О создании композитных материалов на основе наночастиц меди и диоксида кремния

2Q11/3

УДК 62-63

О СОЗДАНИИ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НАНОЧАСТИЦ

МЕДИ И ДИОКСИДА КРЕМНИЯ

С.Л. Буянтуев, Б.Б. Дамдинов, А.С. Кондратенко

В статье рассматриваются вопросы синтеза наночастиц меди коллоидными способами, их исследования оптическим и микроскопическим методами, а также изучается проблема возможности образования композитных материалов на основе полученных наночастиц меди с добавлением нанодисперсного диоксида кремния.

Ключевые слова: наночастицы меди, коллоидный раствор, прессование, спекание, сплавление, синтез композитов, оптические и микроскопические исследования, графитовые тигли, электродуговая плазма.

ABOUT FORMATION OF COMPOSITE MATERIALS BASED ON COOPER AND SILICA DIOXIDE NANOPARTICLES S.L. Buyantuev, B.B. Damdinov, A.S. Kondratenko

The article deals with the problems of synthesis of copper nanoparticles by colloidal methods, and their studying by optical and microscopic methods, much attention is paid to the opportunity of formation composite materials based on nanoparticles of copper with the addition of nanodispersed silicon dioxide.

Keywords: copper nanoparticles, colloidal solution, pressing, sintering, fusion, synthesis of composites, optical microscopy studies, graphite crucibles, arc plasma.

В наши дни проблема получения наноразмерных частиц становится всё более актуальной. Интерес к ней продиктован необходимостью создания новых технологий в различных отраслях научнотехнической деятельности человечества. В частности, все чаще приходится сталкиваться с необходимостью перехода на новые композитные материалы с рядом необычных свойств. Речь идет об оптических, акустических, тепловых и других свойствах, которые могут кардинально изменяться в композитах по сравнению со свойствами уже известных и широко применяемых материалов.

В данной работе рассматриваются варианты синтеза наноразмерных частиц меди Cu и использование ее и нанодисперсного тугоплавкого окисла (SiO2) для синтеза композитов. При осуществлении данных синтезов нами использовались вещества с маркировками х.ч., ч.д.а. Получение коллоидной меди проводилось следующим образом: разбавленный раствор гидрата гидразина (N2H4-H2O) с пропорцией разбавления 1:2000 прибавили к аммиачному раствору CuSO4 (1:1000) в присутствии гуммиарабика. При нагревании получили гидрозоль, который подвергли диализу [1]. По свойствам полученный гидрозоль в отраженном свете имеет медно-красный цвет, а в проходящем свете - синий. Данный золь длительное время устойчив в плотно закрытом флаконе. При центрифугировании получены суспензии наночастиц меди, средний размер которых составляет 100 нм (рис. 1).

Рис. 1. Микрофотография наночастиц меди, полученных центрифугированием гидрозоля

Также было проведено спектроскопическое исследование плазмонов полученного гидрозоля меди в области видимого и УФ света с помощью спектрофотометра СФ-56. Данные, полученные спектроскопическим методом, хорошо сочетаются с микроскопическим исследованием размеров частиц Си. Максимум поглощения наблюдается при длине волны 420 нм (рис. 2). По литературным данным, это соответствует поглощению частиц меди размером «100 нм. Быстрый рост поглощения в максимуме полосы свидетельствует о формировании в системе новых частиц меди данного размера [2].

Рис. 2. Спектры оптического поглощения гидрозоля меди

Для изучения вопроса плавления и жидкого состояния SiO2 и композитов на его основе нами было применено основное уравнение термодинамики, связывающее свойства обеих фаз - уравнение Клапейрона-Клаузиуса: AS^/AVm = dP/dT, где ASra = S* - Sra, а АУпл = Уж - Утв - изменение энтропии и объема при плавлении. Для многих неорганических соединений (в том числе SiO2) справедлива приближенная формула Комптона-Ричардса: ASra = АН^/Т^ = const. Отсюда, в частности, следует вывод, что высокие температуры плавления имеют вещества с большим значением АНШ [3]. По статистическим исследованиям Бережного [4], для простых оксидов ASra~ 10,46 Дж/(г-атом-К); коэффициент корреляции по Snn составляет R = 0,82, в этом случае Тпл ~ АНпл/10,46*ш, где АНпл - теплота плавления, Дж/моль, ш - число атомов в формульной единице оксида (для моля SiO2 ш=3), Тпл - температура плавления, К. Таким образом, по предложенной формуле, используя справочник, находим АНпл^Ю2) = 77 кДж/моль; mSiO2 = 3, тогда Тпл ~ 77 000/10,46*3 ~ 2454 K [5]. Найденное значение температуры плавления удовлетворительно согласуется с данными, полученными из других справочников [6]. Но если учесть высокую вязкость, существенное переохлаждение получающихся составов, последовательность фазовых переходов основных модификаций SiO2 и то, что силикатные системы не имеют точной температуры плавления, а только интервалы температур начала размягчения и вязкого течения, то найденная температура соответствует температуре плавления силикатной системы

[7].

Взаимные превращения основных модификаций SiO2 и области их устойчивости представлены на

рис. 3.

Рис. 3. Схематическая диаграмма состояния SiO2 для основных модификаций

2011/3

Последовательность фазовых переходов основных модификаций 8Ю2 при изменении температуры и нормальном давлении схематически можно представить следующим образом (рис. 4), все указанные превращения энантиотропны [7].

870° 1470° 1728°

о1 -кварц ^—* с^. — три; 1 им и т — >. ^.-кристобалит с * рягппят,

I!тз'

(Ь — три ДИМ ИТ

I Г .23°

кристобалит

>р' -тридимит Рис. 4. Фазовые переходы основных модификаций 8Ю2

При получении индивидуального порошка Си проводилось его смешивание с 8Ю2 в разных пропорциях с последующим прессованием полученных шликерных смесей. Давление прессования ограничивали пределами 100-150 МПа. Но так как 8Ю2 является хрупким и твердым веществом, избежать пористости не удается (рис. 5). В работах Коопера и Итона [8] указывается, что при давлении прессования 590 МПа (много большем чем в нашем опыте) пористость 8Ю2 составляет 20-30%. По данным ряда исследователей [9], практически не удается достигнуть высокой степени уплотнения при прессовании порошков из хрупких материалов путем раздавливания конгломератов их частиц. Массовое разрушение последних не наступает даже тогда, когда применяемые удельные давления прессования существенно превышают обычные значения предела прочности при сжатии соответствующих материалов. Это, очевидно, объясняется следующими причинами: а) значительным повышением прочности в условиях объемно-напряженного состояния (т.е. всестороннего сжатия) и б) дополнительным повышением прочности при переходе к сверхмалым размерам зерен (т.е. известной ролью масштабного фактора). Правда, по данным Бриджмена [10], типичные хрупкие материалы, включая 8Ю2, могут приобретать заметную пластичность в условиях всестороннего сжатия. Однако это явление наблюдается лишь при давлениях порядка 2-2,5 тыс. МПа (20-25 тыс. кГ/см2) и выше (гидравлическая бомба), т.е. не имеет прямого отношения к практике прессования. Все прессованные образцы имели

10 »

Рис. 5. Поровая поверхность спрессованного образца Х1500

Как указывалось выше, между приложенным давлением прессования и плотностью спрессованного материала всегда существует определенная количественная зависимость. Следовательно, при прессовании компакта с любым равновысотным сечением имеет место постоянная степень уменьшения вертикальных размеров, равная степени сближения параллельных плоских штампов. В равновысотных прессовках геометрический фактор непосредственно не вызывает различий в коэффициенте сжатия. В этом случае источником неравноплотности являются потери давления в отдельных частях прессовки, связанные с усилиями, расходуемыми на преодоление трения (точнее - внешнего трения) [11]. Спрессованные медьсодержащие образцы подвергались сплавлению с применением электроду-говой плазмы в графитовых тиглях (рис. 7).

Рис. 6. Общий вид спрессованного композитного материала

Рис. 7. Медьсодержащий композит, полученный сплавлением с помощью электродуговой плазмы

Рис. 8. Стекловидная фаза медьсодержащего композита, полученного сплавлением с помощью электродуговой плазмы

Из микрофотографий виден многофазный состав получающихся композитов. Наблюдается явное присутствие не только кристаллических (медьсодержащих) фаз, но и стекловидной фазы (рис. 8), что в дальнейшем, при варьировании условий, создаст возможность получить полностью прозрачный композит.

Таким образом, целью дальнейшей работы является создание и исследование полупрозрачных/прозрачных композитных образцов, полученных компактированием наноматериалов и обрабатываемых как стандартным спеканием, так и сплавлением в плазме, а также определение их оптических, акустических и механических свойств.

2011/3

Литература

1. Gutbier A., Hofmier G. Synthetic methods of inorganic chemistry // Z. Anorg. Allgem. Chem. - 1905. - V. 44. - P. 225-233.

2. Ершов Б. Г. Наночастицы металлов в водных растворах: электронные, оптические и каталитические свойства // Журнал рос. хим. об-ва им. Д.И. Менделеева. - 2001. - Т. б5, №3. - С. 5-9.

3. Стрелов К.К., Булер П.И. Силикаты и тугоплавкие оксиды в жидком и стеклообразном состоянии: учеб. пособие. -Свердловск: Изд-во УПИ, 19S7. - S0 с.

4. Бережной А.С. Многокомпонентные системы окислов. - Киев: Наукова думка, 1972. - 121 с.

5. Физико-химические свойства окислов. 3-е изд. / нод ред. Г.В. Самсонова. - М.: Металлургия, 197S. - 472 с.

6. Роусон Г. Неорганические стеклообразующие системы. - М.: Мир, 1970. - 312 с.

7. Бобкова Н.М. Физическая химия силикатов. - Минск: Вышэйшая школа, 1977. - 2б8 с.

S. Cooper A.R., Eaton L.E. Compaction behavior of several ceramic powders // J. American Ceram. Soc. Bull. - 19б2. - V.45,

№3. - Р. 97-101.

9. Бриджмен П. Физика высоких давлений. - М.: ИЛ, 1935. - 143 с.

10. Бриджмен П. Исследования больших пластических деформаций и разрыва. - М.: ИЛ, 1955. - 1S7 с.

11. Попильский Р.Я., Кондрашов Ф.В. Прессование керамических порошков. - М.: Металлургия, 196s. - 272 с.

Буянтуев Сергей Лубсанович, доктор технических наук, профессор, зав. лабораторией физики плазмы и плазменных процессов, Бурятский государственный университет. б70000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail: buyantuevsl@mail.ru

Дамдинов Баир Батуевич, кандидат физико-математических наук, доцент, кафедра общей физики, Бурятский государственный университет. б70000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail: bdamdinov@bsu.ru

Кондратенко Анатолий Сергеевич, аспирант, Бурятский государственный университет. б70000, Улан-Удэ, ул. Смолина, 24а, e-mail: cubanit@yandex.ru

Buyantuev Sergey Lubsanovich, doctor of engineering, professor, head of laboratory of physics and plasma processes, Buryat State University.

Damdinov Bair Batuevich, candidate of physics and mathematics, department of general physics, Buryat State University.

Kondratenko Anatoliy Sergeevich, postgraduate student, Buryat State University.

УДК: 621.371

О ВОЗМОЖНОСТИ НАБЛЮДЕНИЯ ЛОКАЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

В РАСТИТЕЛЬНЫХ СРЕДАХ

А.Ю. Ветлужский, Т.Д. Ширапова

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ №08-02-98003.

В работе рассмотрены теоретические основания возможности локализации электромагнитных волн при их распространении в лесных покровах. На примере модели лесной среды показано, что подобные эффекты могут проявляться в длинноволновой части УКВ диапазона в узких частотным интервалах.

Ключевые слова: случайная дискретная среда, локализация электромагнитных волн, локализационная длина, длина свободного пробега волны, многократное рассеяние.

OBSERVATIONS OF THE POSSIBILITY OF ELECTROMAGNETIC WAVES LOCALIZATION

IN PLANT MEDIA A.Yu. Vetluzhskiy, T.D. Shirapova

The article deals with the theoreticalfoundations ofthe possibility ofelectromagnetic wave propagation in forest cover. On the model of forest environment it is shown that similar effects may occur in the long side of VHF in narrow frequency ranges.

Keywords: random discrete medium, localization of electromagnetic waves, localization length, length of wave free path, multiple scattering.

В настоящее время актуальность изучения распространения электромагнитных волн в растительных покровах земной поверхности связана в первую очередь с необходимостью адекватной интерпретации данных дистанционного зондирования. При решении таких задач основной интерес представляет как определение электродинамических характеристик растительности в широком диапазоне частот, так и изучение различных эффектов, возникающих при взаимодействии радиоизлучения с элементами растительности. К числу таких эффектов, возможно проявляющихся при распространении волн УКВ диапазона в лесах определенного типа, может быть отнесена локализация электромагнитного излучения. Изначально концепция данного эффекта была предложена в середине прошлого века Андерсоном [1] применительно к описанию диффузии электронов в кристаллических решетках в