Труды КНЦ вып.9 (ХИМИЯ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ вып. 1/2018(9) часть 1)

Наноуглеродные пленочные и композитные материалы представляют значительный интерес для различных областей науки и техники. Для получения таких материалов используются разнообразные методы. В частности, одним из наиболее эффективных является метод получения композитных структур и пленок путем осаждения углерода на подложки из газовой среды, активированной плазмой вакуумно-дугового разряда. В данной работе рассматривается возможность получения углеродных наноматериалов методом плазменно- стимулированного осаждения, когда в зону осаждения поступает поток возбужденного и ионизированного низкотемпературной плазмой углеродосодержащего газа. При этом в качестве низкотемпературной плазмы используется плазма вакуумно-дугового разряда, горящего в парах графитового катода. Технология отрабатывалась на модернизированной вакуумной установке «ВУ-1Б». В качестве углеродосодержащего газа использовался ацетилен. Сформировав поток углеродной плазмы с графитового катода и используя его для разложения углеводородов, в различных режимах можно получать различные комбинации углеродных наноструктур, в том числе и пироуглерода, при значительно более низких температурах разложения и при более высоких скоростях конденсации. В качестве варьируемых параметров использовались температура подложки, давление газа в камере, ток вакуумной дуги, напряжение смещения на подложке и др. В качестве практического применения результаты исследований были использованы для получения углеродных сорбентов для очистки воды от тяжелых металлов и радионуклидов и для нанесения пироуглерода в качестве антиэмиссионного покрытия на сетки мощных генераторных ламп. Структура формируемых углеродных композитов зависит от природы углеводорода. Следует отметить, например, существенное различие процесса образования композитов из метана и ацетилена. Для метана энергия активации образования зародышей (317,2 кДж/моль) значительно больше энергии активации роста кристаллитов (226,8 кДж/моль), в результате чего средние размеры кристаллитов с повышением температуры быстро уменьшаются. Для ацетилена эти энергии (143,4 и 132,6 кДж/моль) незначительно различаются, что соответствует малой зависимости средних размеров кристаллитов от температуры. Зависимость среднего размера кристаллита для метана и ацетилена в интервале температур 600-1300 °С выражается формулами (1) и (2) соответственно [1]: La = 7,7-10-8exp (45200 / RT), (1) La = 29 10-8exp (5450 / RT), (2) где La — средний размер кристаллита, см; Т — температура, К; R — универсальная газовая постоянная — 8,31 Дж/(мольК). Специфика графита такова, что конденсат, в зависимости от условий его получения, может различаться по структуре и свойствам. Электронно-микроскопические исследования конденсата позволили установить, что материал представляет собой смесь нанотрубок, графита и пироуглерода. На рисунке 1 представлена фотография микроструктуры нанотрубок (х 90000), полученная на просвечивающем электронном микроскопе “JEM-100CX”, и соответствующая им микродифракционная электронограмма, снятая с нескольких нанотрубок, поэтому кольцо (002) представлено в виде дужек. Отсюда межслоевое расстояние нанотрубок d002 = 0,3354 нм, что соответствует кристаллическому графиту. Диаметр нанотрубок находился в пределах от 10 нм до 100 нм. Кроме того, на рис. 1 помимо нанотрубок видны отдельные полиэндрические частицы размером 70 нм и меньше. На рисунке 2 представлена фотография микроструктуры полиэндрических микродисперсных частиц (х 90000) и соответствующая им микродифракционная электронограмма. Межслоевое расстояние полиэндрических частиц d002= 0,344-0,346 нм. Диаметр частиц лежит в пределах от 10 до 40 нм. Количественные оценки показали, что в общем объеме исследуемого материала содержится приблизительно 20 % нанотрубок, остальное — мелкодисперсные полиэндрические частицы углерода с турбостратной структурой. На рисунке 3 Представлена фотография структуры частицы (х 18000) и микродифракционная электронограмма, снятая с более светлой частицы в середине фото. Материал представляет собой частицы и агрегаты частиц диаметром от 0,1 до 2,0 мкм. Межслоевое расстояние у снятой частицы d002= 0,346 нм, что может соответствовать структуре пироуглерода, обнаруженного и на сканирующем электронном микроскопе. Рис. 1. Электронно­ микроскопическое изображение нанотрубки Рис. 2. Фотография микроструктуры полиэндрических частиц Рис. 3. Электронно­ микроскопическое изображение пироуглерода 54