рухадзе) (Москва: Изд. иностр. лит.: 1963). 2. Ю. А. Котов, Н. А. Яворовский, ФИХОМ, № 4: 24 (1978). 3. В. Ю. Зелинский, Н. А. Яворовский, Л. Т. Проскуровская и др., ФИХОМ, № 1: 57 (1984). 4. К. В. Чуистов, В. Г. Трубачев, А. Е. Перекос, Металлофизика, 10, № 1: 118 (1988). 582 А. Е. ПЕРЕКОС, А. Г. ДУБОВОЙ, В. З. ВОЙНАШ и др. 5. К. В. Чуистов, А. П.Шпак, А. Е. Перекос и др., УФМ, 4, № 4: 235 (2003). 6. Электрический взрыв проводников (Ред. А. А. Рухадзе) (Москва: Изд. «Мир»: 1965). 7. К. В. Чуистов, В. Н. Уваров, А. Е. Перекос и др., Металлофиз. и новейшие технол., 27, № 2: 137 (2005). 8. А. Д. Рудь, А. Е. Перекос, В. М. Огенко и др., Металлофиз. новейшие тех- нол., 27, № 7: 977 (2005). 9. A. P. Shpak, A. V. Korduban, M. M. Medvedskij et al., ‘Clusters and Nanos- tructured Materials 2006’ (Oct. 9—10, 2006) (Uzhgorod: 2006), р. 181. 10. А. П. Шпак, А. О. Перекос, О. Д. Рудь, Спосіб отримання чистих нанодис- персних порошків металів і сплавів, Патент України № 19650 (Бюл. № 12, 2006). 11. К. В. Чуистов, Т. В. Ефимова, А. Е. Перекос и др., Металлофизика, 15, № 8: 39 (1993). 12. А. В. Булгаков, Н. М. Булгаков, И. М. Бураков и др., Синтез наноразмер- ных материалов при воздействии мощных потоков энергии на вещество (Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН: 2009). 13. Н. И. Кускова, А. Д. Рудь, В. Н. Уваров и др., Металлофиз. новейшие тех- нол., 30, № 6: 833 (2008). 14. А. Д. Рудь, Н. И. Кускова, В. Ю. Бакларь и др., Известия РАН. Сер. физиче- ская, 75, № 11: 1526 (2011). 15. И. И. Корнилов, Н. М. Матвеева, Л. И. Пряхина, Р. С. Полякова, Металлохи- мические свойства элементов периодической системы (Москва: Наука: 1966). 16. Н. Ф. Кущевская, А. Е. Перекос, А. Д. Рудь и др., Металлофиз. новейшие технол., 28, № 3: 337 (2006). 17. Н. Ф. Кущевская, А. Е. Перекос, И. В. Уварова и др., Доклады НАНУ, № 11: 93 (2007). 18. Н. Ф. Кущевская, И. В. Уварова, А. Е. Перекос и др., Наноструктурное материаловедение, № 1: 3 (2007). 19. Н. Ф. Кущевская, А. Е. Перекос, И. В. Уварова, Металлофиз. новейшие технол., 24, № 11: 1537 (2002). 20. С. В. Вонсовский, Магнетизм (Москва: Наука: 1971). 21. В. В. Кокорин, Мартенситные превращения в неоднородных твердых рас- творах (Киев: Наукова думка: 1977). 22. К. В. Чуистов, А. Е. Перекос, Т. В. Ефимова и др., Металлофиз. новейшие технол., 23, № 5: 627 (2001). 23. О. М. Барабаш, Ю. Н. Коваль, Кристаллическая структура металлов и сплавов (Киев: Наукова думка: 1986). 24. В. А. Лободюк, Э. И. Эстрин, Мартенситные превращения (Москва: Физ- матлит: 2009). 25. В. А. Лободюк, ФММ, 86, № 5: 123 (1998).

Импульсный плазмохимический синтез нанодисперсных порошков на основе железа, их фазовый состав и магнитные свойства

Institution

Ähnliche Einträge