Структурные и фазовые превращения в углеродных наноматериалах, полученных в широком диапазоне давлений (1097883)

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

Текст из файла

На правах рукописиКУЛЬНИЦКИЙ БОРИС АРНОЛЬДОВИЧСТРУКТУРНЫЕ И ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В УГЛЕРОДНЫХНАНОМАТЕРИАЛАХ, ПОЛУЧЕННЫХ В ШИРОКОМ ДИАПАЗОНЕДАВЛЕНИЙ(01.04.07 – физика конденсированного состояния)Автореферат диссертациина соискание ученой степени доктора физико-математических наукМосква - 2010Работа выполнена в Федеральном Государственном Учреждении Технологическийинститут сверхтвердых и новых углеродных материалов (ФГУ ТИСНУМ)Официальные оппоненты:Доктор физико-математических наук, профессор Новакова Алла АндреевнаДоктор физико-математических наук, профессор Шешин Евгений ПавловичДоктор физико-математических наук, Хлыбов Евгений ПетровичВедущая организация: Федеральное государственное унитарное предприятие«Центральныйнаучно-исследовательскийинститутчерной металлургии им. И.П.Бардина»Защита состоится «…»______ 2010 года в _____часов на заседаниидиссертационного совета Д.501.002.01 в Московском государственномуниверситете им. М.В.Ломоносова по адресу: 119991 ГСП-1, г.Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория ____.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУимени М.В.

ЛомоносоваАвтореферат разослан “____”____________ 2010 годаУченый секретарьдиссертационного совета Д.501.002.01кандидат физико-математических наукТ.В.ЛаптинскаяОбщая характеристика работыАктуальность темы. В последние годы большой научный и практическийинтерес вызывают наноструктурные материалы. Очень перспективными средиизвестных наноматериалов представляются наноуглеродные материалы. Ввосьмидесятые годы была обнаружена удивительная форма углерода – фуллерен(C60).

Молекула этого материала состоит из 60 атомов углерода, образующихструктуру, близкую к сферической. Далее были обнаружены углеродныенанотрубки - протяжённые цилиндрические структуры, состоящие из одной илинескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей.Открытие нанотрубок, нановолокон, наноонионов (луковиц) и их производных,по-видимому, можно рассматривать как наиболее яркое достижение висследовании наномира в конце двадцатого века. Оказалось, что нанотрубкимогут отличаться типом проводимости (металлическая или полупроводниковая).Их способность излучать электроны определила возможность их использованияв качестве полевых эмиттеров.

Они обладают хорошими механическимисвойствами, могут рассматриваться в качестве сосудов для хранения газов, атакже могут быть использованы в медицине для обволакивания больных клетоки в качестве контейнера для лекарств.Несмотря на огромное количество опубликованных к настоящему времениработ по получению и исследованию наноуглеродных материалов, остаетсямножество вопросов, касающихся роста таких материалов, в том числе условийформирования, кинетики, роли катализаторов, термодинамических условий,кристаллографических особенностей структуры как нанотрубок (нановолокон),так и каталитических частиц и т.д.Важным параметром при образовании наноуглеродных материалов являетсядавление.Использованиевысокогогазовогодавления,достигающегонескольких сотен атмосфер, открывает новые возможности для получениянанотрубок (нановолокон). В частности, давление газа в сочетании с высокойтемпературой может способствовать внедрению азота и бора в углеродную1структуру, что, в свою очередь, может привести к образованию разнообразныхструктур (углерод-азотных, бор-углерод-азотных, конических, разветвленных ит.д.).

Использование в этих условиях различных катализаторов открываетбольшие возможности для формирования новых структур, включая получениенаполнителей (тонкая проволочка металла внутри нанотрубки) и другихвозможных образований внутри нанотрубок. Такие структуры, находящиесявнутри нанотрубки, могут рассматриваться как 1-D кристаллы. В процессесинтеза металл взаимодействует с углеродом, что может привести ккарбидообразованию.Известно, что термобарическая обработка фуллеренов С60 и С70 приводит кформированиюматериаловсхорошимимеханическимисвойствами,сравнимыми с соответствующими свойствами алмаза.

Исследование структурытаких материалов представляет большой интерес. Самыми перспективнымипредставляются материалы, полученные в условиях максимально возможныхвеличин параметров обработки (в диапазоне давлений до 15 ГПа и температурдо 1800K).Внастоящеевремясуществуетмножествоспособовформированияуглеродных луковиц (онионов).

Некоторые из них связаны с применениемдавлений. Важной задачей представляется проведение сравнительного анализаструктуры углеродных онионов, полученных в условиях высоких давлений (приобработке графита в камере высокого давления типа «алмазных наковален», притермобарической обработке фуллерена С60, в условиях взрывной обработкиграфита) с онионами, полученными в других условиях. Этот интерес обусловлентем фактом, что обработка углеродного материала давлением может привестине только к образованию онионов, но и к образованию алмазов. Такиеисследования могут привести к пониманию условий формирования как одной,так и другой структуры.Таким образом, экспериментальное изучение наноуглеродных материалов,полученных в условиях приложения высоких давлений, является актуальным2как в плане получения новых функциональных материалов, так и в планедальнейшего развития фундаментальной науки в данной области.Цельработы.Цельюработыявлялосьисследованиеособенностейкристаллографии двух групп наноуглеродных материалов: цилиндрическойформы (нанотрубки, нановолокна) и сферической формы (фуллерены ионионы), сформированных в условиях приложения высоких давлений.Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:-исследованиеособенностейстроенияуглеродныхнанотрубокинановолокон, полученных в газостате и сравнение их с аналогичнымиматериалами, полученными в других условиях;- исследование ориентации каталитических частиц (Ni, Co, Fe и Fe-Co) сразличной кристаллической решеткой (гцк, оцк и гпу) по отношению кпродольной оси углеродного нановолокна (нанотрубки); сравнение результатовисследований с литературными данными и объяснение полученных результатов;- исследование конических нанотрубок с различными углами и анализмеханизмов их образования;- исследование процессов, происходящих внутри нанотрубок: образованиефазвысокогокарбидообразование,давления,двойникование,взаимопревращенияобразованиекарбидов,дефектов,ориентационныесоотношения;- исследование особенностей углерод-азотных нанотрубок и бор-углеродазотных нанотрубок;- исследование фуллеренов С60 и С70 после термобарической обработки вкамере высокого давления в широком диапазоне давлений и температур; анализполученных кристаллических и некристаллических фаз;- исследование графита, обработанного давлением и сдвигом в камеревысокого давления типа алмазных наковален;- исследование углеродных луковиц (онионов), полученных пятью разнымиметодами:- в камере высокого давления типа алмазных наковален,3- при взрыве,- при отжиге наноалмазов,- при дуговом разряде,- при термобарической обработке фуллерена С60;- исследование закономерностей в строении онионов, их дефектности и ролив превращении графит  алмаз.Метод исследования - просвечивающая электронная микроскопия (ЭМ), втом числе ЭМ высокого разрешения, а также спектроскопия потерь энергииэлектронов (СПЭЭ-EELS) и энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия(ЭДРС-EDS).Научная новизна.

В настоящей работе научная новизна определяется темирезультатами, которые впервые были получены в работе, в частности:- Проведено исследование углеродных нанотрубок конического сечения,полученных в газостате. Обнаружены конические нанотрубки с семью разнымиуглами при вершине конуса. Показано, что формирование коническихнанотрубок осуществляется в соответствии с механизмом свертки; при этомвозможен также рост, связанный с внедрением пятиугольников в графеновуюплоскость.- Установлена ориентация гцк и оцк (Ni, Co, Fe, Fe-Co) каталитическихчастиц вдоль оси нанотрубок (нановолокон).

Показано, что ориентация всехчастиц вдоль оси трубки сводится к одному и тому же набору направлений:[100], [110], [111] и [112]. Дополнительные ориентации вдоль оси трубкиобнаружены в двойниковых прослойках. Установлены две ориентации частиц сгпу-решеткой вдоль оси трубки: направление [ 334 ]гпу и направление [001]гпу.-Установлено,чтовпроцессеростакристаллическаярешеткакаталитической частицы оцк-железа в зависимости от условий синтезатрансформируется в один из следующих карбидов железа: Fe3C, Fe5C2 илиFe7C3.

Экспериментально подтверждены два ориентационных соотношения(ОС), описывающих взаимную ориентацию оцк-железа и цементита. Такое«переключение» ОС может быть объяснено двойникованием в гексагональной4решетке-карбидаприреализацииследующейпоследовательностипревращений: -Fe -карбид Fe3C Fe5C2 Fe7C3.- Показано, что нанотрубка может рассматриваться как миниатюрнаяреакционная камера. Об этом свидетельствуют деформационные двойники,обнаруженные в каталитических частицах, взаимопревращения карбидов, атакже частицы гцк-железа, которые формируются в условиях приложенногодавления.-Установленапоследовательностьструктурныхпревращенийпритермообработке С60.

Показано, что рост давления и температуры приводит куменьшению параметров образующихся гцк-решеток, а затем к возникновениютриклинных(искаженныхгцк)кристаллическихрешетоквследствиеобразования линейнополимеризованных цепочек молекул и уменьшениякратчайших расстояний между молекулами (в направлении [110]). Дальнейшийростпараметровтермобарическойобработкиприводиткпоявлениюобъемнополимеризованных кристаллических фаз. В условиях давлений 13-15ГПа при температурах 1100-1800К образуются онионы, эллипсоиды и другиеобъемные замкнутые структуры, состоящие из набора оболочек. Установленапоследовательность структурных состояний при термообработке С70.

Характеристики

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов диссертации