Механохімічний синтез і структурні дослідження наноматеріалів

Досягнення останніх років у галузі фізики конденсованого стану нерозривно пов’язані з розробкою нових матеріалів із високими експлуатаційними характеристиками. Особливе місце серед них посідають багатокомпонентні інтерметаліди – сполуки, утворені металами або металами та напівметалами. Інтерметаліди мають складну кристалічну структуру та незвичайну природу хімічного зв’язку: міжатомні зв’язки в них окрім металевої складової містять певну частку й ковалентної, чим і визначаються їх унікальні фізико-механічні характеристики, включаючи високу жароміцність, хімічну стійкість та зносостійкість. Інтерметалідам притаманні також високі значення міцності, модуля пружності, а також аномальна залежність границі плинності.

Різноманіття фізико-хімічних характеристик інтерметалідів і матеріалів на їх основі зумовило широке використання цих сполук в багатьох галузях і напрямах, серед яких:

алюмініди Ni₃Al, NiAl, Ti₃Al, TiAl та сплави на їх основі завдяки високій стабільності, жароміцності і жаростійкості становлять значний інтерес для авіаційної та аерокосмічної техніки і використовуються як конструкційні матеріали при виготовленні соплових лопаток та дисків ротора турбін, а також деталей машин, що тривалий час працюють при підвищених температурах в окислювальних середовищах.

Еквіатомні інтерметалічні сполуки РЗМMe (РЗМ = Y, Dy, Er, Ho; Me = Cu, Zn, Ag) зі структурою типу CsCl характеризуються високою пластичністю навіть при кімнатній температурі. Серед них найбільшою пластичністю володіють YAg (> 20% видовження для полікристалічного зразка) та YCu, якому при значенні міцності на розрив та деформації до розриву в межах 175–300 МПа притаманне видовження в межах 6–11%.

Завдяки високій щільності, пластичності та міцності, а також поліпшеним антибактеріальним властивостям, сплави системі Ti-Cu разом зі сплавами систем Ti–Au та Ti–Ag використовуються в стоматології для виготовлення імплантів при протезуванні (dental materials).

Інтерметалічні сполуки Nb₃Sn, Nb₃Ge, V₃Ga переходять у надпровідний стан при температурі близько 20 К, який зберігається у полях до 30 Тл, що дозволяє використовувати ці матеріали в якості соленоїдів у Великому адронному колайдері.

Хоча перелік областей застосування матеріалів на основі інтерметалідів не вичерпується лише описаними вище, проте, їх використання стримується крихкістю інтерметалідів та високою вартістю виробів. Вирішення проблеми підвищення технологічної пластичності ведеться шляхом оптимізації складу сплавів. В цьому контексті особливу увагу привертає легування інтерметалідів галієм. Вже встановлено, що галій суттєво збільшує жароміцність та пластичність титанових сплавів на основі бінарних сполук системи Ti–Al (Ti₃Al, TiAl тощо); мікродобавки галію покращують механічні властивості алюміній-скандієвих сплавів, а скандій та галій в сплавах на основі алюмінію забезпечують їх додаткову міцність і ковкість. Проте, вплив галію на жароміцні інтерметалічні сполуки системи Ni–Al (NiAl, Ni₃Al тощо) досі не досліджено. Також не вивченим є вплив домішок галію на властивості еквіатомних сполук РЗМCu (РЗМ = Y, Dy). Крім того, для збільшення жароміцнісних характеристик в сплави вводяться кремній та вуглець, які за рахунок утворення карбідів та силіцидів підвищують температурні характеристики композицій.

Розширення переліку нових функціональних матеріалів на основі сплавів галію з перехідними металами та РЗМ можливе лише при наявності даних про характер фазових рівноваг та відомостей про кристалічну структуру й фізико-хімічні властивості інтерметалічних сполук, які утворюються в цих системах. Саме на це в останні роки спрямовується робота науковців кафедри фізики металів Київського національного університету імені Тараса Шевченка. За її результатами вже побудовано ізотермічні перерізи для більше ніж 140 потрійних систем із вмістом галію.

Ізотермічний переріз діаграми стану системи Ni-Al-Ga при 973 К

На сьогодні основними методами виготовлення інтерметалічних сполук є методи дугової та індукційної плавки, які, на жаль, не дозволяють отримувати сплави в нанорозмірному стані. Але саме забезпечення нанокристалічної структури може суттєво поліпшити механічні характеристики отриманого матеріалу. Одним, з методів синтезу, що зумовлює формування вихідного продукту у нанокристалічному стані, є метод механохімічного синтезу, або обробка вихідної шихти в високоенергетичному планетарному млині при кімнатній температурі. Перевагами цього методу є, по-перше, нанорозмірний стан вихідних продуктів обробки, а, по-друге, можливість синтезу матеріалів (наприклад, пересичених твердих розчинів), які не одержуються при використанні інших методик.

Обладнання кафедри фізики металів для проведення механохімічного синтезу: планетарні млини зі швидкістю обертання стаканів до 1490 об/хв.

Іншою перевагою методу механохімічного синтезу є можливість отримання карбідів, оксидів та нітридів металів шляхом обробки суміші порошків вихідних компонентів при низьких температурах. На сьогодні механохімічним методом синтезовані карбіди практично усіх перехідних металів з використанням вуглецевої компоненти у вигляді графіту або сажі. Проте, до синтезу карбідів досі не залучалися вуглецеві нанотрубки, що володіють низкою унікальних властивостей завдяки особливостям їх розмірів, геометрії та структури. Наразі науковцями кафедри ведуться дослідження щодо можливостей використання вуглецевих нанотрубок при синтезі карбідів металів.

Мікроструктура карбідів, отриманих на кафедрі механохімічним синтезом.