Электронно-микроскопическое исследование микроструктуры механокомпозита медь – нанотрубки

УДК 539.3

ЭЛЕКТРОННО-МИКРОСКОПИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ МЕХАНОКОМПОЗИТА МЕДЬ - НАНОТРУБКИ

© Ю.П. Пинжин, М.Г. Криницын, К.И. Денисов, И.А. Дитенбер, А.Н. Тюменцев, М.А. Корчагин, В.Л. Кузнецов

Ключевые слова: механокомпозит; углеродные нанотрубки; интенсивная пластическая деформация; субструктура. Проведено изучение морфологии, дефектной и зеренной субструктуры порошковых механокомпозитов медь -углерод, с углеродом в форме нанотрубок. При исследовании широко использовались методики электронной микроскопии.

При создании композиционных материалов с успехом применяются методы механической активации, с помощью которых удается достигнуть перемешивания компонентов, которые не могут быть смешаны металлургическими способами [1]. В данной работе были проведены исследования композитов медь - углерод, где углерод представлен в форме многостенных нанотрубок диаметром 8 нм, содержание углерода в получившихся композитах - 0,7 вес. %. Перемешивание компонент было проведено с применением методов механической активации (МА) в энергонапряженной шаровой мельнице планетарного типа АГО-2 [2]. При использовании этого метода помимо перемешивания компонент и образования структур с новой морфологией за счет слипания и/или размельчения частиц порошка они подвергаются интенсивной пластической деформации с формированием структурных состояний, характеризуемых высокой плотностью дефектов кристаллического строения.

Частицы исходного порошка меди (рис. 1) имели дендритную форму и размер не более 100 мкм.

Рис. 1. Исходный медный порошок ПМС-1

В процессе МА порошки начали слипаться, принимая форму дисков. Диаметр таких дисков могут значительно превышать размеры исходных порошинок. С увеличением времени МА уменьшается количество

исходных порошинок и при длительности МА 5 минут частицы исходного порошка практически отсутствуют (рис. 2). Получившиеся частицы имеют форму, близкую к форме дисков диаметром до несколько сотен мкм и толщиной не более 30 мкм.

Рис. 2. Композиты медь - нанотрубки после 5 минут МА

При дальнейшем увеличении продолжительности МА не удается достичь значительных изменений в морфологии порошков. По краям диска частицы порошка плохо консолидируют и расслаиваются, образуя сложную поверхность (рис. 3).

Методом растровой электронной микроскопии исследовали поперечное сечение полученных частиц порошка, приготовленное с помощью сфокусированного ионного пучка из центра диска. При исследовании использовали прибор Quanta 200 3D. Из полученных изображений видно, что порошки обладают значительной неоднородностью из-за высокой пористости (рис. 4). Поры имеют форму, вытянутую вдоль поверхности частицы порошка, при этом размер пор значительно различается.

Зеренную и тонкую дефектную структуру механокомпозитов в поперечном сечении исследовали с применением просвечивающей электронной микроскопии.

1942

Рис. 3. Боковая поверхность композита медь - нанотрубки

Рис. 4. Структура поперечного сечения композита медь -нанотрубки и микродифракция с поры

Рис. 5. Контур зерна (У) и вектор нормали к поверхности порошинки (и) для механокомпозита медь - нанотрубки

Анализ показал, что зерна имеют вытянутую параллельно поверхности форму (рис. 5), при этом размеры их в одном направлении достигают 0,5-1 мкм, в другом не превышают 300 нм. Дефектная структура зерен характеризуется высокой плотностью дислока-

ций, а темнопольный анализ непрерывных и дискретных разориентировок, описанный в работе [3], показал, что отдельные зерна состоят из субзерен, разделенных между собой малоугловыми границами. Кроме того, внутри зерен обнаружены непрерывные разориенти-ровки, т. е. присутствует кривизна кристаллической решетки. При этом вблизи границ зерен значения кривизны оказываются значительно выше, чем вдалеке от границ. При этом максимальные значения кривизны не превышают 20 град/мкм.

В ходе исследования структуры было установлено, что поры не пусты. Картина микродифракции, полученная с них, практически идентична микродифракции, полученной с углеродных нанотрубок, используемых для формирования механокомпозита (рис. 6).

Рис. 6. Изображения микродифракции с поры

По-видимому, в процессе перемешивания порошков нанотрубки «зажимаются» между частицами порошка меди и препятствуют их консолидации. Исходя из этого можно сделать вывод о том, что наибольшая часть использованных при МА нанотрубок находится именно в порах.

ЛИТЕРАТУРА

1. Григорьева Т.Ф., Баринова А.П., Ляхов Н.З. Механохимический синтез в металлических системах. Новосибирск: Параллель, 2008. 311 c.

2. Аввакумов Е.Г., Поткин А.Р., Самарин О.И. Планетарная мельница // Бюллетень изобретений. А.с. № 975068 (СССР). 1982. № 43.

3. Тюменцев А.Н., Пинжин Ю.П., Kopoтaeв А.Д., Третьяк Ы.В., Исламгалиев Р.К., Валиев Р.З. Электронно-микроскопические исследования границ зерен в ультрамелкозернистом никеле, полученном интенсивной пластической деформацией // ФММ. 1998. Т. 86. Вып. 6. С. 110-120.

БЛАГОДАРНОСТИ: Исследования проведены с использованием оборудования Томского материало-ведческого центра коллективного пользования научным оборудованием (ТРЦКП) Томского государственного университета.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Pinzhin Y.P., Krinitsin M.G., Denisov K.I., Ditenberg I.A., Tyumentsev A.N., Korchagin M.A., Kuznetsov V.L. RESEARCH OF MICROSTRUCTURE FOR MECHANICAL COMPOSITES COPPER-NANOTUBES WITH APPLICATION OF ELECTRON MICROSCOPY

Morphological and grain structure of mechanical composites copper - carbon nanotubes are investigated. Methods of electron microscopy are widely used.

Key words: mechanical composite; carbon nanotubes; severe plastic deformation; substructure.

1943