Получение и физические свойства композиционных материалов на основе наноразмерных оксида цинка и металлов триады железа

Е. В. Петрова, А. Ф. Дресвянников, И. Н. Хисматова,

Р. Р. Мустафина

ПОЛУЧЕНИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НА ОСНОВЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ ОКСИДА ЦИНКА И МЕТАЛЛОВ ТРИАДЫ ЖЕЛЕЗА

Ключевые слова: композиционные материалы; наноразмерный оксид алюминия; металлы триады железа; компактирование,

микротвердость.

Исследовано влияние условий прессования на механические свойства, в частности микротвердость, композитов на основе нанопорошков оксида алюминия и металлов триады железа.

Keywords: composite materials; nanosized zinc oxide; metals of iron triade; microhardness.

The influence ofprocessing conditions on physical properties of composites on the base of zinc oxide metals of iron tri-ade has been investigated.

Композиционные и керамические материалы представляют собой гетерогенные системы, полученные из двух или более компонентов (фаз). На микроуровне композиты состоят из непрерывной фазы -матрицы, и наполнителей, которые вводят для модификации свойств матрицы и придания им улучшенных или качественно новых свойств. В качестве матрицы выступают тонкодисперсные материалы (чаще всего оксиды металлов и неметаллов), роль наполнителя, при этом, могут играть как природные фазы, так и совокупность искусственно полученных химических соединений. В последнее время при получении композиционных и керамических материалов в качестве специальных наполнителей используют ультра-дисперсные и наноразмерные порошки.

В последнее десятилетие большой интерес вызывает дизайн и получение функциональных материалов на основе наноструктурированных систем с заданными физико-химическими свойствами на основе оксида цинка. Устойчивый интерес к наноразмер-ным частицам оксида цинка связан с широким спектром областей его применения: газовые сенсоры, катализаторы, оптические излучатели, материалы для наноэлектроники, пьезоэлектрические преобразователи, люминесцентные материалы, полупроводниковые устройства и т.п. При этом важно не только получить новые материалы с нестандартными характеристиками, но и тщательно изучить их особенности и возможности для применения в нестандартных ситуациях, не имеющих аналогов в истории науки и техники [1-2].

Целью данной работы являлось выявление влияния условий прессования на механические свойства, в частности микротвердость, композитов на основе нанопорошков.

Экспериментальная часть

В качестве исходного материала использовали порошок оксида цинка, полученный электрохимическим методом [3-4].

Вторым компонентом являлись нанодисперс-ные порошки металлов триады железа, полученные электрохимическим восстановлением ионов желе-за(Ш), никеля(11) или кобальта(П) на суспендированной в раствор алюминиевой подложке [5].

Образцы композитов, прекурсоров керамических материалов, получали путем механического пе-

ремешивания оксида цинка и металла в агатовой ступке (навеска образца составляла 1,30 г при соотношении Л120з:Ме = 50:50 масс. ч.) в течение 15 минут, качество перемешивания определялось визуально. Компактирование нанодисперсных порошков проводили путем холодного прессования при различных давлениях. Микротвердость полученных образцов определяли с помощью микротвердомера HMV-2T (Shimadzu). Измерения проводились по Виккерсу при нагрузке индентора 100 г, времени экспозиции 15 минут, количество измерений -10.

Рентгенографический анализ предшественников проводили методом порошковой дифрактометрии на дифрактометре D2 Phaser (фирма Bruker) с использованием монохроматизированного CuKa-излучения в режиме шагового сканирования (шаг сканирования -20=0,05°, время экспозиции в точке - 1 с). Расчет значений межплоскостных расстояний дифракционных рефлексов производился автоматически по программе EVA. Идентификация кристаллических фаз осуществлялась путем сопоставления полученных экспериментальных значений межплоскостных расстояний и относительных интенсивностей с эталонными.

Обсуждение результатов

Состав и основные характеристики полученных образцов представлены в табл.1.

Таблица 1 - Характеристики полученных образцов

a б о № Состав г d б о s и и v р E н РЦ (-4 s s e s IS .s S CJ is <£

1. ZnO 1,24 0,43 13,S2 2,56 3,23

2. ZnO 1,26 0,65 13,S7 2,57 3,25

3. ZnO 1,27 0,S6 13,S1 2,36 3,59

4. ZnO+Fe 1,27 0,43 13,S0 2,1S 3,90

5. ZnO+Fe 1,25 0,65 13,S0 2,11 3,96

6. ZnO+Fe 1,26 0,S6 13,S0 2,06 4,09

7. ZnO+Ni 1,26 0,43 13,7S 1,96 4,31

S. ZnO+Ni 1,24 0,65 13,7S 1,S6 4,47

9. ZnO+Ni 1,24 0,S6 13,7S 1,74 4,7S

10. ZnO+Co 1,27 0,43 13,S1 2,03 4,1S

11. ZnO+Co 1,26 0,65 13,7S 1,S6 4,54

12. ZnO+Co 1,24 0,S6 13,S0 1,76 4,71

Результаты исследований гранулометрического состава предшественников композиционных керамических материалов на основе наноструктури-рованного оксида цинка и металлов триады железа представлены на рис.1.

Рис. 1 - Результаты исследований гранулометрического состава прекурсоров композиционных керамических материалов на основе наноструктуриро-ванного оксида цинка и металлов триады железа

Как видно из представленных данных гранулометрический состав зависит от природы металла триады железа.

В результате предварительных испытаний было установлено, что смесь наноразмерного оксида цинка и ультрадисперсного металлического железа в процессе компактирования расслаивается с ростом давления. Устойчивый экспериментальный образец был получен при Рпресс=0,63 ГПа. По результатам рентгенофазового анализа установлено, что прекурсор нанодисперсной системы 2пО-Бе представлен механической смесью фаз оксида цинка и металлического железа

Изменение микротвердости компактных образцов оксида цинка и композитов с металлами триады железа в зависимости от давления прессования представлено на рис.2.

гпО гпО+Ее гпО+№ гпО+ео

Рис. 2 - Изменение микротвердости исходного оксида цинка и композитов на его основе в зависимости от давления прессования

Можно отметить, что систему 2пО-Бе, отличает практически полное отсутствие прироста микротвердости при росте давления прессования. Образцы, полученные при давлении свыше 0,6 ГПа, были неустойчивы и практически сразу расслаивались. Логично предположить, что в этом случае роль играет значительное расхождение параметров кристаллических решеток, что способствует разрушению компактиро-ванного материала.

С целью выбора оптимальных условий термообработки прекурсоров композиционных керамических материалов на основе наноразмерного оксида цинка и никеля производили спекание синтезированных образцов при температурах 773, 1023 и 1373 К. Для спеченных образцов измеряли микротвердость по Виккерсу, изменение массы готового образца и фазовый состав (табл.2).

Согласно данным рентгенофазового анализа данная система представляет собой механическую смесь фаз оксида цинка и металлического никеля.

В результате спекания в системе образуется некоторое количество фазы оксида никеля; косвенным подтверждением данного факта является прирост массы образца.

Таблица 2 - Влияние условий термообработки на микротвердость прекурсоров нанодисперсной системы ZnO - N1

Я Е и и V & Е № Т=298К Т=773К Т=1023К Т=1273К

АН г ІІ О о а НУ г ІІ О о а УН г ІІ О о а НУ г Л О о а

49 1,26 85 1,28 74 1,37 10 3 1,39

0,6 5 60 1,24 98 1,26 93 1,34 10 4 1,37

0,8 6 74 1,24 108 1,26 111 1,33 11 1 1,38

С целью выбора оптимальных условий термообработки прекурсоров композиционных керамических материалов на основе наноразмерного оксида цинка и кобальта проводили спекание синтезированных образцов при температурах 773, 1023 и 1373 К. Для спеченных образцов измеряли микротвердость по Виккерсу, изменение массы готового образца и фазовый состав (рис.3).

Рис. 3 - Изменение микротвердости прекурсоров нанодисперсной системы ZnO - Со в зависимости от условий термообработки

Таким образом, в ходе проведенных исследований изучены: фазовый состав, распределение частиц по размерам в агрегированных системах; изменение микротвердости полученных образцов от давления прессования и условий термической обработки. На основе анализа результатов исследования предложены оптимизированные условия получения композиционных материалов на основе наноразмерного оксида и металлов триады железа (2пО-Бе, Рпресс. = 0,63 ГПа, 2пО-№ и 2пО-Со, Рпресс. = 0,86 ГПа). Показано, что при комнатной температуре образцы представляют собой механическую смесь фаз оксида цинка и соответствующего металла. Температурная обработка в диапазоне 773 - 1373 К приводит к образованию фаз оксидов металлов, доля которых повышается с увеличением температуры.

Работа выполнена на оборудовании ЦКП «Наноматериалы и нанотехнологии» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Рос-

сийской Федерации в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы» по госконтракту 16.552.11.7012.

Литература

1. C. Look // Materials Science and Engineering B. - 2001. -V.80, №1-3. - P.383-387.

2. M.K. Patra, K. Manzoor, M. Manoth, S.R. Vadera, N. Kumar // Journal of Luminescence. - 2008. - V.128. - №2. - P.267-272.

3. E.V. Petrova, A.F. Dresvyannikov // Russian Journal of Physical Chemistry A. - 2011. - V.85, №5. - P.835-840.

4. Е.В. Петрова, А.Ф. Дресвянников, М.А. Цыганова и др. // Вестник Казанского технологического университета. -2009. - №4. - С.26-34.

5. А.Ф. Дресвянников, М.Е. Колпаков, Е.В. Пронина // Журнал общей химии. - 2010. - Т.80, №10. - С.1591-1597.

© Е. В. Петрова - канд. хим. наук, доц. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, katrin-vv@mail.ru; А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. той же кафедры; И. Н. Хисматова - студент КНИТУ; Р. Р. Муртазина - студент КНИТУ.