Формування структури сплавів системи Sn-Cu з вуглецевими нанотрубками

Особливості твердого і рідкого стану речовини. Радіальна функція міжатомних відстаней і розподілу атомної густини. Будова розплавів металічних систем з евтектикою. Рентгенодифрактометричні дослідження розплавів. Реєстрація розсіяного випромінювання.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Львівський національний університет імені Івана Франка

Фізичний факультет

Кафедра фізики металів

Допустити до захисту

зав. кафедри фізики металів

проф. Якібчук П. М.

Призначити рецензентом

доц. Лучечко А. П.

Декан фізичного факультету

проф. Якібчук П. М.

Дипломна робота

Формування структури сплавів системи Sn-Cu з вуглецевими нанотрубками

Виконала студентка групи ФзФс-54

________________Савчин О.М.

Науковий керівник

_____________доц. Штаблавий І.І.

“____” ________________ 2012 р.

Львів-2012

Анотація

В роботі досліджено структуру металевого композиту на основі евтектики Sn0.987Cu0.013 зміцненого вуглецевими нанотрубками. Для отримання однорідного розподілу нанотрубок в металевій матриці їх було покрито міддю прямим електролітичним методом. В результаті досліджень встановлено, що мідь, якою покрили нанотрубки, сприяє формуванню кластерів олова на поверхні нанотрубок. Це веде до покращення зв'язку між металевою матрицею та вуглецевими нанотрубками.

Abstract

Structure of Sn0.987Cu0.013 metal matrix composite reinforced with carbon nanotubes has been investigated in this work. In order to obtain the homogeneous dispersion of CNTs in metal matrix they were coated with copper by means of direct electroplating. As a result of investigations it was found that copper promotes the cluster formation on the CNT surface that improves the interaction between metallic matrix and carbon nanotubes.

Зміст

Вступ

I. Кількісний опис структури сплавів

1.1 Особливості твердого і рідкого стану речовини

1.2 Радіальна функція міжатомних відстаней і функція розподілу атомної густини

1.3 Будова розплавів металічних систем з евтектикою

II. Рентгенографічний метод побудови функцій атомного розподілу

2.1 Методика рентгенодифрактометричних досліджень розплавів

2.2 Монохроматизація рентгенівського випромінювання

2.3 Реєстрація розсіяного випромінювання

2.4 Обробка експериментальних даних

2.4.1 Внесення поправок на поляризацію і поглинання

2.4.2 Нормування кривих інтенсивності

ІІІ. Структура композиту на основі евтектики Sn0.987Cu0.013 зміцненої вуглецевими нанотрубками

Висновки

Список літератури

Додаток

Вступ

За останні два десятиліття, композити армовані вуглецевими нанотрубками (ВНТ) викликали значний науковий та технологічний інтерес, в першу чергу з тієї причини, що ВНТ мають надзвичайну структуру. Завдяки своїм механічним, електричними та тепловим властивостям вуглецеві нанотрубки є перспективними зміцнюючими матеріалами в композитах. Як було доведено експериментально та підтверджено методами комп'ютерного моделювання, вуглецеві нанотрубки мають надзвичайно високі значення модуля Юнга (>1ТПа), та міцності (близько 100 ГПа).

Крім того, ВНТ також володіють унікальним набором параметрів, в тому числі малою масою, і доброю термічною стабільністю. В результаті поєднання цих властивостей робить ВНТ ідеальним армуючим матеріалом для досягнення оптимізований властивостей і покращення властивостей композитів. На даний час синтезовано різні композити армовані ВНТ. Літературні дані показують, значне зміцнення композитів у цьому випадку.

Перспективним напрямком формування металевих композитів зміцнених карбоновими нанотрубками є покращення взаємодії нанотрубок з металевою матрицею шляхом покриття їхньої поверхні певними металами. Для створення композитів такого типу принципове фундаментальне і прикладне значення мають дослідження міжфазних реакцій між оловом (або іншим металом який застосовують як матрицю) та нанотрубками покритими іншим металом (Cu, Ni та ін.), які на сьогодні відсутні.

Зважаючи на це метою цієї роботи є отримання дисперсних металевих композитів на основі олова зміцнених вуглецевими нанотрубками покритими міддю та дослідження структури композитів в процесі термічної обробки в тому числі обробки в рідкому стані.

І. Кількісний опис будови сплавів

1.1 Особливості кристалічного та рідкого стану речовини

Рідкий стан речовини є проміжним між кристалічним і газоподібним. Область існування рідини обмежена з боку низких температур переходом в твердий стан, а з сторони високих - переходом в газоподібний стан. Для кожної речовини існує температура, яка називається критичною Ткр,вище якої рідина не може перебувати у рівновазі з своєю парою.

Рідини зберігають окремі властивості як твердих тіл так і газів.

Тверді тіла за характером розміщення атомів чи молекул поділяються на кристалічні та аморфні. Кристали володіють ближнім і дальнім порядком. Частинки кристала розташовані так, що відстань різновіддаленими частками безпосередньо виражається через найкоротшу відстань між двома сусідніми частинками. За типами зв'язку кристали поділяються на атомні, іонні, молекулярні і металеві. Кристалічні тіла зазвичай анізотропні, їх механічні, теплові, електричні і оптичні властивості в різних напрямках неоднакові. Одна і та ж кристалічна речовина може знаходитися в декількох модифікаціях, що володіють неоднаковою структурою. Так, вуглець існує у вигляді графіту і алмазу; двоокис кремнію SiO2-у вигляді кварцу, тридиміту і кристаболіту; сірка - у вигляді ромбічної і моноклінної модифікації. Атоми, іони або молекули, що утворюють кристал, здійснюють узгоджені (колективні) коливні рухи, енергія їх зчеплення більша за внутрішню енергію кристала.

Рідина, як і тверде тіло, - система динамічна [1]. Атоми, іони або молекули, зберігаючи ближній порядок у взаємному розташуванні, беруть участь в тепловому русі, характер якого набагато складніший, ніж в кристалах. Молекули рідин здійснюють коливання такого ж типу, як і в кристалах, але положення рівноваги, відносно яких відбуваються ці коливання, не залишаються нерухомими. Зробивши певне число коливань біля одного положення рівноваги, молекула стрибком переходить в нове положення рівноваги і продовжує там коливатися аж до наступного стрибка. За допомогою таких стрибкоподібних переміщень молекул в рідинах здійснюється дифузія, яку, на відміну від безперервної, називають дифузією стрибком.

Згідно Я. І. Френкелю [2], тривалість перебування молекули в тимчасовому положенні рівноваги - визначається за формулою

(1.1)

Де -період коливань молекул біля положення рівноваги; - висота потенційного бар'єра, який відокремлює один від одного два сусідніх положення рівноваги; k - постійна Больцмана; Т - абсолютнаа температура. Чисельне значення ф залежить від будови й густини рідини. Для води при кімнатній температурі ф0 = 1,4·10-12 с, а ф ? 10-10 с. Отже, кожна молекула води здійснює близько 100 коливань відносно одного й того ж положення рівноваги, перш ніж змінити місце. За обраним виразом Френкеля, молекули в рідині ведуть в основному осілий спосіб життя, що являє собою характерну рису рідкого стану, зближує його з твердим тілом, з тією різницею, що в твердих тілах час осілого життя набагато більший, ніж у рідких [3].

З ростом температури час осілого життя молекул в тимчасовому положенні рівноваги зменшується. Відповідно посилюється трансляційний рух молекул.

Численні дослідження показують, що разом з коливанням молекул в оточенні своїх сусідів і активаційними стрибками в рідинах відбуваються плавні переміщення молекул разом з їх найближчим оточенням [4]. Іншими словами, молекули, що знаходяться в коливальному стані рідини, в кожен момент часу зміщуються на деяку відстань (меншу за міжатомну), обумовлюючи безперервну дифузію. Можна вважати, що в зріджених інертних газах і металах переважає безперервна дифузія, тоді як для асоційованих рідин (наприклад, для води) більше ймовірний стрибковий механізм дифузії.

У рідкому стані речовини виявляються ті ж міжмолекулярні сили притягання, які обумовлюють той чи інший тип зв'язку в кристалі. Ван - дер - вальсівські сили обумовлюють взаємне притягання молекул діелектричних рідин (бензол, парафіни та ін.) Між молекулами води, спиртів, кислот жирного ряду діють специфічні сили притягання, виникнення яких пов'язане з наявністю в складі цих молекул групи ОН (водневий зв'язок). У розплавах солей діють електростатичні сили, в металах - сили металевого зв'язку. У рідкому германії, кремнії та інших напівпровідникових речовинах поряд з металевим зв'язком частково зберігається ковалентний зв'язок. [ 5, 6 ]. Рідини, що належать до даного типу міжмолекулярних зв'язків, характеризуються специфічним ближнім порядком в розташуванні частинок, що відбивається на поведінці фізичних властивостей речовини в рідкому стані. У природних умовах рідини ізотропні, мають тільки одну модифікацію. Винятком являється гелій, який може знаходитися в двох фазах, так званих рідких кристалах, у яких існує як ізотропна, так і анізотропна фази.

З викладеного випливає, що рідини за характером взаємного розташування частинок, їх динаміці і взаємодії ближчі до криста...