Диссертация (1097714), страница 40

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 40)

Тем не менее, мы получилинаибольший модуль значение для образца с 15% частиц. Растягивающее усилие в процессеизмерений механических свойств методом динамического механического анализа былоприменено в направлении приложения магнитного поля в процессе изготовления.Известные модельные расчеты свидетельствуют, что механические свойства в продольноми поперечном направлении композита при измерении вдоль и поперек волокон могутразличаться в значительной степени, полного соответствия с экспериментальнымиданными можно достичь только зная точную структуру сформированного композита.Объяснение наблюдаемым явлениям в нашем проекте было найдено с помощьюпроведения структурных исследований композитов методами сканирующей электронноймикроскопии и визуализации внутренней структуры композита посредством рентгеновскойкомпьютерной томографии.На изображениях (полученных в ХY плоскости рис.5.37.композитных образцов хорошо видно расположение частиц в полиуретановой матрице.Стабилизация частиц в процессе полимеризации внешним магнитным полем приводит к ихпространственно- анизотропному расположению в матрице вдоль силовых линиймагнитного поля: цепочки больших частиц покрыты цепочками частиц малого размера.Было установлено, что если для 15FeGaPU частицы выстраиваются в редкиенепрерывные длинные цепочки ~30мкм, а для 25FeGaPU эти цепочки ~15мкм, имеютразрывы ~3-4мкм, то для 50FeGaPu цепочки вдоль направления магнитного поля всего 45мкм, но при этом в направлении перпендикулярном приложению поля наблюдаетсяскопления частиц по типу столбчатых структур.215ННРисунок.5.37.

СЭМ изображения, полученные в разныхННплоскостях, расположения частиц в матрице полиуретана :образец 15FeGa/PU (a); 25FeGa|PU (б); 55FeGa\PU (в,г)Такое неоднородное расположение частиц вдоль линий обусловлено комплекснымдействием магнитных, гравитационных сил и вязкостью полимера, и характерно дляполимерных композитов с магнитными частицами.Рисунок 5.38. СЭМ изображение цепочек частицвнутри композита (слева) и увеличенноеизображение одной цепочки (справа)Для подтверждения предположения были проведены эксперименты по выявлениювнутренней структуры композитов с помощью трехмерной рентгеновской томографии(рис.5.39 А-В). Они позволили визуализировать структурные детали композита.

Оказалось,что , действительно, агломерация частиц структуры, подобные столбчатым, в поперечномнаправлении к цепочкам частиц наблюдается для композита с концентрацией (50% рис.5.39B). Для образца 25% - установлено более равномерное расположение прерывистых цепочекчастиц в объеме композита.216Рисунок 5.39. Рентгеновская компьютерная томография внутренней структурыкомпозитов с 25 % (А) и 55% (B) частиц в полимере.Как показаноранее, интенсивная механическая обработка частиц железа (объемно-центрированной кубической структуры) в шаровой планетарной мельнице приводит кформированию в частицах наведенной деформацией магнитной анизотропии. Однородноемагнитное поле, приложенное к образцу, вызывает магнитодеформационный эффект,механизм которого обусловлен рядом факторов.

Один из них связан с появлением у теласобственного макроскопического (размагничивающего) поля, величина и пространственноераспределение которого определяются формой тела и общим содержанием в неммагнетика. Этот эффект вызывает удлинение образца, то есть деформация формыположительна. Еще один фактор обусловлен неоднородностью локальных полей. По этойпричине формируемый им вклад в общую величину магнитострикции существенно зависитот типа ближнего порядка в подсистеме магнитных частиц, внедренных в эластомернуюматрицу. Кроме того, для образца заданных размеров при заданной концентрации частицнаполнителя полимерной матрицы величина магнитострикции должна зависеть от наличияпространственныхмежчастичныхкорреляций.Определяющимфакторомсчитаютсоотношение между численностями изолированных частиц и частиц, агрегированных вцепочные кластеры, причем влияние цепочек на общую деформацию тем значительнее, чембольше их длина.

Следует отметить, что в нашей работе для формирования композитаиспользуются частицы материала, который сам по себе принадлежит к классувысокомагнитострикционных материалов. Наличие упругих напряжений в частицахвследствие механохимического способа их получения, является усиливающим факторомувеличения в них магнитострикционного эффекта.Магнетодеформационные свойства синтезированных композитов обусловленырядом конкурирующих факторов: 1) влияние магнитного и гравитационного полей и настабилизацию и ориентацию частиц в процессе полимеризации, 2) размер частиц, форма и217концентрация, 3) вязкость полимера.

Следует также учитывать фактор неоднородностилокальных полей, вклад которых зависит от (4) ближнего порядка в подсистеме магнитныхчастиц в полимерной матрице.Наличие упругих напряжений в частицах, в связи с механохимическим способом ихсинтеза приводит к образованию анизотропной формы частиц, которая может являтьсяусиливающим фактором повышения их собственного магнитострикционного эффекта. Какбыло показано в наших работах по изучению механохимической активации частиц железа,интенсивная механическая активация частиц ОЦК-железа приводит к образованию частиц,обладающих магнитной анизотропией.

Частицы железа измельчаются и расплющиваются вудлиненные пластины, ось легкого намагничивания которых лежит в плоскостирасплющивания.Этотэффект,выявленизанализаинтенсивностейлинийМессбауэровского спектра комопозита (I2 (5) / I1 (6) = 4 (1-cos2θ) / 3 (1 + cos2θ) )магнитного сверхтонкого расщепления мессбауэровских спектров композитных образцов,полученных в геометрии обратного рассеяния с регистрацией конверсионных электронов(рис. 5.35).Результаты показали, что средний макроскопический магнитный момент(определяющий «магнитную текстуру» образца) лежит в плоскости вдоль сформированныхцепочек.

Увеличенное изображение как частицы расположены в цепочке, показанное нарис. Свидетельствует, что в цепочках преобладает ориентация частиц вдоль их «длинной»оси.Таким образом, в результате проведенного исследования показана эффективностьиспользования механохимического синтеза для получения частиц, в которых формируетсянаведенная деформациеймикронапряжениймагнитная анизотропия, приводящая кзначениймагнитострикции.Использованиеувеличению за счеттакихчастицприформировании функционального эластомерного композита позволяет получить материал созначимым магнитострикционным эффектом, а ориентация частиц магнитным позволяетувеличить этот эффект в несколько раз.КРАТКИЕ ИТОГИ Изучены процессы формирования структуры композитных функциональныхжелезосодержащихматериаловсиспользованиеммеханоактивированныхпрекурсоров. Установлено влияние структуры, морфологии, размеров, формы и анизотропиифизических свойств частиц, достигаемых методом механохимии на формированиефункционально значимых свойств материала.218 Изучены процессы фазообразования в композитных системах интерметаллид-оксид,синтезируемыхметодомСВСсиспользованиеммеханоактивированныхпрекурсоров систем (Fe\Al; Fe2O3/FeAl; Fe2O3/Al(Cr)/Fe; Fe2O3/Zr/Fe) / Установлено, что регулируя условия предварительной механоактивации, создаваялокально-неоднородные системы, можно существенно менять температуру, скоростьреакции и, соответственно,целенаправленно управлять структурой, фазовымсоставом и морфологией продуктов СВС:предварительная механоактивацияобеспечивает наноразмеры и гомогенность образующегося композита, а исходнаяконцентрация реагирующей смеси – обуславливает определенную стехиометриюинтерметаллидавконечномнанокомпозите.Установлено,чтосохранениеструктурной морфологии механоактивированного прекурсора в полученном послеСВС нанокомпозите свидетельствует о преобладании твердофазных процессов приСВС. В результате проведенных систематически мессбауэовских исследований впервыеустановлена возможность формирования инкапсулированных оксидом циркониячастиц железа при совмещении механоактивации и СВС в разбавленных термитныхсмесяхFe2O3/Fe/Zr.Образованиетакойфункциональноважнойструктурыпроисходит при низких температурах через синтез смешанных оксидов винтерфейсных областях. Впервые показана возможность использования направленного механохимическогосинтеза частиц определенного фазового состава, функционального размера,анизотропииформыхарактеристикамидляиобладаюдщихфункциональнымитехнологическогодизайнамагнитнымикомпозитныхполимерныхматериалов с большим магнитодеформационным эффектом для целей сенсорики иактюаторной техники. Экспериментально установлено влияние состава, размера и морфологии частиц, атакжеихупорядоченногопространственногорасположениянамагнитомеханические свойства металлополимерных композитов. ПолученныеформированияметодомМессбауэровскойлокальнойструктурыспектроскопиичастиц,содержащихзакономерностижелезо,прииспользовании его как зонда для мониторинга процессов взаимодействия элементов, послужили основой для объяснения эффектов, наблюдаемых для других систем втехнологияхцеленаправленногосинтезаметодоммеханическойактивациинанокристаллических композитных материалов с определенным фазовым составом,219дисперсностью и набором практически важных свойств – дисперсностью,коррозионной стойкостью, термической стабильностью, магнитными свойствами. Результаты работы показали, что информация, извлекаемая из мессбауэровскихспектров композитных систем, адекватно отражает особенности локальнойкристаллической структуры, макроскопического интегрального фазового составакомпозита, а также магнитного состояния составляющих композит фаз.

Это имеетважное фундаментальное и практическое значение в технологиях синтеза ипрогнозирования (дизайна) новых перспективных материалов.220ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫВ настоящей диссертационной работе показана эффективность и разработаны основныефизические принципы применения мессбауэровской спектроскопии для исследованиямногокомпонентных композитных наносистем с привлечением комплекса дополнительныхэкспериментальныхметодов(электронноймикроскопии,рентгеновскойдифракции,термоанализа и магнитных измерений).

Характеристики

Список файлов диссертации