1.1. Технология получения нанокомпозитов в установке «Фотон»

Новый метод нанокомпозитов Cu/C, Fe₃O₄/C, Co/C, ZnS/C, Fe₂S/C и т.д, представляющих углеродную матрицу и содержащих наночастицы металлических материалов: для изготовления металл-углеродных нанокомпозитов впервые применена автоматизированная установка “Фотон”.

Установка оснащена двенадцатью ИК-лампами КГ-220 с суммарной мощностью 12 кВт и максимальной интенсивностью излучения в диапазоне 0,8÷1,2 мкм, которые способны нагревать образец до 1300^оС со скоростью до 100 град/мин. Для получения металл-полимерных нанокомпозитов выбран метод ИК-отжига, который позволяет сочетать преимущества методов образования наночастиц металлов в полимерах с помощью термического разложения соединений металлов и восстановления ионов металлов и самоорганизации молекулярной структуры полимера. В случае ИК-отжига для реакций химических превращений требуются время и температура соответственно в 20 и 2 раза меньше, чем для резистивного нагрева.

1.2. Технология получения нанокомпозита на основе поливинилового спирта

Суть технологии заключается в восстановлении соединений металлов в матрицах полимерных материалов с применением двух стадий – механохимической и термохимической. При этом получается прочный нанокомплекс металла с углеродной матрицей. В качестве углеродных матриц может использоваться поливиниловый спирт (см. рис. 1), поливинилхлорид, поливинилацетат.

Рис.1. Модель формирования металлсодержащих наноструктур в матрице поливинилового спирта

3. Свойства металл-углеродных нанокомпозитов

Разработанные нанокомпозиты Cu/C, Ni/C, Co/C, Fe/C исследованы с использованием методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и электронной микродифракции (ЭД).

Проведенные исследования показали, что углеродные медьсодержащие наноструктуры содержат медь с примесью оксидов одно- и двухвалентной меди. Средний размер наночастиц соответствует 25 нм. Преобладают наночастицы с размером 20 нм. Максимальный размер наночастиц этого вида достигает 70 нм (рис. 2).

Рис.2 Распределение частиц медь-углеродного нанокомпозита в тонкодисперсной суспензии

Наночастицы расположены в углеродной нанопленочной структуре, образованной углеродными нановолокнами, ассоциированными с металлической фазой (рис. 3).

Рис.3. Микрофотографии частиц медь-углеродного нанокомпозита, полученные с помощью ПЭМ и ПЭМ высокого разрешения

Рис.3. Микрофотография нанокомпозита пиролизованного полимера/Cu (ССu=10 мас.%), полученная с помощью СЭМ

Никель-углеродные нанокомпозиты содержат никель, возможно также присутствие оксида никеля. Средний размер наночастиц никеля равен 11 нм, частицы такого размера составляют примерно 60% от общего количества наноструктур. Вместе с тем, имеются крупные агрегаты спаянных наноструктур размером до 200 нм. Значительная часть наноструктур имеет сферическую форму, но есть металлсодержащие стержни и углеродные нанотрубки (рис. 4).

Рис.4. Микрофотографии частиц никель-углеродного нанокомпозита, полученные с помощью ПЭМ

Для железо-углеродных нанокомпозитов средний размер установлен 17 нм. Для этих наноструктур характерной формой являются «нанобусы», в шариках которых содержится магнетит (рис. 5). Сферические наночастицы соединены короткими не содержащими металлсодержащую фазу углеродными нанотрубками.

Рис.5. Микрофотография частиц железо-углеродного нанокомпозита, полученные с помощью ПЭМ

Все получаемые нанокомпозиты имеют атомы металлов с высокими атомными магнитными моментами. Определение атомных магнитных моментов производилось на основе метода рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Атомные магнитные моменты нанокомпозитов имеют более высокие значения по сравнению с эталонами (табл. 1).

Табл. 1. Атомные магнитные моменты металл/углеродных нанокомпозитов

Металл-углеродный нанокомпозит	Атомный магнитный момент эталона, (µB)	Атомный магнитный момент образца, (µB)
Ni/C	0,6	2,5
Co/C	1,7	2,5
Cu/C	0	0,3

Наличие магнитных свойств у нанопродуктов открывает дополнительные возможности их применения.

Табл. 2. Изменение сопротивления пиролизованного ПАН от присутствия СО2 в атмосфере

№ п/п	T, oC	Ro, кОм	Rmax, кОм	d, %
1	600	19,54	21,34	9,2
2	700	0,45	0,47	4,4
3	750	230	256,5	11,5