ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛАХ

Рейтинг:  0 / 5

Звезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активнаЗвезда не активна
 
Идея усов подсказана природой, где они довольно широко распространены: асбест, волокнистые формы некоторых минералов — хризолита, термолита, рутила и др.
При соответствующих условиях кристаллизации любое кристаллическое вещество можно получить в виде усов. Известно более 100 типов усов, выращенных искусственным путем. Основным сырьем являются карбиды, металлы и их оксиды, графит.
Усы благодаря высокой организации своей структуры приближаются по физико-механическим показателям к теоретической прочности, которая приближенно рассчитывается какт= 0,1 Е (где Е модуль Юнга). Модуль Юнга усов находится в пределах 40 - 1000 ГПа. В среднем прочность усов составляет 10-25 ГПа, хотя некоторые типы усов из карбида кремния достигают прочности выше 40 ГПа (производитель американская фирма «Карборундум») [2].
Приведенные значения прочности усов все же меньше теоретических, рассчитанных по энергии межатомного взаимодействия для идеальных кристаллов. Несоответствие между теоретически вычисленной и практически полученной прочностью обусловлено микро- и макродефектами кристаллитов. Различают две группы микродефектов - точечные и линейные. К точечным дефектам относят вакансии (узлы решеток, в которых отсутствуют атомы); смещение атомов от положения равновесия; чужеродные атомы, внедренные в кристаллическую решетку. К линейным дефектам относятся прежде всего дислокации, резко снижающие прочность кристаллических тел, и поверхностные макродефекты (трещины и т.д.).
Из всех известных способов выращивания нитевидных кристаллов [1] наиболее используемым является метод, предусматривающий проведение реакции в газовой фазе с последующим осаждением продуктов в виде нитевидных кристаллов. Этот длительный и сложный процесс должен проводиться при строгом соблюдении таких параметров, как температура, парциальное давление реагентов, скорость подачи газа и др. На процесс выращивания усов значительное влияние оказывают примеси, поэтому необходима тщательная очистка реагентов. Нарушение условий проведения реакции приводит к прекращению роста усов. Усы также можно выращивать из расплава, пересыщенного раствора, методом сублимации.
Усы графита были получены Беконом [3]; они выращивались в дуге электрического разряда между графитовыми электродами в инертной среде при высоком давлении. Графитовые усы имели оригинальную свиткообразную форму типа скрученной фольги (рис. 4.1), что энергетически выгодно — имеет место малое отношение поверхности к объему.
Предполагается, что лентовидные зародыши кристаллов графита закручиваются вокруг своей оси. Близки по своим свойствам к усам дискретные углеродные волокна, полученные осаждением из газовой фазы [4].
В зависимости от вида катализатора и условий процесса возможны различные механизмы образования У В. В частности, при сильном взаимодействии катализатора с подложкой формируются усы, а при слабом взаимодействии, допускающим отрыв частиц катализатора от подложки, появляются волокна. Последний механизм реализуется и в том случае, когда частицы катализатора «плавают» в рабочем пространстве реактора [5].
Рис. 4.1. Схема образования свиткообразного графитового уса
Описан непрерывный процесс получения нитевидных кристаллов графита на опытной установке.
[6].
Он заключается в использовании углеводородов типа бензола, их пиролизе в псевдоожиженной среде на взвешенных в газоносителе частицах активного катализатора. Выращенные на катализаторе углеродные волокна графитируют при температуре 2900 °С. Полученные волокна (диаметром 1 мкм и длиной 2 мм) имеют идеальную структуру. После обработки в 60% азотной кислоте волокна хорошо смачиваются эпоксидной смолой.
В лабораторном масштабе получены более длинные волокна из углеводородов в паровой фазе.
[7].
В эксперименте были использованы частицы катализатора на основе железа размером несколько нанометров, от которых в парах углеводорода (метана) при температуре около 1000 °С начинают расти углеродные нити. Таким образом, получены нити длиной более 10 см. Нити имели плотность
Гипертеплопроводные графитовые усы получены разложением бензола в восстановительной водородной среде при температуре 1100 °С и последующей термообработкой при 3400 °С. Теплопроводность полученного волокна при 300 К составляла 1300 Вт/м-К, что более чем в 5 раз выше теплопроводности меди [8].
Среди волокнистых материалов усы обладают наиболее высокими механическими показателями. Однако способы их производства достаточно сложны и малопроизводительны, поэтому стоимость их велика. Вместе с тем идея применения усов для создания сверхпрочных композиционных материалов достаточно перспективна, и на эти материалы возлагаются большие надежды. Можно с уверенностью сказать, что графитовые усы являются к материалами будущего.
В тоже время дискретные углеродные волокна, полученные осаждением из газовой фазы имеют особую нишу применения - они могут быть использованы, в частности, для изготовления высокотемпературной теплоизоляции, электропроводящих материалов, хаотично армированных композитов. Эффективность их применения обусловлена как доступностью и дешевизной исходного сырья, так и относительно простой одностадийной технологией их получения.
Многообещающим сырьем для производства ценных углеродных материалов, которые по сравнению с рядовыми углеродными материалами имеют высокую добавленную стоимость и спрос на которые устойчиво растет, являются побочные углеводородные продукты нефтепереработки [9].