p610-613 (Раздаточные материалы)

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 4Получение, свойства и применение фракционированныхнаноалмазов© С.И. ЧухаеваРоссийский федеральный ядерный центр–Всероссийский научно-исследовательский институттехнической физики им. акад. Е.И. Забабахина,456770 Снежинск, Челябинская обл., РоссияE-mail: Chukhaeva@mail.snz.ruИсследованы способы диспергирования порошков наноалмазов различной степени чистоты и полученияиз них суспензий, пригодных для фракционирования.

Представлены основные физико-химические свойствафракций, выделенных из продуктов синтеза (шихты) и очищенных наноалмазов. Обнаружено неоднородноераспределение алмаза в шихте: с ростом размера частиц его доля уменьшается. Показаны преимуществаприменения фракционированных по размерам наноалмазов в различных областях1. Введениееся способы обработок порошков наноалмазов можно свести к следующим схемам: базовые обработки(A — анионообменной смолой типа АВ-17П; K — катионообменной смолой типа КУ 8-2; УЗ — ультразвукомна установке УЗГ 3-10) и различные комбинации базовых обработок. Эффективность каждой схемы полученияседиментационно-устойчивых суспензий контролировалась по накоплению масс осадков наноалмазов в центробежном поле центрифуги ОС-6M (СССР).

На основанииэтих данных по уравнению (1) рассчитывались размерычастиц. Непосредственно перед проведением седиментационных измерений все исследуемые суспензии разбавлялись дистиллированной водой до концентрации наноалмаза в суспензии 5−10 g/dm3 ; электропроводностьтаких суспензий составляла 4−8 µS/cm.В связи с увеличением использования наноалмазоввопросам дисперсности гранулометрического состава иего постоянства в различных средах уделяется особоевнимание, однако работ, посвященных исследованиювлияния размеров частиц на физико-химические и эксплуатационные свойства наноалмазов, известно мало.Образование устойчивых частиц наноалмаза происходитпосредством сложного многостадийного механизма [1,2].Из-за высокой активности поверхности частиц дисперсный состав одних и тех же наноалмазов в различныхсредах может существенно различаться [3].

При удалении воды из таких частиц образуются прочные агрегаты,трудно поддающиеся диспергированию. Таким образом,задачами настоящей работы являются исследование способов диспергирования порошков наноалмазов различной степени чистоты с целью получения пригодныхдля фракционирования суспензий и изучение свойстввыделенных фракций наноалмазов и продуктов синтеза(шихты).2. Исследование способовдиспергирования порошковнаноалмазовОдним из наиболее распространенных способов диспергирования порошков наноалмазов является ультразвуковая (УЗ) обработка [4].

Обнаружено, что послеобработки порошков наноалмаза катионообменной смолой кроме уменьшения величины несгораемого остатка(это ранее отмечалось в [5]) наблюдается образованиеседиментационно-устойчивых суспензий обработанныхнаноалмазов вследствие более глубокой очистки откатионных примесей. Аналогичный эффект проявляетсяпри использовании анионообменной смолы. Как известно, при простой отмывке порошков наноалмазов дистиллированной водой при различной температуре подобныхэффектов не наблюдается (кроме порошков, очищенныхгазофазным окислением).Для исследований использовались порошки наноалмазов производства РФЯЦ–ВНИИТФ [6].

Применявши-Рис. 1. Распределение частиц наноалмаза по размерам в зависимости от способа диспергирования. КривыеA + US, US, K + A соответствуют различным схемам обработки порошков наноалмазов: A + US — порошок наноалмаза обработан сначала анионообменной смолой, затем УЗ;US — только УЗ; K + A — ионообменными смолами (сначалакатионообменной, затем анионообменной).610Получение, свойства и применение фракционированных наноалмазовРис. 2. Дифрактограммы фракций шихты и выделенных из неенаноалмазов. 1, 3 — дифрактограммы фракции 3, 2, 4 — дифрактограммы фракции 1.Учитывая результаты микроскопических исследований порошков производства РФЯЦ–ВНИИТФ, подтверждающих форму кристаллитов наноалмазов, близкую ксферической, и данные исследований [7,8], для расчетаразмеров частиц (точнее, эквивалентного радиуса) мыиспользовали уравнение Тальбо–Сведберга для сферических частицs9ηln(h2 /h1 ),(1)r=22(ρ − ρ0 )ωtгде r — радиус сферической частицы [m], η — вязкостьдисперсионной среды [Pa · s], ρ и ρ0 — соответственноплотности наноалмаза и дисперсионной среды [kg/dm3 ],611ω — угловая скорость вращения ротора центрифуги(ω = 2πn, n — число оборотов в секунду), (h2 − h1 ) —расстояние движения частицы в центробежном поле [m],t — время осаждения частицы с уровня h1 на уровень h2 [s].На рис.

1 представлены кривые распределения частицнаноалмаза по размерам для образца, приготовленногосмешиванием равных количеств порошков семи промышленных партий после 4 и 6 лет хранения.При анализе полученных экспериментальных данныхбыли сделаны следующие выводы:1) наиболее дисперсные суспензии наноалмазов получаются только при сочетании обработок УЗ и ионообменными смолами; 2) обработка только ионообменными смолами более эффективна, чем обработки УЗ,при режимах, обеспечиваемывых типом и настройкамииспользованного генератора. Кроме того, перед седиментационными измерениями необходимо проводить дополнительную очистку водной фазы суспензии от примесейионов, выделившихся в результате УЗ-диспергирования.3.

Выделение фракцийиз наноалмазов различной чистотыНа основании анализа кривых распределения частицнаноалмаза по размерам чистицы были условно разделены на три фракции. Ряд результатов такого фракционирования приведен в [6]. Аналогичным образомбыли выделены фракции шихты из продуктов синтезананоалмазов. В табл. 1 представлены основные физикохимические характеристики фракций, выделенных изсерийных наноалмазов, а в табл. 2 — аналогичныеданные для фракций, выделенных из шихты.Согласно данным рентгеновской дифракции (рис.

2),в выделенных фракциях шихты наблюдается не толькоразличное содержание алмаза, но и отличия в структуренеалмазного углерода. Так, для фракции 3 присут-Таблица 1. Физико-химические свойства фракций, выделенных из серийных наноалмазов производства РФЯЦ–ВНИИТФПараметрФракция 1Фракция 2Фракция 3Диапазон размеров, nm250−7000100−2505−100Внешний видСветло-серый, легкорассыпающийся порошокСерый порошокЧерные кристаллоподобныеобразованияПикнометрическая плотность, g/cm3Несгораемый остаток, %Окисляемый углерод, %Вязкость водной суспензии (концентрациянаноалмаза 10 g/l; 20.0◦ C), mPa · sЭлектрокинетический потенциал ξ, mVУдельная поверхность,∗ m2 /gСорбционная емкость по бензолу, mmol/g3.21.61.01.043.251.31.51.073.30.91.91.12+1617017−18+32Не определялась15−16+414812−13∗Определялась методом БЭТ (Брунауера, Эммета и Теллера) по азоту в Институте сверхтвердых материалов НАН Украины;удельная поверхность нефракционированного порошка составляет 227 m2 /g.3∗Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.

4С.И. Чухаева612Таблица 2. Физико-химические свойства фракций шихты для производства серийных наноалмазов∗∗∗ПараметрФракция 1Фракция 2Фракция 3Внешний видЧерный, легкорассыпающийся порошокЧерно-серый,рассыпающийся порошокЧерные кристаллоподобные образованияПикнометрическая плотность, g/cm3Несгораемый остаток,∗ %Неалмазный углерод,∗∗ %Энергия активации окислениянеалмазного углерода, kJ/molТермостойкость, ◦ CСорбционная емкость по бензолу(20◦ C), mmol/g2.6−2.72−340−5055−602.90.4−1.02570−753.10.1−0.55−1090−95160−16524−26200−21022−24> 45018−20После обработки кислотой, значение зависит от исходного содержания в шихте.Содержание неалмазного углерода в исходной нефракционированной шихте 76%.ствует небольшой пик, соответствующий d = 3.376 Å(кривая 1) и принадлежащий 2H-кристаллической модификации графита с гексагональной сингонией.

Дляфракции 1 этот пик закрыт широким гало в интервалеуглов 2θBr = 18−26◦ (кривая 2), отражающим наличиеаморфной составляющей. При выделении алмазов изфракций шихты расход окислителя различался в 1.5 раза,что наряду с экспериментально полученными значениями энергии активации окисления неалмазного углеродасвидетельствует о различии химического состава неалмазных компонент.4. Перспективы примененияфракционированных наноалмазовную способность по сравнению с нефракционированным наноалмазом.

Съем материала с образцов кремния на уровне АСМ 0.1/0 составлял 0.26−0.28 µm/min,шероховатость обработанной поверхности кремнияR a ≈ 0.03−0.1. Для сравнения съем материала с образцакремния с использованием пасты из нефракционированного наноалмаза составил 0.05 µm/min.Добавление фракции 1 шихты в моторное масло ВЕЛС-2 в количествах 0.3–1.0% в парах трения избронзы обеспечивало снижение коэффициента трения неменее чем в 2 раза, в то время как нефракционированнаяшихта проявляла абразивные свойства.5. ЗаключениеФракционирование наноалмаза повышает его эффективность в ряде случаев. Так, в гальванических процессах золочения использование фракции 3 способствовало увеличению микротвердости покрытия примернов 1.5 раза [9]. Для никелевых покрытий на различныхметаллических матрицах и в разных конструкциях гальванических ячеек использование фракции 3 обеспечилонадежное увеличение микротвердости по сравнению снефракционированным наноалмазом (табл.

3).Пасты, приготовленные с использованием фракций 3и 1 серийных наноалмазов, по данным, полученным вИСМ НАН Украины, обеспечивали лучшую абразив-Описанные способы диспергирования порошков наноалмазов позволяют получать седиментационно-устойчивые суспензии и повышать утраченную при высушивании активность наноалмазов. Обнаружение неравномерного распределения алмаза и неалмазных форм углеродаи различий в физико-химических свойствах наноалмазови шихты не только расширяет области применениянаноуглеродных материалов, но и открывает новые возможности при реализации технологических процессов:удалять неалмазный углерод нужно не из всего продуктасинтеза, а только из тех фракций, эксплуатационныесвойства которых ухудшаются при наличии неалмазногоуглерода.Таблица 3. Микротвердость HV0.05 никелевых покрытий ссерийным наноалмазом (kg/mm2 )Автор благодарит Г.П.

Богатыреву и Ю.И. Никитина запроведение экспериментальных измерений в ИСМ НАНУкраины и И.В. Новикову за рентгенографические исследования.НомеробразцаВид наноалмазав покрытии12345Без наноалмазаФракция 1Фракция 2Фракция 3НефракционированныйПосле двух летДанныеиспользованияработы [10]электролита370370−420360540−560470348384379420365Список литературы[1] А.Л. Куперштох, А.П. Ершов, Д.А. Медведев. ФГВ 34, 4,102 (1998).[2] М.В.

Байдакова, А.Я. Вуль, В.И. Сиклицкий, Н.Н. Фалеев.ФТТ 40, 4, 776 (1998).Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 4Получение, свойства и применение фракционированных наноалмазов[3] Л.В. Агибалова, А.П. Возняковский, В.Ю. Долматов,В.В. Клюбин. Сверхтвердые материалы 4, 87 (1998).[4] Е.М. Опарин. Патент RU № 2088689.[5] Т.М.

Губаревич, Н.М. Костюкова, Р.Р. Сатаев, Л.В. Фомина.Сверхтвердые материалы 5, 31 (1991).[6] С.И. Чухаева, П.Я. Детков, А.П. Ткаченко, А.Д. Торопов.Сверхтвердые материалы 4, 29 (1998).[7] А.Е. Алексенский, М.В. Байдакова, А.Я. Вуль, А.Т. Дидейкин, В.И. Сиклицкий, С.П. Вуль. ФТТ 42, 8, 1531 (2000).[8] P.W. Chen, Y.S. Ding, Q. Chen, F.L. Huang, S.R.

Yun.Diamond Relat. Mater. 9, 1722 (2000).[9] E.N. Loubnin, S.M. Pimenov, A. Blatter, F. Schwager,P.Ya. Detkov. New Diamond Front. Carbon Technol. 9, 4, 273(1999).[10] А.Д. Торопов, П.Я. Детков, С.И. Чухаева. Гальванотехникаи обраб. поверхности 3, 14 (1999).Физика твердого тела, 2004, том 46, вып.

4613.