Нитевидные кристаллы современная техника
Новые неорганические волокна — тугоплавкие монокристаллы на основе оксидов, нитридов и карбидов металлов, называются нитевидными кристаллами. Второе название кристаллов — усы, или вискеры от английского слова «whisker» — волос. На их основе получают композиционные материалы. По размерам вискеры сопоставимы с наночастицами: диаметр некоторых из них не превышает 100 нм.
Нитевидные кристаллы можно разделить на две основные группы: кристаллы естественного и искусственного происхождения. Усы первой группы формируются на земле уже много тысячелетий, упоминания о вторых в научной литературе начинаются с 16 века. Известны самородные волокнистые кристаллы Au, Ag, Cu, Sn, Pb, S, различных окислов и силикатов. Часто природные нитевидные кристаллы встречаются в виде включений внутри др. минералов (например, иглы рутила в природных кристаллах рубина, кварца).
Особый интерес к вискерам возник в 50-х гг. ХХ века. Вискеры некоторых тугоплавких соединений (карбида кремния, окиси алюминия, нитрида кремния и др.) выпускаются в промышленных масштабах. Наиболее важное свойство нитевидных кристаллов — уникально высокая прочность, в несколько раз превосходящая прочность массивных моно- и поликристаллов. Высокая прочность усов объясняется совершенством их структуры и значительно меньшим, чем у массивных кристаллов, количеством объёмных и поверхностных дефектов. Одна из важнейших причин малой дефектности нитевидных кристаллов — их размеры, при которых вероятность присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика. В них, в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации, обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах.
Важным направлением научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с использованием вискеров, стала разработка нового поколения тканевых электродных материалов для вторичных источников тока. Их создание требует достижения определенной обменной емкости, высокой подвижности ионов, электронной проводимости, а также живучести, то есть долговечного использования в циклах разрядка-зарядка. Выращенные минеральные нити имеют почти идеально подходящую структуру, а параметры их кристаллической решетки изменяются таким образом, что ее сжатие и растяжение происходит поперек, а не вдоль нитей, что позволяет избежать их растрескивания. Также помимо удивительных ионно-обменных свойств, вискерам присуща уникальная гибкость.
Волокна вискеров после обработки кислотой и переведения в так называемую H-форму становятся активным сорбентом тяжелых металлов, поскольку структурно способны легко обменять протоны на катионы с большим радиусом, без затруднений располагающихся в каналах кристаллической структуры, поэтому могут использоваться при утилизации, техногенных и радиоактивных отходов.
Нами проведен поиск патентной информации по ряду стран, в котором рассмотрены условия выращивания нитевидных кристаллов окиси магния и гексатитаната калия (ГТК). Выявлены преимущества и недостатки различных способов синтеза нитевидных кристаллов. Анализ литературы и патентных источников показывает возможность получения нитевидных кристаллов окиси магния и гексатитаната калия, пригодных для производства электроизоляционных материалов.
Геометрические размеры нитевидных кристаллов зависят от способа их синтеза. Наиболее длинные НК окиси магния получены в парогазовой фазе (>1000 мкм), НК ГТК — гидротермальным синтезом в закритических условиях (>1500 мкм) и из раствора в эвтектическом расплаве солей (>500 мкм).
Для стабилизации роста НК окиси магния и ГТК, повышения их качества и увеличение их выхода вводят в реакционную шихту в качестве стабилизирующих добавок неорганические соли. Методом ИК-спектроскопии и рентгенографии нами исследованы нитевидные кристаллы Al2O3, SiC, Si3N4, AlN изделия из них. Термические исследования показали стабильность свойств и их термостойкость. Нитевидные кристаллы нитрида кремния обладают высокой стойкостью по отношению к расплаву металлов, что дает основание использовать их в огнеупорных изделиях. Особенно они устойчивы к расплавам алюминия, свинца, олова, цинка. Предлагается использовать их в качестве модифицирующих добавок в микалексе. Также нами изучены физико-химические свойства вискеров MgO и ГТК.
Перспективными являются работы по созданию новых теплоизоляционных композиций, в состав которых входят нитевидные кристаллы различных химических соединений и которые используются в авиационной и космической технике. Производство ионных проводников, катодных материалов, твердофазных электролитов, катализаторов, а, возможно, и матриц для захоронения радиоактивных отходов, — вот лишь некоторые из возможных сфер применения нитевидных кристаллов нового типа. И возможности этих уникальных объектов, которые вот уже полвека интенсивно изучаются в ведущих лабораториях мира, до конца не исчерпаны.
Источник
НИТЕВИ́ДНЫЕ КРИСТА́ЛЛЫ
В книжной версии
Том 23. Москва, 2013, стр. 69
Скопировать библиографическую ссылку:
НИТЕВИ́ДНЫЕ КРИСТА́ЛЛЫ, монокристаллы в виде игл и волокон диаметром от нескольких нм до сотен мкм и большим отношением длины к диаметру (обычно 100–1000); другое назв. «усы», или «вискерсы» (от англ. whiskers). Типичные размеры Н. к.: длина от 0,5 мм до нескольких мм, диаметр 0,5–50 мкм. Форма поперечного сечения (треугольная, шестиугольная, квадратная, прямоугольная) зависит от типа кристаллич. ячейки и ориентации оси роста Н. к. Сильно анизотропная форма Н. к. является следствием либо специфич. механизмов и кинетики их образования (роста), либо сильной анизотропии внутр. структуры материала. Н. к. обладают рядом уникальных физич. и механич. свойств, в частности исключительно высокой, приближающейся к теоретической, механич. прочностью, превышающей прочность массивных монокристаллов в 100–1000 раз. В них проявляется размерный эффект : прочность Н. к. резко возрастает при уменьшении их диаметра. Это связано с тем, что при малых диаметрах Н. к. практически не содержат дислокаций и имеют весьма совершенную поверхность. По этой же причине они обладают особыми тепловыми, электрич. и магнитными свойствами. Напр., у Н. к. более высокие теплопроводность и электропроводность (благодаря слабому рассеянию носителей заряда на дефектах и поверхностях), чем у обычных монокристаллов; коэрцитивная сила тонких ферромагнитных Н. к. также значительно выше: для Fe она достигает 40 кА/м. Ферромагнитные и сегнетоэлектрич. Н. к., как правило, представляют собой монодомены.
Источник
Нитевидные кристаллы Выполнила студентка 553 гр. Антоневич Юлия. — презентация
Презентация была опубликована 7 лет назад пользователемВладислав Протасов
Похожие презентации
Презентация на тему: » Нитевидные кристаллы Выполнила студентка 553 гр. Антоневич Юлия.» — Транскрипт:
1 Нитевидные кристаллы Выполнила студентка 553 гр. Антоневич Юлия
2 Основные вопросы: Что такое нитевидные кристаллы? Что такое нитевидные кристаллы? Свойства нитевидных кристаллов. Свойства нитевидных кристаллов. Получение нитевидных кристаллов. Получение нитевидных кристаллов. Рост нитевидных кристаллов на примере SnO2 Рост нитевидных кристаллов на примере SnO2
3 Нитевидные нанокристаллы («усы», вискеры) — это кристаллические твердые тела, длина которых намного превышает поперечные размеры. Последние — принадлежат нанометровому диапазону. Нитевидные нанокристаллы («усы», вискеры) — это кристаллические твердые тела, длина которых намного превышает поперечные размеры. Последние — принадлежат нанометровому диапазону.
4 Свойства н.к.. высокая температура плавления и прочности, высокая температура плавления и прочности, высокий модуль упругости, высокий модуль упругости, химически инертны по отношению ко многим металлическим, полимерным и керамическим материалам до весьма высоких температур, химически инертны по отношению ко многим металлическим, полимерным и керамическим материалам до весьма высоких температур, в Н. к., в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации, обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах. в Н. к., в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации, обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах.
5 Наиболее важное свойство Н. к. — уникально высокая прочность. Высокая прочность Н. к. объясняется совершенством их структуры и значительно меньшим количеством (а иногда полным отсутствием) объёмных и поверхностных дефектов (одна из важнейших причин малой дефектности Н. к. — их малые размеры, при которых вероятность присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика).
6 Свойства некоторых н.к..
7 Методы получение н.к. физическое испарение с последующей конденсацией, физическое испарение с последующей конденсацией, осаждение из газовой фазы при участии химических реакций, осаждение из газовой фазы при участии химических реакций, кристаллизация из растворов, направленная кристаллизация эвтектических сплавов, кристаллизация из растворов, направленная кристаллизация эвтектических сплавов, выращивание на пористых мембранах и др, выращивание на пористых мембранах и др, Н.к. тугоплавких металлов и соединений обычно получают методом осаждения из газовой фазы в высокотемпературных печах периодического, полунепрерывного или непрерывного действия. Н.к. тугоплавких металлов и соединений обычно получают методом осаждения из газовой фазы в высокотемпературных печах периодического, полунепрерывного или непрерывного действия.
8 Эпитаксиальный метод: Массив н.к. GaAs, выращенных на поверхности GaAs с помощью активации последней каплями золота. Массив н.к. GaAs, выращенных на поверхности GaAs с помощью активации последней каплями золота.
9 Рост н.к.: на кристаллической подложке формируют капли металла — катализатора роста. Затем к поверхности роста подают материал н.к., который кристаллизуется под металлической каплей с большей скоростью, чем на неактивированной поверхности Схематичное изображение роста н.к. Вначале поверхность подложки активируют формируют на ней капли расплава. Затем осаждают материал и н.к. растет в активированом месте подложки.
10 Пример использования н.к. Последняя (шарики с пупырышками на рисунке) достаточно большая и несет некоторый заряд. Прикрепляясь к нанокристаллу через антитело молекула меняет проводимость кристалла, что регистрируется внешним прибором. Вначале к кристаллу присоединяются антитела, которые могут взаимодействовать с «враждебной» молекулой.
11 Рост Н.к. SnO 2 Обладает полупроводниковыми свойствами n- типа с шириной запрещенной зоны 3.6 эВ при 300 К, в связи с этим уникальными электрическими и оптическими характеристиками. Обладает полупроводниковыми свойствами n- типа с шириной запрещенной зоны 3.6 эВ при 300 К, в связи с этим уникальными электрическими и оптическими характеристиками. Тонкие пленки SnO 2 используются в прозрачных проводящих электродах и солнечных батареях, а легирование SnO 2 дает возможность получать материалы, обладающими хорошими сенсорными характеристиками. Тонкие пленки SnO 2 используются в прозрачных проводящих электродах и солнечных батареях, а легирование SnO 2 дает возможность получать материалы, обладающими хорошими сенсорными характеристиками.
12 Методика эксперимента. Подготовка порошка SnO Подготовка порошка SnO Тугоплавкую лодочку с порошком SnO помещали в горячую зону трубчатой печи, синтез проводили в токе азота согласно температурному режиму, подобранному экспериментально (рис.1а) Тугоплавкую лодочку с порошком SnO помещали в горячую зону трубчатой печи, синтез проводили в токе азота согласно температурному режиму, подобранному экспериментально (рис.1а)(рис.1а) Металлические пластинки Sn и Pt помещали в более холодную зону, осаждение продуктов при этом происходило на стенки лодочки и на поверхность металлических пластинок.(рис.1б) Металлические пластинки Sn и Pt помещали в более холодную зону, осаждение продуктов при этом происходило на стенки лодочки и на поверхность металлических пластинок.(рис.1б).(рис.1б)
15 Высокотемпературная микроскопия проводилась на оптическом микроскопе. При этом осаждение продуктов происходило на сапфировую подложку, а температурный режим состоял из быстрого нагрева со скоростью 50С/мин до температуры 1050С и последующей выдержкой при этой температуре в течение 20 минут.
16 Результаты эксперимента: выход продуктов в этих экспериментах оказывался слишком мал. выход продуктов в этих экспериментах оказывался слишком мал. температурный режим оптимизировали. Затем был добавлен дополнительный этап выдержки при С. В результате экспериментально было показано, что оптимальным режимом является рост при температуре 1050С с предварительным прогревом прекурсора при 350С (рис.1а). Выход продукта при этом вырос приблизительно в 70 раз. температурный режим оптимизировали. Затем был добавлен дополнительный этап выдержки при С. В результате экспериментально было показано, что оптимальным режимом является рост при температуре 1050С с предварительным прогревом прекурсора при 350С (рис.1а). Выход продукта при этом вырос приблизительно в 70 раз.
17 Рост кристаллов в эксперименте с добавлением металлических пластинок Sn и Pt В качестве подложек были выбраны оловянные и платиновые пластинки (сильноразветвленные, изогнутые нитевидные кристаллы длиной от десятка микрон до нескольких миллиметров и диаметром в интервале от нескольких нанометров до нескольких микрон). В качестве подложек были выбраны оловянные и платиновые пластинки (сильноразветвленные, изогнутые нитевидные кристаллы длиной от десятка микрон до нескольких миллиметров и диаметром в интервале от нескольких нанометров до нескольких микрон).
18 Механизм роста кристаллов по схеме «Пар – жидкость – кристалл»
19 На рисунке приведены данные рентгеновской дифракции перетертых вискеров SnO 2. Все отражения были отнесены к тетрагональной модификации SnO2 (карточка PDF ). Летучий компонент жидкость ПАР кристалл ПАР
20 Образование в реакционном пространстве капель олова, играющих роль зародышей для роста будущих кристаллов. Пары ростового компонента SnO 2, возникающие в результате диспропорционирования SnO в газовой фазе, током азота переносились в более холодную зону, где они растворялись в каплях металлического олова и транспортировались через жидкую фазу к телу растущего кристалла. (Осаждение на платиновую подложку привело к образованию продуктов. Были получены практически гладкие и малоразветвленные кристаллы.)
21 Методом РСМА показано, что Pt практически отсутствует в составе полученных на платиновой подложке вискеров При этом на поверхности платиновой образуется пленка олова. На концах некоторых вискеров видны застывшие капельки, что является наиболее ярким свидетельством в пользу гипотезы о росте кристаллов по механизму ПЖК.
22 Рост кристаллов в экспериментах в высокотемпературной приставке для оптического Микроскопа Синтез проводили в специальной приставке для оптического микроскопа, осаждение продуктов происходило на сапфировую подложку. При этом на более холодной поверхности сапфировой пластинки наблюдался рост вискеров.
23 Конец вискера имеет область, покрытую материалом, отличным от материала тела вискера. Этот вывод можно сделать на основании меньшей интенсивности свечения концевой области. Предположительно, данная область представляет собой растекшуюся каплю металлического олова.
24 Рост вискеров происходил в двух предпочтительных ориентациях.(рис) Учитывая тот факт, что вискеры в диаметре достигают нескольких микрометров, а средняя шероховатость поверхности сапфировой пластины составляет не более нескольких нанометров влиянием дефектов поверхности на рост кристаллов можно пренебречь. Сенсорные свойства нитевидных кристаллов SnO2 Сенсорные свойства вискеров были охарактеризованы путем измерения изменения сопротивления пучка нитевидных кристаллов, синтезированных в экспериментах с добавлением олова, при введении паров двуокиси азота в измерительную камеру (рис.9).
Источник