МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

« НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт международных отношений и языковой коммуникации

Кафедра английского языка и технической коммуникации

Реферат на тему:

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСЛОИСТЫХ ДИСУЛЬФИДОВ ВОЛЬФРАМА И МОЛИБДЕНА В УСЛОВИЯХ САМОПОДДЕРЖИВАЮЩИХСЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕАКЦИЙ

Выполнил: аспирант кафедры ТСН ИФВТ БожеевФарабиЕсимович Проверил: профессор кафедры ТСН ИФВТ, д.т.н. Погребенков Валерий Матвеевич

Томск 2012

Содержание Аннотация

Выполнил: 1

БожеевФарабиЕсимович 1

Проверил: 1

профессор кафедры ТСН ИФВТ, д.т.н. 1

Погребенков Валерий Матвеевич 1

Annotation 3

Introduction 4

1 Экспериментальное получение нанослоистых дисульфидов вольфрама и молибдена 5

1.1 Методика эксперимента и описание экспериментальной установки 5

2 Исследование процессов получения и свойств нанослоистых дисульфидов вольфрама и молибдена 7

2.1 Свойства исходных нанодисперсных порошков вольфрама 7

2.2 Морфология нанослоистых дисульфидов вольфрама и молибдена 9

2.3 Трибологические свойства нанослоистых дисульфидов вольфрама и молибдена 16

Conclusions 19

Список литературы 20

Annotation

The objects of the study are nanopowders of tungsten and molybdenum disulfides obtained by self-sustaining high-temperature reactions.

The work was aimed at the study of preparation conditions of tungsten and molybdenum disulfide nanopowdersby self-sustaining high-temperature reactions.

In the work formation processes of nanolamellar disulfides are considered.

The phase composition and the crystal structure properties of nanopowders were studied by X-ray analysis. The data obtained by SEM argued a layer structure of the end product. The average crystallite size and the lattice parameter were determined.

Tribological properties of tungsten and molybdenum disulfide nanopowders were determined using a high temperature tribometer.

Introduction

Tungsten disulfide WS₂ like molybdenum disulfide MoS₂ appear to be a very promising semiconductor material for various applications such as solar cells, rechargeable batteries and solid lubricants for metallic and ceramic surfaces in environments where hydrocarbon or other fluid-based lubricants are unsuitable. WS₂ is one of the best lubricous materials known to the scienceand it is widely used in high vacuum or high temperature conditions. They exhibit a layer-type structure in which monolayers of a metal are sandwiched between monolayers of sulphur, which are held together by relatively weak Van der Waals forces. They are capable of reducing considerably friction factor to 0.03 and offer dry lubricity, temperature resistance from -270 ºC to 650 ºC in normal environment and from -188 ºC to 1316 ºC in vacuum unmatched to any other substance. WS₂ powder can be added to oil, liquid, lubricant, water and plastic to increase lubricity of the mixture. It can be also coated on a substrate by spraying, buffing and tumbling. The semiconductor tungsten disulfide is also of interest as an absorber layer for thin-film solar cells because it has band-gaps well matched for solar spectrum. The optical direct band-gap is found to be 1.36 eV. WS₂ has a potential use in low cost photovoltaic cell, solid lubricant, catalyst etc.

The objects of the study are nanopowders of tungsten and molybdenum disulfides obtained by self-sustaining high-temperature reactions between electro-explosive tungsten or molybdenum nanoparticles with elementary sulfur.

The work was aimed at the study of preparation conditions of tungsten and molybdenum disulfide nanopowdersby self-sustaining high-temperature reactions and determination of their lubricating properties.

In the work formation processes of nanolamellar disulfides are considered.

The phase composition and the crystal structure properties of nanopowders were studied by X-ray analysis. The data obtained by SEM argued a layer structure of the end product. The average crystallite size and the lattice parameter were determined.

Tribological properties of tungsten and molybdenum disulfide nanopowders were determined using a high temperature tribometer.

Scientific novelty of the work: 1) first nanolammelar tungsten and molybdenum disulfides were obtained directly by self-spreading high-temperature reactions in hexagonal phase; 2) it was found that injection of 2% salt (NaCl) into the initial mixture leads to the increase of the maximum combustion temperature at synthesis for tungsten disulfide but in case of molybdenum disulfide it decreases.

1. Экспериментальное получение нанослоистых дисульфидов вольфрама и молибдена

1. Методика эксперимента и описание экспериментальной установки

В работе в качестве компонентов исходных смесей для самораспространяющегося высокотемпературного синтеза нанослоистых дисульфидов применяли нанопорошки вольфрама и молибдена со средним диаметром частиц 80-120 нм, полученные электрического взрыва проводников в среде аргона при рабочем напряжении 18-30 кВ.

Образцы исходных нанопорошков вольфрама и молибдена и синтезированных нанослоистых дисульфидов исследовались методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии и рентгеновской дифрактометрии. Форма, размер частиц, толщина и структура оксидной оболочки на поверхности частиц изучались с помощь электронного микроскопа в режиме стандартной просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и просвечивающей микроскопии высокого разрешения. Методами ПЭМ исследовались размеры областей когерентного рассеяния кристаллической атомной структуры металлического ядра частицы, с помощью программного обеспечения микроскопа определялась толщина оксидной оболочки частицы, также определялась степень аморфизированности оксидной оболочки.

Дефекты кристаллической структуры частиц вольфрама и молибдена, а также параметры кристаллической решетки определялись с помощью рентгеновского дифрактометра Shimadzu 7000S. Использовался метод порошка с использованием Cu - излучения (длина волны 1.54 ). Средние размеры кристаллитов определялись путем вычисления размеров областей когерентного рассеяния по методу Шеррера. Параметр элементарной ячейки вольфрама определялся согласно закону Вульфа-Брэгга и вычисление по формуле для определения параметра гранецентрированной кубической решетки (ГЦК):

(1)

где h, k, l – индексы Миллера, - межплоскостное расстояние, .

Исходные нанопорошки вольфрама и молибдена получали методом электрического взрыва проводников (ЭВП). ЭВП можно реализовать с помощью LC-контура [1-5]. Дисперсность нанопорошков получаемых методом ЭВП можно варьировать, изменяя параметры и режимы электрического взрыва согласно работам [5-7]. Согласно литературным данным (работы В. Г. Иванова) [8], наибольшей дисперсностью обладают частицы дисульфида молибдена, полученные из электровзрывных нанопорошков молибдена с площадью удельной поверхности не менее 18 м²/г. В данной работе нанопорошок вольфрама и молибдена получали электрическим взрывом проволок 0,25 и 0,31 мм в атмосфере аргона, при емкости конденсатора С=2,29 мкФ, индуктивности L=0.65 мкГ, сопротивления R=0.06 Ом. Дисперсность порошков варьировалась путем изменения отношения энергии, введенной в проводник, к энергии сублимации металла ( =0.341, 0.715, 0.549, 0.464, 0,517). В экспериментах использовались нанодисперсные порошки (НДП) вольфрама и молибдена сферической формы (содержание активного металла 97%, удельная поверхность вольфрама 2 м²/г и молибдена 3 м²/г и средний размер частиц 100-120 нм) и элементарная сера марки ОСЧ.

Характерные осциллограммы при синтезе нанопорошков вольфрама и молибдена приведенные на рисунке 1 и 2, показывают скоростной характер процесса электрического взрыва.

Рисунок 1 - Характерная осциллограмма тока при синтезе нанопорошка вольфрама методом ЭВП.

Рисунок 2 - Характерная осциллограмма тока при синтезе нанопорошка молибдена методом ЭВП.

Синтез дисульфидов осуществлялся в бомбе постоянного давления (рисунок 3), в атмосфере аргона в интервале давлений 25-30 атм. Горение образцов диаметром 30 мм и высотой 10-20 мм легко инициировалось вольфрамовой спиралью. Во избежание испарения серы через боковую поверхность и дно образцы запрессовывались в капсулу из стекла «Пирекс». Температуру горения измеряли с помощью вольфрам-рениевой термопары с регистрацией изменения термоэдс осциллографом TektronixTDS 2041B, степень превращения исходной смеси в конечный продукт определялись с помощью энергодисперсионного анализа – на содержание металла, а также методом порошка на рентгеновском дифрактометре ShimadzuXRD-7000S (Япония). Размеры и морфология получаемых порошков дисульфидов исследовались с помощью растрового микроскопа.

Рисунок 3 - Установка по получению дихалькогенидов металлов методом СВС.