Preview

Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE)

Расширенный поиск
Доступ открыт Открытый доступ  Доступ закрыт Доступ платный или только для Подписчиков

НАНО- И МИКРОЧАСТИЦЫ HfB2: КОЭФФИЦИЕНТ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ И ЕГО АНИЗОТРОПИЯ

https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.19-21.106-115

Полный текст:

Аннотация

Рассматривался вопрос о влиянии размерного фактора на коэффициент термического расширения (КТР) диборида гафния. Методом высокотемпературной рентгенографии проведены измерения параметров кристаллической решетки нано- и микрокристаллического диборида гафния в температурном интервале 300– 1 500 K. Размер областей когерентного рассеяния нанокристаллического HfB2 составил 15 нм и оставался постоянным при нагреве. Анализ температурной зависимости параметров нано- и микрокристаллического HfB2 показал, что метрика ячейки увеличивалась с ростом температуры нелинейно. Впервые определены КТР расширения нано- и микрокристаллического HfB2 в направлении кристаллографических осей a и c. Получены аналитические выражения температурной зависимости параметров ячейки нано- и микрокристаллического HfB2 в виде полиномов 2 степени. При линейной аппроксимации температурной зависимости параметров решетки, то есть при отсутствии температурной зависимости КТР в исследуемом диапазоне температур, КТР микрокристаллического HfB2 составил: αa = 7,37 · 10–6 и αс = 7,48 · 10–6 K –1 для осей 0a и 0c соответственно. КТР микрокристаллического HfB2, рассчитанный по рентгеноструктурным данным, соответствует определенному дилатометрическим методом КТР – α = 7,49 · 10-6 K -1 . При линейной аппроксимации температурной зависимости параметров решетки КТР нанокристаллического HfB2 составил: αa = 7,40 ·10–6 и αс = 9,88 · 10–6 K –1 для осей 0a и 0c соответственно. Результаты работы показали, что HfB2 в нанокристаллическом состоянии обладает большим КТР по сравнению с микрокристаллическим аналогом. Выявленные различия КТР нано- и микрокристаллического HfB2 связаны с повышением поверхностной энергии материала при увеличении дисперсности. Обнаружена анизотропия термического расширения как микро-, так и нанокристаллического HfB2 – KTР по оси 0c выше, чем в направлении оси 0a. Анизотропия КТР объясняется исходя из анализа длины и характера связей в кристаллической структуре HfB2. Существенная анизотропия КТР для наноразмерного HfB2 указывает на преимущественный рост ангармонизма атомных колебаний в нанокристаллах в направлении оси 0c. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых экологически чистых материалов для нужд альтернативной энергетики.

 

Об авторах

Д. Ю. Ковалев
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук
Россия
канд. техн. наук, заведующий лабораторией рентгеноструктурных исследований


С. П. Шилкин
Институт проблем химической физики Российской академии наук
Россия
канд. хим. наук, ведущий научный сотрудник, руководитель группы наноразмерных пленок и порошков


С. В. Коновалихин
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук
Россия
канд. хим. наук, старший научный сотрудник


Г. В. Калинников
Институт проблем химической физики Российской академии наук
Россия
канд. хим. наук, старший научный сотрудник


И. И. Коробов
Институт проблем химической физики Российской академии наук
Россия
канд. хим. наук, старший научный сотрудник


С. Е. Кравченко
Институт проблем химической физики Российской академии наук
Россия
научный сотрудник


Н. Ю. Хоменко
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения Российской академии наук
Россия
младший научный сотрудник


Р. А. Андриевский
Институт проблем химической физики РАН
Россия
д-р техн. наук, профессор, главный научный сотрудник


Список литературы

1. Simonenko, E.P. Promising Ultra High Temperature Ceramic Materials for Aerospace Applications [Text] / E.P. Simonenko [et al.] // Russ. J. Inorg. Chem. – 2013. – Vol. 58. – No 14. – Р. 1669–1693.

2. Upadhya, K. Materials for ultra-high temperature structural applications / K. Upadhya, J.M. Yang, W.P. Hoffman // Am. Ceram. Soc. Bull. – 1997. – Vol. 76. – P. 51–56.

3. Fahrenholtz, W.G. Refractory diborides of zirconium and hafnium [Text] / W.G Fahrenholtz [et al.] // J. Am. Ceram. Soc. – 2007. – Vol. 90. – Р. 1347–1364.

4. Opeka, M. M. Oxidation-Based Materials Selection for 2000 0C + Hypersonic Aero surfaces: Theoretical Considerations and Historical Experience [Text] / M.M. Opeka, I.G. Talmy, J. A. Zaykoski // J. Mater. Sci. – 2004. – Vol. 39. – No 19. – Р. 5887–5904.

5. Monteverde, F. Processing and properties of ultra-high temperature ceramics for space applications [Text] / F. Monteverde, A. Bellos, L. Scatteia // Mater. Sci. Eng. – 2008. – Vol. 485. – Р. 415–421.

6. Savinoa, R. Arc-jet testing on HfB2 and HfCbased ultra-high temperature ceramic materials [Text] / R. Savinoa [et al.] // J. Eur. Ceram. Soc. – 2008. – Vol. 28. – Р. 1899–1907.

7. Андриевский, Р.А. Наноструктурные дибориды титана, циркония и гафния: синтез, свойства, размерные эффекты, стабильность [Текст] / Р.А. Андриевский // Успехи химии. – 2015. – Т. 84. – С. 540 – 554.

8. Andrievski, R.A. Nanomaterials in Extreme Environments. Fundamentals and Applications [Text] / R.A. Andrievski, A.V. Khatchoyan. – Springer, Heidelberg, 2016. – 107 p.

9. Carenco, S. Nanoscaled metal borides and phosphides: recent developments and perspectives [Text] / S. Carenco [et al.] // Chem. Rev. – 2013. – Vol. 113. – No 10. – P. 7981–8065.

10. Vajeeston, P. Electronic Structure, Bonding, and Ground State Properties of AlB2-Type Transition Metal Diborides [Text] / P. Vajeeston P. [et al.] // Phys. Rev. B – 2001. – Vol. 63. – No 4. – Р. 04115(1)–04115(12).

11. Cutle R.A. Engineering Properties of Borides. pp. 787–803 in Ceramics and Glasses: Engineered Materials Handbook, Vol. 4: Edited by S.J. Schneider Jr. ASM International, Materials Park, OH, 1991.

12. Chase, M. W. Jr. NIST-JANAF Thermochemical Tables. – American Chemical Society and the American Institute of Physics, Woodbury, NY, 1998.

13. Wuchina, E. Designing for Ultrahigh-Temperature Applications: The Mechanical and Thermal Properties of HfB2, HfCx, and a-Hf(N) [Text] / E. Wuchina [et al.] // J. Mater. Sci. – 2004. – Vol. 39. – Р. 5939–594.

14. Андриевский, Р.А. Прочность тугоплавких соединений и материалов на их основе [Текст] / Р.А. Андриевский, И.И. Спивак. – Справочник. Челябинск: Изд-во Металлургия, 1989. – 368 с.

15. Серебрякова, Т.И. Высокотемпературные бориды [Текст] / Т.И Серебрякова, В.А. Неронов, П.Д Пешев. – М.: Изд-во Металлургия, 1991. – 368 с.

16. Basu, B. Advanced Structural Ceramics [Text] / B. Basu, K. Balani. – Wiley, Hoboken, 2011. – 474 p.

17. Nakamory, F. Mechanical and thermal properties of bulk ZrB2 [Text] / F. Nakamory [et al.] // J. Nucl. Mater. – 2015. – Vol. 467. – P. 612.

18. Loehman, R. Ultra-high temperature ceramics for hypersonic vehicle applications [Text] / R Loehman, E. Corral, H-P. Dumm, P. Kotula, R. Tandon // Sandia Report, SAND2006-2925, Albuquerque, NM; 2006.

19. Pilladi, T.R. Thermal expansion of nanocrystalline boron carbide/ T.R. Pilladi [et al.] // Ceramic Intern. –2012. – Vol. 38. – Р. 3723–3728.

20. Kuru, Y. Crystallite size dependence of the coefficient of thermal expansion of metals [Text] / Y. Kuru [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2007. – Vol. 90. – Р. 243113(1)–243113(3).

21. Садовников, В.И. Тепловое расширение наноструктурированных пленок PbS и ангармонизм атомных колебаний [Текст] / В.И. Садовников, А.И. Гусев // Физ. тв. тела. – 2014. – Т. 56. – С. 2274–2278.

22. Гусев, А.И. Тепловое расширение нанокристаллического и крупнокристаллического сульфида серебра Ag2S [Текст] / А.И. Гусев [и др.] // Физ. тв. тела. – 2016. – Т. 58. – С. 246–251.

23. Кравченко, С.Е. Особенности получения наноразмерного диборида гафния различной дисперсности [Текст] / С.Е. Кравченко [и др.] // Журнал общей химии. – 2015. – Т. 85. – № 5. – С. 720 – 725.

24. Pease, R.S. An X-ray study of boron nitride / R.S. Pease // Acta Crystallogr. –1952. – Vol. 5. – P. 356–361.

25. Langreiter, T. TEV – A Program for the Determination of the Thermal Expansion Tensor from Diffraction Data [Text] / T. Langreiter, T. [et al.] // TEV – A Program for the Determination of the Thermal Expansion Tensor from Diffraction Data // Crystals. – 2015. – Vol. 5. – P. 143–153.

26. Бацанов, С.С. Структурная химия [Текст] / С.С. Бацанов. – Факты и зависимости. – М: Диалог- МГУ, 2000. – 292 с.

27. Коновалихин, С.В. Особенности кристаллической структуры нового соединения C4B25Mg1,42 [Текст] / С.В. Коновалихин [и др.] // Кристаллография. – 2015. – Т. 60. – № 5. – С. 691–694.


Для цитирования:


Ковалев Д.Ю., Шилкин С.П., Коновалихин С.В., Калинников Г.В., Коробов И.И., Кравченко С.Е., Хоменко Н.Ю., Андриевский Р.А. НАНО- И МИКРОЧАСТИЦЫ HfB2: КОЭФФИЦИЕНТ ТЕРМИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ И ЕГО АНИЗОТРОПИЯ. Альтернативная энергетика и экология (ISJAEE). 2017;(19-21):106-115. https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.19-21.106-115

For citation:


Kovalev D.Y., Shilkin S.P., Konovalikhin S.V., Kalinnikov G.V., Korobov I.I., Kravchenko S.E., Chomenko N.Y., Andrievski R.A. NANO AND MICROPARTICLES of HfB2: THERMAL-EXPANSION COEFFICIENT AND ITS ANISOTROPY. Alternative Energy and Ecology (ISJAEE). 2017;(19-21):106-115. (In Russ.) https://doi.org/10.15518/isjaee.2017.19-21.106-115

Просмотров: 213


ISSN 1608-8298 (Print)