Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме
Приведены результаты исследования структуры конденсатов композиции Сu—NaCl, их химического состава и массовой доли кислорода в зависимости от содержания меди, полученных из паровой фазы с использованием электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме. Рассмотрено влияние содержания меди на фаз...
Saved in:
| Published in: | Современная электрометаллургия |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96240 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме / Ю.А. Курапов, С.Е. Литвин, Г.Г. Дидикин, С.М. Романенко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 2 (103). — С. 19-22. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860260602085113856 |
|---|---|
| author | Курапов, Ю.А. Литвин, С.Е. Дидикин, Г.Г. Романенко, С.М. |
| author_facet | Курапов, Ю.А. Литвин, С.Е. Дидикин, Г.Г. Романенко, С.М. |
| citation_txt | Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме / Ю.А. Курапов, С.Е. Литвин, Г.Г. Дидикин, С.М. Романенко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 2 (103). — С. 19-22. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Современная электрометаллургия |
| description | Приведены результаты исследования структуры конденсатов композиции Сu—NaCl, их химического состава и массовой доли кислорода в зависимости от содержания меди, полученных из паровой фазы с использованием электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме. Рассмотрено влияние содержания меди на фазовый состав наночастиц. Исследована кинетика относительного изменения массы пористых конденсатов Cu—NaCl при нагребе до 650 °С и охлаждении на воздухе. Полученные результаты рассмотрены с позиций физической и химической адсорбции.
Results of investigation of structure of condensates of composition Cu—NaCl, their chemical composition and mass fraction of oxygen depending on content of copper produced from vapor phase using electron bean evaporation and condensation in vacuum are given. The effect of copper content on phase composition of nanoparticles was studied. The kinetics of comparative change in mass of porous condensates Cu—NaCl in heating up to 650 °С and air cooling was investigated. The obtained results are studied from the point of view of physical and chemical adsorption.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:54:20Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 669.187.526.001.5
СТРУКТУРА ДВУХФАЗНЫХ КОНДЕНСАТОВ Cu—NaCl,
ОСАЖДАЕМЫХ ИЗ ПАРОВОЙ ФАЗЫ В ВАКУУМЕ
Ю. А. Курапов, С. Е. Литвин,
Г. Г. Дидикин, С. М. Романенко
Приведены результаты исследования структуры конденсатов композиции Сu—NaCl, их химического состава и мас-
совой доли кислорода в зависимости от содержания меди, полученных из паровой фазы с использованием элект-
ронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме. Рассмотрено влияние содержания меди на фазовый состав
наночастиц. Исследована кинетика относительного изменения массы пористых конденсатов Cu—NaCl при нагреве
до 650 °С и охлаждении на воздухе. Полученные результаты рассмотрены с позиций физической и химической
адсорбции.
Results of investigation of structure of condensates of composition Cu—NaCl, their chemical composition and mass
fraction of oxygen depending on content of copper produced from vapor phase using electron bean evaporation and
condensation in vacuum are given. The effect of copper content on phase composition of nanoparticles was studied. The
kinetics of comparative change in mass of porous condensates Cu—NaCl in heating up to 650 °С and air cooling was
investigated. The obtained results are studied from the point of view of physical and chemical adsorption.
Ключ е вы е с л о в а : электронно-лучевое испарение;
осаждение; наночастицы
Наночастицы, полученные практически всеми спо-
собами, находятся в метастабильном неравновесном
состоянии. С одной стороны, это обстоятельство ос-
ложняет их изучение и использование в нанотехно-
логии для создания стабильно работающих устройств,
с другой, – неравновесность системы позволяет
осуществлять необычные и трудно прогнозируемые
новые химические превращения. Специфические
размерные эффекты наиболее сильно проявляются
в малых частицах, где преобладают нерегулярные
зависимости свойств от размера частиц. Степень ак-
тивности частицы, в зависимости от размера, обус-
ловлена ее изменяемыми свойствами при взаимо-
действии с адсорбируемым реагентом [1], основным
из которых для металлических наночастиц является
кислород. Вследствие высокой активности наночас-
тиц металлов их существование в свободном виде,
без взаимодействия с окружающей средой, возмож-
но только в вакууме.
Установлено [2, 3], что наночастицы меди и ок-
сида меди оказывают выраженное антибактериаль-
ное действие в отношении грамположительных и
грамотрицательных бактерий. Дальнейшие разра-
ботки и создание лекарственных средств на основе
наночастиц меди и оксида меди требуют выбора та-
кого способа синтеза наночастиц, который обеспе-
чивал бы получение различных композиций нано-
материалов на основе меди с заданным содержанием
необходимых структурных составляющих. Техно-
логия электронно-лучевого испарения и конден-
сации позволяет осуществлять синтез этих нанома-
териалов [4].
Предметом исследования в данной работе было
влияние концентрации меди и температуры отжига
на фазовый состав наночастиц в пористой матрице
NaCl конденсатов, получаемых способом электрон-
но-лучевого испарения и конденсации в вакууме.
Материалы и методика эксперимента. Наночасти-
цы в пористой солевой матрице получали путем кон-
денсации смешанных молекулярных потоков меди
и NaCl в вакуумной электронно-лучевой установке
[5—7]. Измеренная температура поверхности медной
охлаждаемой подложки при осаждении паровых по-
токов составляла 30…50 °С, полученные конденсаты
имели толщину 125…200 мкм. Исследования выпол-
нены на поперечных сколах конденсатов и на порошке
измельченного в агатовой ступке конденсата.
Для изучения элементного состава и структуры
конденсатов использовали растровый электронный
микроскоп CamScan с рентгеновской приставкой
INCA-200 Energy. Фазовый состав наночастиц оп-
ределяли при помощи методов просвечивающей
электронной микроскопии (на микроскопе HITAC-
HI H-800 при ускоряющем напряжении 100 кВ) и
рентгеноструктурного анализа на дифрактометрах
ДРОН-3 и ДРОН-4-07 в излучении CuKα линии
анода с никелевым фильтром.
© Ю. А. КУРАПОВ, С. Е. ЛИТВИН, Г. Г. ДИДИКИН, С. М. РОМАНЕНКО, 2011
19
Кинетику окисления наночастиц меди при не-
прерывном нагреве и последующем охлаждении на
воздухе (со скоростью 10 °С/мин) в температурном
интервале 20…650 °С изучали с использованием
термогравиметрического анализатора TGA-7.
Результаты исследований. Исследования макро-
структуры и элементного состава на поперечном
сколе конденсата Cu—NaCl показали равномерность
распределения элементов (медь, натрий, хлор, кис-
лород) по его толщине (рис. 1). Это свидетельствует
о постоянстве соотношения скоростей испарения и
конденсации отдельных компонентов. При изу-
чении элементного состава конденсатов с различ-
ным содержанием меди в их поперечном сечении
обнаружен кислород в количестве, превышающем
необходимое для стехиометрического состава окси-
дов меди (рис. 2). Установлено, что отношение ато-
марных процентов кислорода и меди (O/Cu) за-
висит от массвой доли меди и снижается с ее уве-
личением в конденсате (рис. 2). Высокая адсорб-
ционная способность к кислороду объясняется на-
личием в конденсате наночастиц малых размеров.
Наночастицы металлов малых размеров харак-
теризуются избыточной энергией и высокой хими-
ческой активностью [1]. В конденсатах, содержа-
щих от 15 до 30 мас. % меди, вероятность агрегации
наночастиц в паровом потоке и при осаждении на
подложку велика, при этом соотношение кислорода
и меди приближается к стехиометрическому (рис. 2),
что подтверждает высокую адсорбционную способ-
ность наночастиц малых размеров к кислороду [1].
Увеличение температуры подложки Tп при полу-
чении конденсата приводит к снижению соотноше-
ния атомарных процентов кислорода и меди (рис. 2),
что связано в первую очередь с увеличением разме-
ров наночастиц и сокращением суммарной площади
их поверхности.
При исследовании тонких сколов конденсатов
Cu—NaCl методом просвечивающей электронной
микроскопии обнаружено присутствие наноразмер-
ной субстанции (рис. 3), фазовый состав которой
соответствовал преимущественно Cu2O. Более пол-
ное представление о фазовом составе наночастиц в
зависимости от содержания меди в конденсате дают
результаты рентгеноструктурного анализа (таблица).
Анализ полученных данных свидетельствует о том,
что при содержании меди в конденсате до 20 мас. %,
когда вероятность агрегации наночастиц в смешан-
ном паровом потоке и осаждении на подложке мала,
в пористом конденсате с мелкими наночастицами в
воздушной среде рентгенофазовым анализом
(РФА) обнаруживаются Cu2O и CuO (таблица).
При массовой доле меди в конденсате 20…30 % ве-
роятность агрегации наночастиц в смешанном па-
ровом потоке и при осаждении повышается. Таким
образом, в конденсате присутствует преимущест-
венно фаза Cu2O (таблица).
При содержании меди от 30 до 50 мас. % увели-
чивается доля крупных наночастиц; наряду с пре-
имущественным присутствием Cu2O обнаружены
фазы CuO и медь (таблица). Когда содержание ме-
ди в конденсате превышает 50 мас. %, наряду с
фазой Cu2O значительно возрастает доля фазы ме-
ди, а фаза CuO отсутствует (таблица).
Рис. 1. Микроструктура ( 530) конденсата Cu—NaCl (а) и распределение элементов по его толщине (б); Tп = 30… 50 °С; I –
интенсивность; H – толщина конденсата
Рис. 2. Зависимость соотношения концентрации кислорода и
меди (O/Cu) от содержания меди в конденсатах композиции
Cu—NaCl при Tп, °С: 1 – 40… 50; 2 – 200
20
Следовательно, в воздушной среде происходит
физическая адсорбция влаги и воздуха открытой
поверхностью наночастиц меди, вкрапленных в
микро- и наноразмерных порах солевой матрицы.
Благодаря кислороду воздуха наночастицы меди
превращаются в оксиды Cu2O и CuO (таблица).
В свою очередь, образующиеся очень активные
мелкие наночастицы оксидов меди, взаимодействуя
с атмосферой воздуха, адсорбируют на своей по-
верхности влагу и кислород, увеличивая концент-
рацию последнего в конденсате, что продемонстри-
ровано при исследовании элементного состава на
поперечных сколах конденсатов с малым содержа-
нием меди (рис. 2, Cu до 20 мас. %). С увеличением
концентрации меди в конденсате размер наночастиц
возрастает, а их активность уменьшается. Поэтому
менее активная адсорбция влажного воздуха и, сле-
довательно, кислорода (рис. 2, Cu > 20 мас. %),
способствует преимущественному образованию фа-
зы Cu2O (таблица, № 3—7).
По мере дальнейшего повышения концентрации
меди и укрупнения наночастиц менее активные из
них адсорбируют практически такое же количество
влажного воздуха и кислорода (рис. 2, Cu > 20мас. %).
Поэтому освободившийся кислород (в связи с по-
явлением чистой меди) частично идет на доокисле-
ние фазы Cu2O в фазу CuO (таблица, № 8—11).
Кроме изменения концентрации меди, фазовый
состав наночастиц в конденсатах Cu—NaCl можно
регулировать посредством термической обработки
конденсатов. Нагрев на воздухе активирует диффу-
зионные процессы, приводящие к коагуляции и уве-
личению размеров наночастиц и ускоренному их
окислению, что зафиксировано при термогравимет-
рическом анализе кинетики относительного измене-
ния массы пористого конденсата Cu—NaCl при его
нагреве до температуры 650 °С и последующем ох-
лаждении на воздухе.
Фазовый состав наночастиц в конденсатах Cu—NaCl
№
п/п
Cu,
мас. %
Фазовый состав наночастиц по данным РФА,
отн. %
Cu Cu2O CuO
1 13,7 0 75,0 25,0
2 19,3 0 40,0 60,0
3 23,0 0 100,0 0
4 26,0 0 100,0 0
5 26,0 0 86,2 13,8
6 27,5 0 100,0 0
7 30,0 0 90,9 9,1
8 32,6 13,2 73,6 13,2
9 33,1 13,5 70,3 16,2
10 36,0 0 83,9 16,1
11 47,1 13,9 69,4 16,7
12 55,1 49,1 50,9 0
Рис. 3. Микроструктура исходных конденсатов Cu—NaCl; а – 300000; б – 180000
Рис. 4. Кинетика относительного изменения массы M измель-
ченного конденсата Cu—NaCl (13,7 мас. % меди) при двух циклах
нагрева и охлаждения на воздухе; M0 – масса исходного
конденсата
21
Исследования, проведенные на конденсатах Cu—
NaCl, содержащих 13,7 мас. % меди (рис. 4), по-
казали, что с ростом температуры до 400 °С (нагрев
со скоростью 10 °С/мин) масса пористого конденсата
снижается за счет удаления влаги (до 100…120 °С)
и гидроксильных групп ОН— (что подтверждено ин-
фракрасной спектроскопией). Дальнейшее повы-
шение температуры (более 400 °С) способствует
увеличению массы пористого конденсата вслед-
ствие перехода фазы Cu2O в фазу CuO (рис. 4).
После нагрева до 650 °С в конденсате присут-
ствует только фаза CuO, поэтому последующие
циклы охлаждения и нагрева не изменяют фазовый
состав конденсата (рис. 4). Увеличение продолжи-
тельности отжига конденсата в диапазоне низких
температур (200…400 °С) способствует более пол-
ному прохождению диффузионных процессов. Так,
после отжига на воздухе при значениях температу-
ры 300 и 400 °С в течение 1 ч медь в конденсате
присутствует в виде фазы CuO.
С повышением концентрации меди в конденсате
(до 22 мас. %) доля адсорбированного воздуха по-
нижается за счет увеличения размеров наночастиц
и уменьшения их активности (рис. 5, кривая 1).
Для перевода большего количества фазы Cu2O
(таблица) в фазу CuO требуется больше кислорода,
поэтому при нагреве выше 200 °С на кривой тер-
могравиметрического анализа (ТГА) отмечается
прирост массы образца конденсата вплоть до тем-
пературы 650 °С (рис. 5, кривая 1).
После отжига этого конденсата при температуре
200 °С, 10 мин частично прошедшие диффузионные
процессы, способствующие окислению и коагу-
ляции наночастиц, еще больше снижают долю ад-
сорбированного воздуха (рис. 5, кривая 2). Соот-
ветственно уменьшается доля дополнительного кис-
лорода воздуха для перевода фазы Cu2O в фазу
CuO, что отмечается меньшим приростом массы
конденсата во втором цикле нагрева (рис. 5, кривая 2).
После отжига конденсата в течение 13 мин при 400 °С
зафиксировано дальнейшее снижение указанных
параметров (рис. 5, кривая 3).
После отжига конденсата при 650 °С в течение
5 мин прошедшие диффузионные процессы приво-
дят к полному переходу фазы Cu2O в фазу CuO, а
укрупнившиеся наночастицы настолько теряют
свою активность, что конденсат становится практи-
чески нейтральным по сорбционным свойствам, а
на кривых ТГА не обнаружено отклонений (рис. 5,
кривая 4).
Таким образом, путем управления активностью
(размером) наночастиц за счет концентрации меди
в конденсате, температурой нагрева и продолжи-
тельностью отжига можно создавать композиции
наноматериалов на основе меди с заданным содер-
жанием структурных составляющих.
1. Серев Г. Б. Нанохимия. – М.: Изд-во Москов. ун-та,
2007. – 336 с.
2. Глущенко Н. Н. Физико-химические закономерности био-
логического действия высокодисперсных порошков метал-
лов: Автореф. дис. … д-ра техн. наук. – М., 1988. – 50 с.
3. Глущенко Н. Н., Богословская И. П., Ольховская И. П.
Физико-химические закономерности биологического дей-
ствия высокодисперсных порошков металлов // Хими-
ческая физика. – 2002. – 21, № 4. – С. 79—85.
4. Наносеребро: Технологии получения, фармакологические
свойства, показания к применению / И. С. Чекман, Б. А. Мов-
чан, М. И. Загородный и др. // Мистецтво лікування. –
2008. – № 5. – С. 32—34.
5. Мовчан Б. А. Электронно-лучевая нанотехнология и но-
вые материалы в медицине – первые шаги // Вісник
фармакології і фармації. – 2007. – № 12. – С. 5—13.
6. Пат. 87177 Україна, МПК В 82 В 3/00. Спосіб одер-
жання наночастинок для магнітних рідин електронно-про-
меневим випаровуванням і конденсацією у вакуумі, спосіб
одержання магнітної рідини й магнітна рідина, що одержа-
на цим способом / Б. Є. Патон, Б. О. Мовчан, Ю. А. Ку-
рапов. – Опубл. 25.06.2009; Бюл. № 12.
7. Мовчан Б. А., Курапов Ю. А., Романенко С. М. Магнит-
ные жидкости, получаемые электронно-лучевым испарени-
ем и конденсацией Fe3O4 в вакууме: Тез. докл. Междунар.
конф. HighMatTech. (Киев 15—19 окт. 2007 г.) – Киев,
2007. – 275 с.
Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев
Поступила 14.04.2011
Рис. 5. Кинетика относительного изменения массы измельчен-
ного конденсата Cu—NaCl (22 мас. % меди) при двух циклах
нагрева и охлаждения на воздухе в зависимости от температуры
отжига: 1 – исходный; 2 – 200 °С, 10 мин; 3 – 400 °С, 13 мин;
4 – 650 °С, 5 мин
22
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96240 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7681 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:54:20Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Курапов, Ю.А. Литвин, С.Е. Дидикин, Г.Г. Романенко, С.М. 2016-03-12T17:01:30Z 2016-03-12T17:01:30Z 2011 Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме / Ю.А. Курапов, С.Е. Литвин, Г.Г. Дидикин, С.М. Романенко // Современная электрометаллургия. — 2011. — № 2 (103). — С. 19-22. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 0233-7681 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96240 669.187.526.001.5 Приведены результаты исследования структуры конденсатов композиции Сu—NaCl, их химического состава и массовой доли кислорода в зависимости от содержания меди, полученных из паровой фазы с использованием электронно-лучевого испарения и конденсации в вакууме. Рассмотрено влияние содержания меди на фазовый состав наночастиц. Исследована кинетика относительного изменения массы пористых конденсатов Cu—NaCl при нагребе до 650 °С и охлаждении на воздухе. Полученные результаты рассмотрены с позиций физической и химической адсорбции. Results of investigation of structure of condensates of composition Cu—NaCl, their chemical composition and mass fraction of oxygen depending on content of copper produced from vapor phase using electron bean evaporation and condensation in vacuum are given. The effect of copper content on phase composition of nanoparticles was studied. The kinetics of comparative change in mass of porous condensates Cu—NaCl in heating up to 650 °С and air cooling was investigated. The obtained results are studied from the point of view of physical and chemical adsorption. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Современная электрометаллургия Электронно-лучевые процессы Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме Structure of two-phase condensates Cu-NaCl deposited from vapor phase in vacuum Article published earlier |
| spellingShingle | Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме Курапов, Ю.А. Литвин, С.Е. Дидикин, Г.Г. Романенко, С.М. Электронно-лучевые процессы |
| title | Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме |
| title_alt | Structure of two-phase condensates Cu-NaCl deposited from vapor phase in vacuum |
| title_full | Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме |
| title_fullStr | Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме |
| title_full_unstemmed | Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме |
| title_short | Структура двухфазных конденсатов Cu-NаCl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме |
| title_sort | структура двухфазных конденсатов cu-nаcl, осаждаемых из паровой фазы в вакууме |
| topic | Электронно-лучевые процессы |
| topic_facet | Электронно-лучевые процессы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96240 |
| work_keys_str_mv | AT kurapovûa strukturadvuhfaznyhkondensatovcunaclosaždaemyhizparovoifazyvvakuume AT litvinse strukturadvuhfaznyhkondensatovcunaclosaždaemyhizparovoifazyvvakuume AT didikingg strukturadvuhfaznyhkondensatovcunaclosaždaemyhizparovoifazyvvakuume AT romanenkosm strukturadvuhfaznyhkondensatovcunaclosaždaemyhizparovoifazyvvakuume AT kurapovûa structureoftwophasecondensatescunacldepositedfromvaporphaseinvacuum AT litvinse structureoftwophasecondensatescunacldepositedfromvaporphaseinvacuum AT didikingg structureoftwophasecondensatescunacldepositedfromvaporphaseinvacuum AT romanenkosm structureoftwophasecondensatescunacldepositedfromvaporphaseinvacuum |