ИССЛЕДОВАНИЕ УПРУГИХ СВОЙСТВ И ТВЕРДОСТИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Аннотация
В работе исследованы упругие свойства и прочностные характеристики углеродных материалов, полученных на основе производных фаз 3D-полимеризованного фуллерита, а также керамических материалов на основе карбида бора и фуллерена C60. Использовали метод горячего прессования в камерах типа "Тороид", варьируя операционное давление, время и температуру спекания. Были разработаны методики синтеза таких материалов с применением катализаторов на основе сероуглерода СS2 и тиофена С4H4S. Для исследования упругости использовали ультразвуковой метод длинного импульса на частотах 10 ··· 50 МГц. При комнатной температуре были измерены фазовые скорости объемных акустических волн продольного и сдвигового типов, значения которых были затем использованы для расчёта модулей упругости и коэффициента Пуассона (в изотропном приближении). Экспериментально исследованы твердость (для индентирования использовали пирамиду Виккерса) и трещиностойкость образцов, синтезированных в различных условиях. Показано, что увеличение операционного давления приводит к улучшению упругих свойств керамик составов B4C и 50% B4C&50% С60, синтезированных с применением катализаторов, при этом лучшие результаты получены с использованием сероуглерода. Сравнение керамик B4C, синтезированных с использованием катализаторов и без них, показало, что применение катализатора улучшает трещиностойкость. Сравнение упругих свойств образцов фуллеритов показало, что получение более жестких материалов этого ряда, прежде всего, связано с увеличением давления, а не с увеличением температуры и продолжительности синтеза. Более высокие значения твердости как для керамик на основе B4C, так и фуллеритов хорошо коррелируют с увеличением модулей упругости.
Литература
Sundqvist B. Carbon under pressure. Phys. Rep. 2021. V. 909. P. 1-73. DOI: 10.1016/j.physrep.2020.12.007.
Pei C., Wang L. Recent progress on high-pressure and high-temperature studies of fullerenes and related materials. Matt. Rad. Extr. 2019. V. 4. N 2. P. 028201. DOI: 10.1063/1.5086310.
Popov M., Kulnitskiy B., Blank V. Superhard materials, based on fullerenes and nanotubes. Comprehens. Hard Mater. 2014. V. 3. P. 515–538. DOI: 10.1016/b978-0-08-096527-7.00057-x.
Kvashnina Y.A., Kvashnin A.G., Chernozatonskii L.A., Sorokin P.B. Fullerite-based nanocomposites with ultrahigh stiffness. Theoretical Investigation. Carbon. 2017. V. 115. P. 546-549. DOI: 10.1016/j.carbon.2017.01.028.
Tinder R.F. Tensor Properties of Solids, Part One: Equilibrium Tensor Properties of Solids. Synth. Lect. Eng. 2007. V. 2. N 1. P. 1-144. DOI: 10.2200/S00057ED1V01Y200712ENG04.
Yao M., Cui W., Du M., Xiao J., Yang X. Tailoring building blocks and their boundary interaction for the creation of new, potentially superhard, carbon materials. Adv. Mat. 2015. V. 27. N 26. P. 3962-3968. DOI: 10.1002/adma.201500188.
Blank V.D., Buga S.G., Dubitsky G.A., Serebryanaya N.R., Prokhorov V.M., Mavrin B.N. Synthesis of superhard and ultrahard materials by 3D-polymerization of C60, C70 fullerenes under high pressure (15 GPa) and tempera-tures up to 1820 K. Zeitschrift fur Naturforschung B. 2006. V. 61. N 12. P. 1547-1554. DOI: 10.1515/znb-2006-1211.
Popov M., Mordkovich V., Perfilov S., Kirichenko A., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Blank V. Synthesis of ultra-hard fullerite with a catalytic 3D polymerization reaction of C60. Carbon. 2014. V. 76. P. 250-256. DOI: 10.1016/j.carbon.2014.04.075.
Popov M., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Mordkovich V., Ovsyannikov D., Perfilov S., Borisova L., Blank V. Catalytic 3D polymerization of C60. Fuller., Nanotub. Carb. Nanostr. 2018. V. 26. N 8. P. 465-470. DOI: 10.1080/1536383X.2018.1448388.
Popov M., Alekseev M., Kirichenko A., Kulnitskiy B., Perezhogin I., Tyukalova E., Blank V. Catalytic depoly-merization of ultrahard fullerite. J. Mater. Res. 2015. V. 30. N 11. P. 1772–1778. DOI: 10.1557/jmr.2015.118.
Popov M., Gayazov R., Khadzhiyskiy F., Medvedev V., Krivtsun V., Kirichenko A. C60 three-dimensional polymerization by impulse heating effect. J. Appl. Phys. 2014. V. 115. N 15. P. 153506. DOI: 10.1063/1.4871777.
Kvashnina Y.A., Kvashnin A.G., Popov M.Y., Kulnitskiy B.A., Perezhogin I.A., Tyukalova E.V. Toward the ultra-incompressible carbon materials. Computational simulation and experimental observation. J. Phys. Chem. Lett. 2015. V. 6. P. 2147-2152. DOI: 10.1021/acs.jpclett.5b00748.
Ruoff R.S., Ruoff A.L. Is C60 stiffer than diamond? Nature. 1991. V. 350. P. 663-664. DOI: 10.1038/350663b0.
Popov M., Blank V., Perfilov S., Ovsyannikov D., Kulnitskiy B., Tyukalova E. Unique mechanical properties of fullerite derivatives synthesized with a catalytic polymerization reaction. MRS Commun. 2015. V. 5. P. 71-75. DOI: 10.1557/mrc.2015.4.
Ovsyannikov D.A., Popov M.Y., Perfilov S.A. High-hardness ceramics based on boron carbide fullerite deriva-tives. Phys. Solid State. 2017. V. 59. P. 327–330. DOI: 10.1134/S1063783417020214.
Annenkov M., Blank V., Kulnitskiy B., Larionov K., Ovsyannikov D., Perezhogin I., Popov M., Sorokin P. Boron carbide nanoparticles for high-hardness ceramics: Crystal lattice defects after treatment in a planetary ball mill. J. European Ceramic Soc. 2017. V. 37. P. 1349–1353. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2016.12.001.
Karaeva A.R., Zhukova E.A., Urvanov S.А., Senatulin B.R., Skryleva E.A., Mordkovich V.Z. Modification of surface of double wall carbon nano tubes by fullerene C60. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2016. V. 59. N 8. P. 12-20 (in Russian). DOI: 10.6060/tcct.20165908.27y.
Zeynalov E.B., Agaguseynova M.M., Salmanova N.I. Effect of nanocarbon additives on stability of polymer composites. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2020. V. 63. N 11. P. 4-12. DOI: 10.6060/ivkkt.20206311.6213.
Parkhomenko Y.N., Skryleva E.A., Sanakoev B.L., Serebryanaya N.R., Blank V.D., Buga S.G. Carbon bonds hybridization in fullerites studied by XPS. In: Nano-technologies in the Area of Physics, Chemistry and Bio-technology, Fifth ISTC SAC Seminar, St. Petersburg, 2002.
Popov M. Stress-induced phase transition in diamond. High Pres. Res. 2010. V. 30. P. 670-678. DOI:10.1080/ 08957959.2010.525510.
Gilman J.J. Chemistry and physics of mechanical hardness. John Wiley & Sons, Inc. 2009. DOI: 10.1002/9780470446836.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Kuznetsov M.S. Influence of the temperature and uniaxial pressure on the elastic properties of synthetic diamond single crystal. Proc. of the 2012 IEEE Ultrason. Symp. (Dresden, Germany, 7-10 Oct. 2012). P. 763-766. DOI: 10.1109/ULTSYM.2012.0190.
Telichko A.V., Erohin S.V., Kvashnin G.M., Sorokin P.B., Sorokin B.P., Blank V.D. Diamond’s third-order elastic constants: ab initio calculations and experimental investigation. J. Mater. Sci. 2017. V. 52. N 6. P. 3447–3456. DOI: 10.1007/s10853-016-0633-x.
Zhou Y., Yang L., Huang Y. Micro- and macromechanical properties of materials. Science Series: Advances in Materials Science and Engineering. Boca Raton: CRC Press. 2013. 620 p. DOI: 10.1201/b15525.
Blank V.D., Prokhorov V.M., Sorokin B.P. Second-order and third-order elastic constants of B4C ceramics. Phys. Solid State. 2014. V. 56. P. 1574–1578. DOI: 10.1134/ S1063783414080046.
