Особенности структуры псевдосплавов, формирующихся в условиях взрывного компактирования биметаллических наночастиц Ni-Ag и Fe-Pb | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/183

Особенности структуры псевдосплавов, формирующихся в условиях взрывного компактирования биметаллических наночастиц Ni-Ag и Fe-Pb

Рассмотрены объемные наноструктурные сплавы (псевдосплавы), полученные методом ударно-волнового воздействия на биметаллические порошки Ni - Ag 9 вес. % и Fe - Pb 27 вес. %. Исследована структура и дисперсный состав исходных биметаллических наночастиц Ni-Ag и Fe-Pb, полученных методом электрического взрыва проводника. Проведён анализ структуры и твёрдости данных объемных наноструктурных сплавов. Представленные результаты свидетельствуют о возможности применения и эффективности ударно-волнового компактирования для получения компактов из биметаллических наночастиц.

Structural features of pseudoalloys, formed in of blasting compaction of Ni-Ag and Fe-Pb bimetallic nanoparticles.pdf Введение Развитие современных технологий контролируется материалами с новыми свойствами, превосходящими свойства традиционно используемых металлов и сплавов. Объемные композиты, состоящие из несмешивающихся или ограниченно смешивающихся металлов, являются перспективными материалами для ряда инженерных приложений благодаря уникальной комбинации физико-механических свойств. По своим физико-механическим и эксплуатационным свойствам такие материалы превосходят многие традиционные сплавы аналогичного назначения. Зачастую высокий уровень специальных магнитных, радиационных, электрических и других характеристик может быть обеспечен только композитами из несмешивающихся или ограниченно смешивающихся металлов. Такие материалы могут применяться в аккумулирующих элементах микроэлектронных устройств, эрозионно стойких контактах в выключателях высокого напряжения, соплах ракетных двигателей, в парах трения и т.д. Одним из способов получения объемных композитов является компактирование порошков в ударных волнах, образующихся при подрыве взрывчатого вещества (взрывное компактирование) [1]. Уникальность взрывного компактирования определяется тем, что в прессуемую массу порошка за короткий промежуток времени вводится большое количество энергии [2]. Обычно при взрывном компактировании уплотнение происходит при использовании взрывчатых веществ или воздействия высокоскоростных ударников, что позволяет инициировать ударную волну, которая проходит через пористый слой порошка [3]. Взрывное компактирование порошков в контейнерах, окруженных взрывчатым веществом, позволяет получать композиционные материалы из компонентов с резко отличающимися физико-химическими свойствами. Перспективными материалами для взрывного компактирования являются биметаллические наночастицы из несмешивающихся и ограниченно смешивающихся металлов, которые могут быть синтезированы электрическим взрывом двух проволок (EETW) [4]. При взрывном компактировании высокая скорость нагружения будет способствовать консолидации биметаллических наночастиц без их разделения на составляющие компоненты. Биметаллические наночастицы имеют значительную практическую ценность. Например, наночастицы Ni-Ag показывают высокую каталитическую активность вследствие синергетического эффекта между Ni и Ag [5, 6]. Антимикробные свойства никеля и серебра давно известны. Наночастицы Ni-Ag дешевле, чем наночастицы чистого серебра, но при этом эффективность их антибактериального действия может быть выше, чем у отдельных металлов вследствие синергетического антимикробного эффекта. В работе представлены результаты исследований структуры биметаллических наночастиц Ni - Ag 9 вес. % и Fe - Pb 27 вес. %, полученных EEWT. Для указанных пар металлов в широкой температурно-концентрационной области в жидком состоянии отсутствует взаимная растворимость. Изучено антимикробное действие наночастиц Ni - Ag 9 вес. % по сравнению с серебром. Получены данные по структуре и твердости объемных образцов композитных материалов, полученных при взрывном компактировании биметаллических наночастиц. 1. Методика эксперимента Биметаллические наночастицы были получены электрическим взрывом трех свитых между собой проволок из Ni и Ag (Ni - Ag 9 мас. %) и двух проволок из Fe и Pb (Fe - Pb 27 мас. %). Технические детали процесса EETW и схема экспериментальной установки представлены в [4]. Соотношение масс металлов в порошке определялось геометрическими размерами проволок. Длина проволок Ni и Ag составляла 80 мм соответственно, диаметр никелевой проволоки - 0.42 мм, серебряной проволоки - 0.15 мм. Длина проволок Fe и Pb составляла 65 мм соответственно, диаметр железной проволоки - 0.42 мм, свинцовой проволоки - 0.20 мм. Энергия, переданная проволокам, определялась по осциллограммам разрядного тока и напряжения, для Ni и Ag составила 1268 Дж, для Fe и Pb - 406 Дж. Нанопорошок Ag был приобретен у ООО «Передовые порошковые технологии». По данным производителя средний размер частиц серебра - около 100 нм. а б в Рис. 1. Схема взрывного компактирования (а) и образцы объемных композитов Ni - Ag 9 вес. % (б), Fe - Pb 27 вес. % (в); 1 - детонатор; 2 - заряд взрывчатого вещества; 3 - конус разделительный; 4 -торцевые заглушки; 5 - трубка; 6 - композитный порошок; 7 - элемент откольный; 8 - оболочка заряда взрывчатого вещества; 9 - пробка центровочная; 10 - песок (а) Исследование антимикробной активности образцов проводили по методике, описанной в [7]. Для подготовки суспензии взяли навеску по 2 мг/мл водной суспензии наночастиц Ni - Ag 9 вес. % и частиц Ag и поместили их в пробирки объемом 2 мл, добавив 1 мл PBS (натрий-фосфатный буфер). Антимикробные свойства наночастиц оценивали in vitro против метициллин-резистентного Staphylococcus aureus MRSA ATCC 43300 методом культивирования в бульоне с последующим подсчетом количества колониеобразующих единиц (КОЕ). По 1 мл подготовленной бактериальной суспензии (106 КОЕ/мл) в бульоне Мюллера - Хинтона добавляли в каждую пробирку, содержащую 100 мкл суспензии наночастиц и контрольный флакон, содержащий 100 мкл PBS. Флаконы затем инкубировали при 37 °С при перемешивании (220 об./мин). Через 24 ч инкубации из каждого флакона отбирали по 50 мкл бульона, содержащего бактерии, и распределяли на чашки с агаром Мюллера - Хинтона. Чашки инкубировали в течение 24 ч при 37 °С и подсчитывали количество выросших колоний. Для взрывного компактирования образцы биметаллических наночастиц плотно набивались в нержавеющую трубку 5 (рис. 1, а), с исходным внутренним диаметром 10 мм (толщина стенки 2 мм) и длиной 150 мм. Далее проводилось механическое прессование порошков с усилием 500 МПа. На трубку навинчивались торцевые заглушки 4. Трубка с порошком помещалась в оболочку 8, заполненную эластичным взрывчатым веществом 2. Детонатор 1 инициировал взрыв, детонационная волна распространялась вертикально вниз, создавая расчетное давление взрыва 1-4 ГП и уплотняя порошок. После уплотнения закрытые контейнеры извлекались и образцы объемных материалов (рис. 1, б, в) были получены после механического удаления трубки. Исследование структуры, элементный состав и распределение элементов в наночастицах проводилось TEM (микроскоп JEM-2100 с детектором рентгеновского излучения X-Max). Электронно-микроскопические исследования микроструктуры и элементного состава объемных образцов проводили с помощью сканирующего электронного микроскопа Quanta 200 3D (FEI, США) с интегрированной системой элементного и структурного анализа Pegasus (EDAX, США). Исследование фазового состава наночастиц и объемных образцов проводили с использованием рентгеновского дифрактометра Shimadzu XRD 6000. Микротвердость консолидированных образцов исследовали с помощью микротвердометра ПМТ-3. 2. Результаты и их обсуждение Анализ строения наночастиц показал, что они имеют две характерные структуры: частицы со структурой ядро - оболочка (рис. 2, а, б) и янус-частицы (рис. 2, в, г). Янус-частицы Fe-Pb представляют собой два зерна (Fe и Pb), имеющие общую границу раздела. В зависимости от объемного соотношения фаз и величин поверхностного натяжения металлов форма янус-частиц может изменяться от сферической до гантелеобразной [8]. Рис. 2. Распределение элементов в биметаллических наночастицах Ni - Ag 9 вес. % (a, б) и Fe - Pb 27 вес. % (в, г) В образцах порошков Ni - Ag 9 вес. % преобладающее число частиц имеют структуру ядро - оболочка. Янус-подобные частицы присутствуют в очень незначительном количестве. В образцах порошков Fe - Pb 27 вес. % основное число частиц имеют структуру янус-частиц. Функции распределения наночастиц по размерам и величины an представлены на рис. 3. Функции распределения имеют выраженную правостороннюю асимметрию, что по данным [9] свидетельствует о формировании дисперсной фазы при коалесценции частиц с меньшими размерами. В [10] показано, что при электрическом взрыве проволок однокомпонентные наночастицы формируются при объединении кластеров металлов с размером несколько нанометров, образующихся при разрушении проволок. Поэтому наиболее вероятным механизмом формирования биметаллических частиц Fe - Pb 27 вес. % и Ni - Ag 9 вес. % также является объединение кластеров металлов (Ag и Ni, Fe и Pb), образующихся при электрическом взрыве каждой из проволок. Вероятно, на начальном этапе формирования наночастиц наблюдается равномерное распределение компонентов (кластеров металлов) в объеме наночастицы. Температура наночастиц достаточно высока и металлические фазы находятся в жидком состоянии. Дальнейшая эволюция структуры наночастиц по данным [11, 12] определяется поверхностной сегрегацией жидких металлических компонентов из-за разницы поверхностной энергии металлов. В результате сегрегации металл с меньшей плотностью поверхностной энергии образует оболочку, металл с большей поверхностной энергией - ядро. Происходит разделение компонентов и образование равновесной структуры ядро - оболочка. В случае наночастиц Ag-Ni поверхностная энергия серебра 1.25 Дж/м2, никеля - 2.44 Дж/м2 [13], поэтому поверхностная сегрегация приводит к формированию наночастиц, в которых ядро состоит из Ni, а оболочка из серебра. Аналогичный процесс реализуется и у наночастиц Fe - Pb 27 вес. %. Поверхностная энергия железа 2.41 Дж/м2 [14], свинца - 0.52 Дж/м2 [15], поэтому на начальном этапе будут формироваться наночастицы со структурой ядро - из железа, оболочка - из свинца. Рис. 3. Распределения наночастиц Ni - Ag 9 вес. % и Fe - Pb 27 вес. %: an - средний размер наночастиц По данным [16], для дальнейшей эволюции структуры наночастиц ядро - оболочка в янус-частицу c гантелеобразной структурой необходима дополнительная энергия для преодоления энергетического барьера между этими равновесными состояниями. По данным работы, в случае структуры ядро - оболочка источником такой дополнительной энергии может являться деформация на интерфейсе оболочки с ядром из-за несоответствия их кристаллических структур. Никель и серебро имеют структуру решетки ГЦК, поэтому для биметаллических наночастиц этих металлов устойчивой является ядро - оболочка. У ОЦК-железа и ГЦК-свинца могут формироваться биметаллические янус-наночастицы. Из полученных результатов следует, что структура биметаллических наночастиц, полученных EEТW из несмешивающихся металлов, определяется поверхностной энергией металлических компонентов и кристаллической структурой металлов. Из рис. 4 следует, что несмотря на относительно небольшое содержание серебра в наночастицах Ni - Ag 9 мас. %, они более эффективно подавляют жизнедеятельность MRSA по сравнению с частицами серебра. Это эффект не может быть объяснен только разницей в размерах частиц материалов, так как она незначительна - размер частиц около 100 нм, наночастиц Ni - Ag 9 вес. % - 87 нм. Вероятно, большая эффективность наночастиц Ni - Ag 9 вес. % объясняется синергическим антимикробным эффектом пары металлов Ni-Ag. Анализ объемных образцов Ni - Ag 9 мас. % и Fe - Pb 27 мас. %, полученных взрывным компактированием, показал, что структура материалов различна (рис. 5). Композит Ni - Ag 9 мас. % представляет собой гомогенную смесь никеля с серебром с содержанием компонентов, приблизительно соответствующим содержанию Ni и Ag в порошке (рис. 5, а, табл. 1). В композите Fe - Pb 27 вес. % можно выделить три области с отличающимися формами и контрастами (рис. 5, б). В области, с которой получен спектр I, компоненты Fe и Pb смешаны равномерно и их содержание приблизительно соответствует содержанию железа и свинца в порошке (табл. 2). Область, с которой получен спектр II, более светлая, чем окружающий её материал. Содержание железа в этой области несколько выше, чем в области I, однако в целом соотношение компонентов сохраняется. Область III представляет собой крупные зерна железа с незначительным содержанием свинца. Также спектры I и II показывают наличие кислорода, который, вероятно, связан со свинцом. Спектр III не показывает присутствия кислорода, но и содержание свинца в этой области минимально. Рис. 4. Антимикробное действие частиц Ag и Ni - Ag 9 вес. % на штамм MRSA Рис. 5. Структура композитов Ni - Ag 9 вес. % (а) и Fe - Pb 27 вес. % (б) Таблица 1 (к рис. 5, a) Элементный анализ композита Ni - Ag 9 вес. % Элемент Содержание, вес. % Ni 90.67 Ag 9.33 Всего 100 Таблица 2 (к рис. 5, б) Элементный анализ композита Fe - Pb 27 вес. % Элемент Спектр I, вес. % Спектр II, вес. % Спектр III, вес. % O 02.40 02.48 0 Fe 64.94 70.12 94.65 Pb 32.66 27.40 05.35 Всего 100 100 100 Зерна железа (область спектра III, рис. 5, б) имеют размер существенно больше, чем частицы, из которых был получен объемный материал. Размер исходных частиц менее 350 нм (рис. 3). Вероятно, зерна железа сформировались вследствие спекания более мелких частиц в процессе взрывного компактирования. В соответствии с [15] по правилу смеси верхняя граница твердости композита HMe1-Me2 = HMe1∙FMe1 + HMe2∙FMe2 , (1) где HMe1 - твердость первого металлического компонента (Me1) композита; HMe2 - твердость второго металлического компонента (Me2) композита; FMe1 и FMe - доля Me1 и Me2 в композите. В соответствии с табл. 3 значение микротвердости Ni - Ag 9 вес. %, полученное в эксперименте, выше, чем прогнозируемое по выражению (1). Увеличить микротвердость может уменьшение размера зерна и добавки твердых легирующих элементов [17, 18]. Серебро имеет меньшую твердость в сравнении с никелем, поэтому в композите Ni - Ag 9 вес. % эффект легирующих добавок реализоваться не может. Вероятно, увеличение микротвердости связано с формированием мелкозернистой структурой двухфазного композиционного материала (рис. 5, а). Для Fe - Pb 27 вес. % измеренная микротвердость меньше расчетной. Материал, в основном, представлен крупными частицами Fe, распределенными в матрице из железа и свинца (рис. 5, б). Соответственно мелкозернистая структура композиционного материала не выражена. Таблица 3 Микротвердость композитов, полученных взрывным компактированием биметаллических нанопорошков Нанопорошок Компоненты Микротвердость исходных компонентов, HV Микротвердость в соответствии с выражением (1), HV Измеренная микротвердость, HV Ni - Ag 9 вес. % Ni 175 165 295 Ag 70 Fe - Pb 27 вес. % Fe 235 182 118 Pb 38 В [19] показано, что микротвердость нанокристаллических твердых растворов может либо увеличиваться, либо уменьшаться с ростом содержания легирующего элемента. Легирующий элемент оказывает сильное влияние на энергию межзеренных границ и уменьшает или увеличивает эффекты упрочнения границ зерен. Возможно, в случае композита Fe - Pb 27 вес. % снижение измеренной микротвердости относительно расчетной также может быть связано со снижением энергии межзеренных границ на интерфейсе Fe-Pb. Заключение EETW позволяет получать биметаллические наночастицы из несмешивающихся металлов со структурой ядро - оболочка или янус-наночастицы. Вероятным механизмом формирования биметаллических наночастиц является объединение кластеров металлов (Ag и Ni, Fe и Pb), образующихся при электрическом взрыве каждой из проволок. Дальнейшую эволюцию структуры наночастиц определяет поверхностная энергия металлов и тип кристаллической решетки. В результате сегрегации металлических компонентов металл с меньшей поверхностной энергией образует оболочку, металл с большей поверхностной энергией - ядро. Происходит разделение компонентов и образование равновесной структуры ядро - оболочка. Дальнейшая эволюция структуры наночастиц ядро - оболочка в янус-наночастицу может происходить в результате деформации на интерфейсе оболочки с ядром из-за несоответствия их кристаллических структур. Антимикробная активность наночастиц Ni - Ag 9 вес. % выше, чем антимикробная активность частиц Ag такой же массы более чем в 2 раза. Вероятно, высокая антимикробная активность Ni - Ag 9 вес. % объясняется синергетическим действием на бактерии Ni и Ag, находящихся в тесном контакте между собой в биметаллических янус-наночастицах. Взрывное компактирование биметаллических наночастиц из Ni - Ag 9 вес. %, полученных электрическим взрывом двух проволок, позволяет получить композиты с мелкозернистой структурой, однородным распределением компонентов и высокой твердостью.

Ключевые слова

электрический взрыв проводников, электровзрывное компактирование, биметаллические наночастицы, несмешивающиеся металлы, electrical explosion of wires, electrical explosive compaction, bimetallic nanoparticles, immiscible metals

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Первиков Александр ВасильевичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНк.т.н., мл. науч. сотр.pervikov@list.ru
Хрусталев Антон ПавловичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАН; Национальный исследовательский Томский государственный университетмл. науч. сотр. ИФПМ СО РАН, мл. науч. сотр. НИ ТГУtofik0014@mail.ru
Бакина Ольга ВладимировнаИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНк.х.н., науч. сотр.ovbakina@ispms.tsc.ru
Ворожцов Александр БорисовичНациональный исследовательский Томский государственный университетд.ф.-м.н., проректор по научной и инновационной деятельности НИ ТГУabv1953@mail.ru
Лернер Марат ИзраильевичИнститут физики прочности и материаловедения СО РАНд.т.н., зав. лаб. физикохимии высокодисперсных материаловlerner@ispms.tsc.ru
Всего: 5

Ссылки

Linse V.D. // National Materials Advisory Board, NMAB-394. - Washington: National Academy Press, 1983. - P. 1.
Pervukhin L., Alymov M., Saikov I.V., et al. // Lett. Mater. -2015. - V. 5(1). - P. 57-60.
Zhang L., Elwazri A.M., Zimmerly T., and Brochu M. // Mater. Sci. Eng. A. - 2008. - V. 487. - P. 219-227.
Lerner M.I., Pervikov A.V., Glazkova E.A., et al. // Powd. Tech. - 2016. - V. 288. - P. 371- 378.
Yi Q., Li L., Yu W., et al. // Rare Metals. - 2010. - V. 29(1). - P. 26-31.
Zhou H., Li Y., Huang J., et al. // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. - 2015. - V. 25. - P. 4001-4007.
Boonkaew B., Kempf M., Kimble R., et al. // Burns. - 2014. - V. 40. - No. 1. - P. 89-96.
Walther A. and Müller A.H.E. // Chem. Rev. - 2013. - V. 7. - P. 5194-5261.
Friendlander S.K. and Wang C.S. // J. Colloid Interface Sci. - 1966. - V. 22. - P. 126-132.
Lerner M.I., Glazkova E.A., Lozhkomoev A.S., et al. // Powd. Tech. - 2016. - V. 295. - P. 307-314.
Wang G., Van Hove M.A., Ross P.N., and Baskes M.I. // Progress Surf. Sci. - 2005. - V. 79. - P. 28-45.
Xu Y.-H. and Wang J.-P. // Adv. Mater. - 2008. - V. 20. - P. 994-999.
Skriver H.L. and Rosengaard N.M. // Phys. Rev. B. - 1992. - V. 46. - P. 7157-7168.
Mills K.C. and Su Y.C. // Inter. Mater. Rev. - 2016. - V. 51. - P. 329-351.
Keene B.J. // Inter. Mater. Rev. - 1993. - V. 38. - P. 157-192.
Bachmaier A., Kerber M., Setman D., and Pippan R. // Acta. Mater. - 2012. - V. 60. - P. 860- 871.
Liu X.D., Hu Z.Q., and Ding B.Z. // Nanostruct. Mater. - 1993. - V. 2. - P. 545.
Sato A. and Meshi M. // Acta. Metall. - 1973. - V. 21. - P. 753.
Shen T.D. and Koch C.C. // Acta. Mater. - 1996. - V. 44. - No. 2. - P. 753-761.
 Особенности структуры псевдосплавов, формирующихся в условиях взрывного компактирования биметаллических наночастиц Ni-Ag и Fe-Pb | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/183

Особенности структуры псевдосплавов, формирующихся в условиях взрывного компактирования биметаллических наночастиц Ni-Ag и Fe-Pb | Изв. вузов. Физика. 2019. № 8. DOI: 10.17223/00213411/62/8/183