Свойства наночастиц оксида цинка, формируемых методами термического распыления

Механоактивацию реакционной шихты осуществляли в шаровой планетарной мельнице с водяным охлаждением АГО-2 в атмосфере аргона. При этом варьировали относительное содержание компонентов реакционной шихты и режим механоактивации.

СВС осуществляли в атмосфере аргона, образец поджигали вольфрамовой спиралью, нагреваемой пропусканием электрического тока.

Общая химическая схема получения материалов имела следующий вид:

Fe2O3 + Al + Fe ® Al2O3 + FeAl

Результаты исследований показали, что алюмотермическая реакция протекает даже при сравнительно невысокой концентрации оксида железа по отношению к железу и алюминию. Так, на дифрактограмме механокомпозита, полученного в реакционной смеси 12,5 % Fe2O3 + 60,9 % Fe + 26,6 % Al (масс.%), отсутствуют характерные линии Fe2O3. Однако при этом явного образования оксида алюминия не наблюдается: помимо линий железа и алюминия рентгенограмма содержит лишь линию небольшой интенсивности в области углов 2q примерно 36 °, которая в пределах погрешности может принадлежать Fe3O4, Fe2O3 и Al2O3. Тем не менее, исследования полученного механокомпозита методом просвечивающей электронной микроскопии, показали, что сформированный «прекурсор» характеризуется нанокомпозиционной структурой с размером зерен от 10 до 75 нм, в которой четко идентифицируются Fe, Al и α-Al2O3. Следует отметить, что рассматриваемый механокомпозит характеризуется несколькими уровнями гетерогеннности (рисунок 4, а). На микронном уровне это типичный слоистый композит с толщиной слоев от 0,5 до 2 мкм, причем границы слоев сильно размыты. Исследования структуры материалов методом сканирующей электронной микроскопии показали, что микронные слои, в свою очередь, имеют более сложное строение. По цветовому контрасту можно выделить 3 типа областей: светло-серые, серые и темно-серые с размером порядка 100-200 нм. В соответствии с результатами МРСА, все слои содержат в своем составе оба металла (железо и алюминий) и различаются лишь их относительным содержанием. Так, светло-серые слои на СЭМ-микрофотографиях обогащены железом, а темно-серые - алюминием. При этом концентрационные кривые алюминия и железа достаточно размыты и не вполне соответствуют наблюдаемым границам цветового контраста, а элементный анализ практически всех областей сканирования (диаметр пятна сканирования составлял 100 нм) отличается несущественно и не очень хорошо кореллирует с различиями цветового контраста. Таким образом, наблюдаемый цветовой контраст, связан, в первую очередь, с морфологией формирующейся структуры материала.

Использование в качестве прекурсора СВС механокомпозита существенно меняет характер взаимодействия реагентов. Так, для кривой ДТА неактивированной порошковой смеси характерны два экзотермических пика с максимумами при 678 °С и 982 °С. Первый соответствует экзотермической реакции восстановления оксида железа, второй – образованию интерметаллида FeAl. На кривой ДТА этой смеси после механоактивации присутствует только один экзопик. При этом положение температуры начала тепловыделения после активации существенно снижается.

Структурные характеристики механокомпозитов оказывают существенное влияние на характер превращений в процессе горения, качественный состав продуктов синтеза и глубину превращения при СВС. Так, несмотря на то, что в рассматриваемой системе реакция взаимодействия оксида железа с алюминием, обеспечивающая наибольшее тепловыделение, прошла в процессе механоактивации, продукт синтеза содержит только моноалюминид железа, в то время как при реализации классического варианта СВС при рассматриваемом соотношении железа и алюминия формируется смесь интерметаллидов. А в нашем случае материал дополнительно разбавлен еще некоторым количеством оксида. Тем не менее, образование оксида алюминия на стадии механоактивации не только не помешало полному протеканию реакции образования FeAl, но и, по всей видимости, способствовало процессу гетерогенного зародышеобразования при СВС. Очевидно, это связано с очень тонким объемным распределением компонентов и эффектом существенного ускорения диффузионного массопереноса в сформированном механокомпозите, значительно изменяющим условия зародышеобразования новой фазы в волне СВС.