научная статья по теме АЛЬТЕРНАТИВНАЯ МЕТОДИКА ВСКРЫТИЯ ПОЛОСТЕЙ В ИКОСАЭДРИЧЕСКИХМАЛЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ Физика

Текст научной статьи на тему «АЛЬТЕРНАТИВНАЯ МЕТОДИКА ВСКРЫТИЯ ПОЛОСТЕЙ В ИКОСАЭДРИЧЕСКИХМАЛЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЧАСТИЦАХ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ»

Письма в ЖЭТФ, том 86, вып. 9, с. 699-701

© 2007 г. 10 ноября

Альтернативная методика вскрытия полостей в икосаэдрических малых металлических частицах электролитического происхождения

И. С. Пашков1 , A.A. Викарчук

Тольяттинский государственный университет, 445667 Тольятти, Россия

Поступила в редакцию 6 сентября 2007 г.

Приводятся результаты эксперимента по вскрытию полостей в икосаэдрических малых частицах меди электролитического происхождения с помощью экспериментальной методики, альтернативной химическому травлению их поверхности, и предлагается ее теоретическое обоснование.

PACS: 36.40.^с, 61.46.+W, 81.10.Dn, 81.15.Np

1. Проведенные ранее исследования позволили нам утверждать, что в центре икосаэдрических малых медных частиц электролитического происхождения, имеющих шесть осей симметрии пятого порядка, находится дисклинация, наличие которой может приводить к образованию полости в них. На основе исследований была разработана эффективная методика вскрытия внутренних полостей в икосаэдрических малых частицах методом химического травления их поверхности [1], что, в дальнейшем, легло в основу технологии создания фильтра, представляющего собой металлический сетчатый микрокаркас с адсорбционным слоем, состоящим из малых металлических частиц с полостью внутри [2].

Однако химическое травление поверхности малых частиц, приводящее к вскрытию полости в них, не всегда удобно с практической точки зрения, поскольку после процедуры вскрытия полностью удалить компоненты травителя не удается, а это приводит к изменению адсорбционных свойств сетчатого фильтра [2].

Целью настоящей работы является обоснование альтернативной и доступной технологии вскрытия полостей в малых частицах и микрокристаллах электролитического происхождения, имеющих шесть осей симметрии пятого порядка.

2. В работе [1] было показано, что давление на внутреннюю поверхность полой икосаэдрической малой частицы (ИМЧ), обусловленное полями упругих напряжений, связанными с дефектом дисклинацион-ного типа, определяется формулой

9£3 1п2 С

-Pisp =

3Go(l + С2) 2Gk2(1 + v) 10i?i(l — С3) + 9(1-«)

(1)

где £ = Л0/Л1 - безразмерный параметр, в котором До радиус полости в ИМЧ, Д1 - внешний радиус ИМЧ, С - модуль сдвига, 7 - поверхностная энергия ИМЧ, к - мощность дисклинации Маркса-Иоффе, и -коэффициент Пуассона. При этом предельное значение механического напряжения, которое еще не приводит к разрушению ИМЧ, определяется формулой

Рмах = 2а (1 — £),

(2)

где а - предел прочности материала ИМЧ на разрыв.

Возможность вскрытия полости в ИМЧ определяется знаком функции АР = Р^р — -Рмах- Если АР < 0, то давление, обусловленное полями упругих напряжений, связанными с дефектом дисклинацион-ного типа, не будет превышать предела прочности оболочки ИМЧ на разрыв, поэтому оболочка не разорвется. Если же АР > 0, то оболочка ИМЧ "вскроется".

В качестве технологии вскрытия полости в ИМЧ, альтернативной химическому травлению, нами был предложен нагрев подложки или металлического сетчатого микрокаркаса, содержащего икосаэдрические малые частицы. В процессе нагрева изменяются механические характеристики материала ИМЧ, а именно, модуль сдвига С и предел прочности а. Температурные зависимости С(Т) и а(Т) для меди в диапазоне Т = 300.. .1000 К на основе табличных данных, приведенных в [3], были интерполированы полиномами. Далее исследовалось поведение функции

За(1 + £2)

АР =

х

МВД _ 9£3 In2 С

" (1-С3)2

■G(T)

2GK2(1

9(1 -v) ■ G(T) - 2(1 - О ■ а(Т)

(3)

^ e-mail: yasneinfopac.ru

в зависимости от температуры для случая электролитической меди (а = 0.36 нм = 3.6 • Ю-10 м; и = 0.34;

700

И. С. Ясников, А. А. Викарчук

к = 0.12; Ri = 0,1.. .10 мкм). Для примера на рис.1 приведены графики зависимостей АР(£) для

_2_I_I_I_I_I_I_I_I_I_

О 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 ISP cavity parameter = R0/Rx

Рис.1. Графики зависимостей ДР(£) для трех значений температуры

трех различных значений температуры. На основе проведенного анализа был построен график "нулей" функции ДР(£) для различных значений температуры в диапазоне Т = 300. ..1000 К, который приведен на рис.2. Поскольку "нули" функции АР{£) опреде-

1.0

0 _I_I_Ьь,_I_I_I_I_I_I_I_I_

400 500 600 700 800 900 1000 Г (К)

Рис.2. Диаграмма "нулей" функции ДР(£) в диапазоне температур 400 ... 1000 К (зона # 1 задает область "устойчивости" ИМЧ, зона #2 - область "вскрытия" ИМЧ по отношению к нагреву до заданной температуры)

ляют предельное значение давления на внутреннюю оболочку, при которой она начинает "вскрываться", то кривая "нулей" функции ДР(£) разделяет плоскость (Т, £) на две области: область "устойчивости" и область "вскрытия" ИМЧ по отношению к нагреву до заданной температуры.

3. Данные предпосылки легли в основу экспериментальных исследований. По методике, изложенной ранее в работе [1], на сетчатом микрокаркасе из нержавеющей стали был получен электролитический осадок меди, содержащий преимущественно икоса-эдрические малые частицы (рис.За). Далее микрокаркас разрезался на фрагменты и каждый из них нагревался до различных температур в диапазоне 500. ..900 К. После этого на каждом из имеющихся фрагментов исследовалась морфология осадка электролитической меди с помощью сканирующего электронного микроскопа. При этом были отмечены следующие экспериментальные факты:

• При нагреве до диапазона температур ~ 500. ..700 К наблюдалась потеря огранки икосаэдрических малых частиц с образованием шероховатой морфологии (рис.ЗЬ), а также рост нитевидных нанокристаллов (вискеров) на поверхности малых частиц (рис.Зс). Длина нитевидных нанокристаллов достигала значений 3. ..5 мкм, в то время как их диаметр составил 40.. .60 нм. Вскрытия полостей в икосаэдрических малых частицах не наблюдалось, однако факт наличия полостей был проверен путем поперечного среза ИМЧ в рабочей камере электронного микроскопа с помощью ионного пучка. Малые частицы до и после поперечного среза представлены на рис.3d и е, соответственно.

• При нагреве до диапазона температур ~ 700. ..900 К примерно половина частиц сохранили целостность оболочки, в то время как другая половина "вскрылась", причем разрушение оболочки произошло по хрупкому механизму (pHC.3f, g).

• При нагреве до температуры ~ 900 К наблюдалось преимущественное вскрытие почти всех малых частиц 90%), причем кромки оболочки в месте "вскрытия" оказались частично оплавлены (рис.ЗЬ, i).

Эти данные приблизительно соответствуют температурным диапазонам, представленным в теоретических предпосылках (см. рис.2).

4. Таким образом, в результате проведенных исследований удалось обосновать и экспериментально доказать возможность вскрытия полостей в икосаэдрических малых частицах меди электролитического происхождения с помощью повышения температуры. Установленный факт позволит доступным способом

Альтернативная методика вскрытия полостей в икосаэдрических

701

Рис.3. Морфология икосаэдрических малых частиц меди до (а) и после (Ь)-(1) нагрева до заданной температуры.

увеличивать эффективную площадь поверхности адсорбционного слоя, состоящего из указанных частиц, нанесенных на различные основы.

Работа выполнена при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (госконтракты # 02.513.11.3038 и # 02.513.11.3084).

1. И. С. Ясников, А. А. Викарчук, Письма в ЖЭТФ 83, 46 (2006).

2. И. С. Ясников, A.A. Викарчук, Д. А. Денисова и др., ЖТФ 77, 87 (2007).

3. Л. В. Тихонов, В. А. Кононенко, Г. И. Прокопенко и др., Механические свойства металлов и сплавов, Киев: На-укова думка, 1986.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком