ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Алтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова»
Бийский технологический институт (филиал)
А.Л. Верещагин
свойства
ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ
Барнаул 2005
Верещагин А.Л. Свойства детонационных наноалмазов.
Алт. гос. тех. ун-т, БТИ. – Бийск
Из-во Алт. гос. техн. ун-та, 2005. – 134 с.
Рассматриваются вопросы изучения свойств наноалмазов детонационного синтеза.
Данная работа предназначена для специалистов в области материаловедения композиционных и сверхтвёрдых материалов, аспирантов и студентов соответствующих специальностей.
Рецензенты: д.х.н. Аксененко В.М. (БТИ АлтГТУ)
д.х.н. Гареев Г.А. (НПП «Инжиринговая компания»)
ISBN 5-9257-0065-1
ã Верещагин А.Л., 2005
ã БТИ АлтГТУ, 2005
СОДЕРЖАНИЕ
| Используемые термины____________________________________ | 4 |
| Предисловие______________________________________________ | 5 |
| Введение_________________________________________________ | 7 |
| Глава 1. Наноалмазы в природе______________________________ | 15 |
| Глава 2. Физико-химические свойства детонационного углерода__ | 17 |
| Глава 3. Элементный состав ДНА____________________________ | 21 |
| Глава 4. Структура и фазовый состав_________________________ | 25 |
| Глава 5. Реакционная способность детонационных наноалмазов__ | 41 |
| Глава 6. Исследование поверхности детонационных наноалмазов______________________________________________ | 57 |
| Глава 7. Модифицирование поверхности алмаза________________ | 72 |
| Глава 8. Форма частиц алмазного нанокластера________________ | 80 |
| Глава 9. Адсорбция водорода наноуглеродом__________________ | 90 |
| Глава 10. Фрактальная структура частиц ДНА_________________ | 97 |
| Глава 11. Биологическая активность ДНА_____________________ | 101 |
| Заключение_______________________________________________ | 103 |
| Литература_______________________________________________ | 104 |
Используемые термины и сокращения
Ударные или взрывные алмазы – алмазы, полученные по методу компании Du Pont, который заключается в ударном обжатии смеси графита, находящегося в толстостенной металлической ампуле, с порошкообразным металлом.
Детонационные алмазы (ДА) – алмазы, полученные при детонации смесей углерода с гексогеном или другим мощным взрывчатым веществом во взрывной камере.
Детонационные наноалмазы (ДНА) – алмазы, полученные из углерода взрывчатых веществ при подрыве во взрывной камере в газовой или жидкой средах. (Принимая во внимание, что ультрадисперсные алмазы образуются и другими методами, например, при осаждении пленок из газовой фазы или в процессах статического синтеза в земной коре, для этих алмазов было выбрано именно это название, а не достаточно часто встречающееся УДА.)
Детонационный углерод (ДУ) – конденсированные углеродные продукты, образовавшиеся при детонации ВВ во взрывной камере, содержащие несколько фаз углерода.
Неалмазные фазы углерода (НФУ) – аморфный углерод и графит, образовавшиеся в процессе детонации взрывчатых веществ.
Ультрадисперсные материалы (УДМ) – порошки с размером частиц меньше 100 нм.
ПРЕДИСЛОВИЕ
За последние двадцать лет сформировалось новое научно-техническое направление «Наночастицы, наноматериалы, нанотехнологии», которое стало одним из наиболее быстроразвивающихся направлений современной науки.
Ещё в решении IV Всероссийской конференции «Физико-химия ультрадисперсных систем» отмечалось, что «резко возросший интерес к ультрадисперсным (нано-) материалам связан как фундаментальным значением их в качестве нового научного направления, возникшего на стыке физики, материаловедения, химии, биологии, медицины, так и с перспективным прикладным значением для медицины, сельского хозяйства, оборонной и специальной техники, что отражает фактически новый этап научно-технического прогресса в миниатюризации материалов, технологий и устройств от макро- и микро- к наномасштабам».
Большой объём выполненных за последние пятнадцать лет интенсивных исследований детонационных наноалмазов позволил предпринять попытку обобщения научно-исследовательских работ в этом направлении. Сейчас в мире опубликовано свыше 700 работ по наноалмазам и существует десять центров по их производству.
Первый в мире промышленный центр по производству детонационных наноалмазов создан в ФГУП ФНПЦ «Алтай» благодаря труду многих его сотрудников, это дало материалы для написания данной работы.
За четыре года, прошедших с момента опубликования работы автора, посвященной детонационным наноалмазам, был издан ряд книг по этой проблеме. Прежде всего хотелось бы отметить фундаментальную работу Даниленко [Даниленко В.В. Синтез и спекание алмаза взрывом. – М.: Энергоатомиздат, 2003. – 271 с.], посвященную синтезу ДНА, и обширный труд Долматова [Долматов В.Ю. Ультрадисперсные алмазы детонационного синтеза: Получение, свойства, применение. – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2003. – 344 с.], где очень полно рассмотрены вопросы выделения ДНА и их применения.
Принимая во внимание глубину и полноту изложения материалов в упомянутых изданиях, автор ограничил рамки настоящей работы рассмотрением свойств детонационных наноалмазов. По сравнению с предыдущей работой здесь изменены разделы, касающиеся исследования структуры детонационных наноалмазов (в этом заслуга д.х.н. Г.С. Юрьева, который использовал для этих целей синхротронное излучение) и поведения наноалмазов в межзвездном пространстве, а также внесен ряд дополнений, связанных с появлением новых публикаций.
Автор будет признателен читателям за любые замечания и пожелания, присланные по адресу:
659305, Алтайский край, г. Бийск, ул. Трофимова, 27, Бийский технологический институт. E-mail: val@bti.secna.ru.
Введение
В настоящее время в целях создания высокоэффективных композиционных материалов интенсивно разрабатывается направление по получению, изучению свойств и применению разнообразных ультрадисперсных материалов, которые в последнее время получили название наноматериалы.
К ультрадисперсным материалам относят частицы вещества размером 1...100 нм. При таких размерах частиц существенный вклад в их физико-химические свойства вносят поверхностные атомы, относительное количество которых при этих размерах частиц значительно увеличивается. Высокая доля поверхностных атомов и поверхностных соединений вносит изменения в элементный состав и термодинамические характеристики ультрадисперсных частиц по сравнению со свойствами массивного кристалла.
Вследствие высокой реакционной способности и большой величины поверхностной энергии, обусловленной значительной долей поверхностных атомов, отдельные ультрадисперсные частицы объединяются в конгломераты (кластеры), минимизируя при этом свободную энергию системы.
Таким образом, при рассмотрении такого рода частиц должны преобладать три аспекта: состояние поверхности, энергонасыщенность и морфология. Это в конечном итоге должно определять области применения данного материала.
В последнее время различным проблемам получения, изучения свойств и применения ультрадисперсных материалов (УДМ) посвящено достаточно много исследований.
Методы получения УДМ заключаются в реализации переходов «газ – жидкость – твёрдое», «жидкость – твёрдое» или «газ – твёрдое» в сильнонеравновесных условиях. Этими методами получают ультрадисперсные металлы и неметаллы.
В нашей стране первые сведения в данной области, относящиеся к ультрадисперсным металлам, представлены в работах Морохова
[1-4], Петрова [5] и Тананаева [6, 7]. В них было установлено, что материалы, состоящие из ультрадисперсных частиц, характеризуются сочетанием необычных механических, магнитных, оптических и ряда других свойств и существенно отличаются от свойств тех же материалов в массивном состоянии [1-8]. Из последних работ следует отметить монографии Гусева и Ремпеля по изучению нанокристаллических материалов [9], Валиева и Александрова [10], Андриевского [11] и Сергеева [12].
Практически одновременно начались исследования и по получению ультрадисперсных неметаллов. В частности, в настоящее время наиболее активно развиваются несколько новых направлений в области исследования таких аллотропных модификаций углерода, как алмазных плёнок, осаждаемых из газовой фазы [13], ультрадисперсных частиц углерода и алмаза [14] и углеродных молекулярных кристаллов – фуллеренов [15].
В течение последних 20 лет проводятся интенсивные исследования детонационных наноалмазов детонационного синтеза (ДНА). Они образуются в процессе детонации из атомов углерода взрывчатых веществ. Все исследования в области детонационных наноалмазов можно условно разделить на четыре отдельных направления. К первому направлению относятся исследования по изучению механизма образования ДНА с целью повышения выхода и совершенствования процесса синтеза. Ко второму – исследования по выделению алмазной фазы из конденсированных продуктов взрыва. К третьему направлению следует отнести исследования свойств ДНА. Четвёртым направлением в разработке проблемы ДНА является изучение областей их возможного применения, что базируется на детальном изучении свойств данного материала и относится к области создания новых композиционных материалов. В данном обобщении рассматриваются только свойства ДНА.