X Всероссийская конференция молодых ученых "Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии"

23 - 25 апреля 2014, г. Новосибирск

Зайковский А.В.   Новопашин С.А.   Мальцев В.А.  

Синтез наночастиц карбидов и оксидов вольфрама в результате физико-химических процессов в плазме дугового разряда.

Докладчик: Зайковский А.В.

СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ КАРБИДОВ И ОКСИДОВ ВОЛЬФРАМА В РЕЗУЛЬТАТЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ПЛАЗМЕ ДУГОВОГО РАЗРЯДА.
А.В. Зайковский, С.А. Новопашин, В.А. Мальцев
Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН
630090, Новосибирск

Карбид вольфрама (WC) является тугоплавким устойчивым техническим материалом. Он обладает высокой износостойкостью и является самым твердым бинарным карбидом, сохраняющим свои свойства при повышенных температурах (до 1000˚С). Поэтому он входит в состав металлокерамических сплавов, которые широко используются для создания износостойких частей механизмов, инструментальных материалов, резцов. Также WC обладает высокой электрокаталитической активностью в реакциях окисления водорода и органических соединений при умеренных температурах. Установлено, что включение в металлокерамические сплавы наноразмерных фракций карбида вольфрама значительно улучшает характеристики сплава. Также, в связи с сильноразвитой поверхностью, наночастицы обладают превосходной каталитической активностью.
В свою очередь наноразмерные частицы оксида вольфрама об-ладают уникальными электро-, фото-, хемихромными свойствами, на основе которых создают различные инновационные устройства (электрохромные дисплеи, оптические модуляторы, smart-стекла, различные газовые сенсоры, и т.д.)
В связи с этим является актуальной разработка методов синте-за наночастиц оксидов и карбидов вольфрама. При помощи плаз-менно-дугового метода удается не только синтезировать наночастицы оксидов и карбидов вольфрама размеров ~ 5 нм, запакованных в предотвращающую коагуляцию углеродную матрицу, но и управлять синтезом, смещая его в сторону получения карбидов вольфрама, или оксидов вольфрама.
Плазменно-дуговой метод синтеза основан на использовании установки, описанной в [1]. Ток разряда варьировался в пределах 60 – 140 А, буферный газ – гелий при разных давлениях от 3 до 100 Торр. Катод изготовлен из графита, а анод является композитным и состоит из графита и WO3. При разряде достигаются температуры выше 3700 °К, что приводит к существенному испарению графита и оксида вольфрама. В результате разных химических реакций между парами углерода и оксида вольфрама, а также между продуктами химических реакций, взаимодействий с молекулами гелия, процессов конденсации и кристаллизации, фазовых переходов синтезируются наночастицы оксидов и карбидов вольфрама. Продукты синтеза осаждаются на водоохлаждаемом экране.
При помощи просвечивающей электронной микроскопии бы-ло установлено, что в результате таких процессов синтезируется материал, состоящий из наночастиц со средним размером ~ 5 нм, запакованных в углеродную матрицу, предотвращающую коагуляцию и, как следствие, рост размера частиц. Средний размер наночастиц слабо зависит от тока дуги и давления буферного газа. Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия показала, что материал состоит из W, C и O. Рентгенодифракционный анализ материала установил, что в состав материала входят карбиды вольфрама, стехиометрические и нестехиометрические оксиды вольфрама, вольфрам разных фазовых состояний.
Была разработана методика определения массового фазового содержания фазовых компонент синтезированных материалов на основе результатов просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешении, и был проведен количественный фазовый анализ материалов. В результате было установлено, что массовый фазовый состав продуктов синтеза практически не зависит от силы тока дуги, а наблюдается существенная зависимость от давления гелия, что иллюстрируется на рисунке. Так, при повышении давления гелия увеличивается массовое содержание наночастиц оксидов вольфрама. А при малом давлении наблюдается преобладающий выход наночастиц карбидов вольфрама. Это может быть связано с возникновением сверхзвукового разреженного течения продуктов испарения анода из межэлектродного промежутка.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мальцев В.А., Новопашин С.А., Нерушев О.А., Сахапов С.З., Смовж Д.В. Синтез металлических наночастиц на углеродной матрице // Российские нанотехнологии, 2007, Т. 2, № 5-6. С. 85-89.