Рентгенографические исследования нанопорошков, полученных плазмохимическим синтезом оксида молибдена в метане

Сущность процесса плазмохимического синтеза. Кристаллическая структура Mo2C. Сравнение спектральных характеристик отожженного и неотожженного образцов исследуемых нанокристаллических объектов. Результаты качественного фазового анализа рентгенограмм.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Содержание

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Плазмохимический синтез

1.2 Карбиды молибдена

1.3 Кристаллическая структура Mo2C

Глава 2. Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных

2.1 Первичная обработка рентгенограмм

2.2 Фазовый качественный анализ

Глава 3. Результаты эксперимента. Обсуждение результатов и анализ

3.1 Результаты предварительной обработки рентгенограммы

3.2 Сравнение спектральных характеристик отожженного и неотожженного образцов

3.3 Результаты качественного фазового анализа рентгенограмм

Основные результаты и выводы

Литература

Введение

Наноматериалы и нанотехнологии рассматриваются в мире, как одно из направлений, определяющих научно-технический прогресс в 21 веке. Ранее отечественные ученые показали, что дисперсность является одним из важных параметров, определяющих свойства вещества. Развитие поверхности создает дополнительную энергетическую составляющую, которая может быть полезно использована в процессах с участием кристаллических твердых тел, например для облегчения их создания на их основе керамик [1].

Кристаллы - это вещества, в которых составляющие их частицы (атомы, ионы, молекулы, группы атомов), расположены правильными, симметричными, периодически повторяющимися рядами. Кристаллы растут из паров, растворов, и вырастают они в виде правильных симметричных многогранников. Скорости роста кристаллов в разных направлениях различны. Кристаллы однородны, анизотропны и симметричны. Расстояние между атомами, силы связи между ними в различных направлениях различны, поэтому и возникает анизотропия, т. е. различие свойств кристалла в разных направлениях. Многие физические свойства кристаллов анизотропны, но их анизотропия не так наглядна, как у скорости роста. Анизотропия теплового расширения может быть у некоторых кристаллов и такой, что в одном направлении кристалл расширяется, а в другом в то же время сжимается. Чётко выявить анизотропию и симметрию свойств удается только на монокристаллах.

Нанокристалл - это кристалл, линейные размеры зёрен которого меньше ~ 10-15 нм. Нанокристаллы делятся на две группы: идеальные и реальные нанокристаллы. Идеальный нанокристалл -- это трёхмерная частица совершенной структуры, лишенная всех дефектов строения, скорее идеальный кристалл можно рассматривать как математический объект, имеющий полную, свойственную ему симметрию, идеально гладкие грани и т. д. Идеальный нанокристалл является теоретической моделью, широко используемой в теории твёрдого тела. Реальный нанокристалл всегда содержит различные дефекты, неровности на гранях и пониженную симметрию вследствие воздействия окружающей среды. Реальный нанокристалл вообще может не обладать кристаллографическими гранями, но у него сохраняется главное свойство -- закономерное положение атомов в решётке. Основной отличительный признак свойств кристаллов, а также и нанокристаллов -- это их анизотропия, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных (жидкостях, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллах) телах свойства от направлений не зависят. Перспективы применения нанокристаллов являются целой научной отраслью. Нанокристаллы имеют большой технологический потенциал, так как многие их электрические и термодинамические свойства зависят от их размеров, и, следовательно, могут контролироваться во время технологического процесса [2].

Область применения нанокристаллов зависит от их свойств, последние же определяются реальной структурой нанокристаллических материалов. Например, все полупроводниковые свойства некоторых нанокристаллов (на основе которых создаётся точная электроника и, в частности, компьютеры) возникают именно за счет наличия примесей и дефектов в структуре решётки нанокристалла.

Изучением структурного состояния нанокристаллов занимается структурная кристаллография, основанная на дифракционных методах исследования.

Целью данной работы было проведение и интерпретация рентгенографических исследований нанокристаллических объектов, получаемых плазмохимической конверсией оксида молибдена в метане.

Глава 1. Литературный обзор

1.1 Плазмохимический синтез

Взаимодействие плазмы с обрабатываемым веществом обеспечивает плавление, диспергирование, испарение, а затем восстановление и синтез продукта с размером частиц до нанометров, включая параметры так называемого критического зародыша. Наиболее универсальной способ получения нанопорошков металлов, сплавов и соединений - восстановление и синтез в химической плазме [3].

Плазмохимический синтез - это химический метод получения высокодисперсных порошков нитридов, карбидов, боридов и оксидов, заключающийся в протекании реакции в низкотемпературной плазме вдали от равновесия при высокой скорости образования зародышей новой фазы и малой скорости их роста. Характеристики получаемых порошков зависят от используемого сырья, технологии синтеза и типа реактора. Получение ультрадисперсных частиц методом плазмохимического синтеза в реальных условиях становится возможным благодаря увеличению скорости охлаждения потока плазмы, в котором происходит процесс конденсации из газовой фазы. Этот процесс позволяет достигать желаемой дисперсности при синтезе частиц. В плазмохимическом синтезе используют низкотемпературную (4000-10000К) азотную, аммиачную, водородную, углеродную или аргоновую плазму. Плазма в своём составе имеет нейтральные частицы, радикалы, ионы и электроны, которые находятся в возбужденном состоянии. Благодаря этому факту становится возможным достигать высоких скоростей взаимодействия. Наличие высокой температуры в процессе синтеза позволяет изменять агрегатное состояние практически всех исходных продуктов до газообразной фазы c последующей обработкой.

Основными условиями получения высокодисперсных порошков этим методом являются:

1) протекание реакции вдали от равновесия;

2) высокая скорость образования зародышей новой фазы при малой скорости их роста;

3) использование азотной, аммиачной, углеводородной, аргоновой плазмы дугового, тлеющего, высоко- или сверхвысокочастотного разрядов;

4) в качестве исходного сырья применяют элементы, их галогениды и другие соединения.

Этапы плазмохимического синтеза:

1) образование активных частиц в дуговых, высокочастотных и сверхвысокочастотных плазменных реакторах.

2) выделение продуктов взаимодействия.

Достоинства:

1) обеспечение высокой скорости образования и конденсации соединения;

2) высокая производительность.

Недостатки:

1) широкое распределение частиц по размерам;

2) наличие довольно крупных (до 1 - 5 мкм) частиц (низкая селективность процесса);

3) высокое содержание примесей в порошке.

Частицы таких порошков чаще всего представляют собой монокристаллы размерами от 10 до 100-200 нм и более. Наночастицы, синтезируемые плазмохимическим методом, имеют большую избыточную энергию, поэтому их химический и фазовый состав может не соответствовать фазовой диаграмме. Получить наночастицы требуемой стехиометрии помогает кратковременный дополнительный отжиг продукта в контролируемой среде. С использованием плазмахимического синтеза получены высокодисперсные порошки нитридов титана, тантала, бора, алюминия, ванадия [4]. Процесс плазмохимического синтеза в электродуговом разряде осуществляется в результате испарения металла и последующего окисления частиц в кислородсодержащей плазме. Для образования ультрадисперсных порошков оксида алюминия с размером частиц 10-30 нм достаточно создать процесс взаимодействия паров металлов с кислородом воздуха при резком снижении температуры. Стремительное охлаждение позволяет не только затормозить рост частиц, но и повысить скорость образования частиц конденсированной фазы [5].

Получение карбидов плазмохимическим синтезом: в связи с развитием технологий высоких энергий появилась возможность использования потока ускоренной металлической плазмы, формируемой вакуумно-дуговыми источниками, для нанесения на обрабатываемые детали покрытия высокого качества [6]. Для получения покрытий используется вакуумно-дуговой разряд, который представляет собой самостоятельный разряд, развивающийся в парах материала катода. Эмиссионным центром разряда является катодное пятно, характеризующееся малыми размерами, высокой скоростью перемещения по рабочей поверхности и температурой, значительно превышающей температуру кипения материала катода. За счёт высокой температуры в катодном пятне происходит активное разрушение материала катода. Особенностью вакуумно-дугового источника плазмы является возможность получения плёнок чистых материалов и осуществления плазмохимического синтеза [6]. Для этого в поток металлической плазмы вводится реакционно-способный газ. Для получения карбидных соединений используется широкий спектр углеродосодержащих газов, начиная от метана и кончая циклогексаном. В рабочем объёме происходит разложение углеродосодержащего газа с образованием атомного углерода, вступающего во взаимодействие с ионами распыляемого металла. С увеличением относительной молекулярной массы углеродоводородных молекул выход углерода увеличивается. Оптимальные условия пла...