Введение к работе
Актуальность работы. В 1990 году была открыта молекулярная форма углерода, названная фуллереном. Комплекс его уникальных свойств привлекает большое внимание исследователей. Фуллерены являются нано-объектами и характеризуются высокоорганизованной стабильной структурой, что достигается в результате самоорганизации углеродных кластеров вдали от термодинамического равновесия с переходом от плоских кластеров к объемным и затем к замкнутым полым сферам, как наиболее устойчивым геометрическим объектам.
На международном семинаре "Фуллерены и атомные кластеры" (IWFAC-95) выделены следующие перспективные направления использования фуллеренов: синтез алмазов и других сверхтвердых материалов; новые типы ферромагнетиков, сверхпроводников и сегнетоэлектриков; новые фул-лереносодержащие полимеры; новые адсорбенты и катализаторы; принципиально новые медицинские препараты; экологически чистые источники тока. Новым направлеігаем в материаловедении следует считать также создание конструкционных материалов, содержащих фуллерены. В Институте металлургии им. А.А. Байкова ведутся исследования по изучению физико-химических основ объемного легирования сплавов железа углеродными кластерами и фуллеренами. В связи с этим следует отметить также перспективность исследования фуллереновых структур в природных углеродсодержа-щих материалах (шунгитах) и углеродсодержаших сплавах.
Одним из методов получения фуллеренов является термическое испарение графита с последующим осаждением продуктов испарения на охлаждаемую подложку. В данном случае в результате возникновения градиента температур реализуются неравновесные условия, необходимые для самоорганизации углеродных кластеров и их эволюции.
При кристаллизации, цементации и др. физико-химических процессах,
4 связанных с неравновесными условиями, возникающими при наличии гради-
е?гга температур и химического состава, также возможна самоорганизация
фуллеренов, однако этот вопрос еще не изучен.
Целью работы является изучение возможности самоорганизации фуллеренов в углеродистых сплавах на основе железа при кристаллизации и цементации, связанной с технологическим процессом пиролиза.
В связи с этим решались следующие задачи:
L) разработка методик выделения фуллеренов из структуры железоуглеродистых сплавов и поверхностного науглероженного слоя металла труб печей пиролиза;
2) теоретическое обоснование возможности образования фуллеренов при кристаллизации и науглероживании поверхности труб печей пиролиза сплавов на основе железа;
,. 3) проведение масс-, ИК-спектрального анализа, малоуглового рассеяния рентгеновских лучей полученных проб и интерпретация спектров;
4) создание модели самоорганизации фуллеренов в углеродистых сплавах на основе железа в неравновесных условиях.
Научная новизна:
1) в структуре железо-углеродистых сплавов и науглероженноадслое
металла труб печей пиролиза с использованием разработанной методики экс
периментально показано наличие фуллеренов G-60; , .
2) установлена графическая зависимость процентного содержания
фуллеренов в сплаве от процентного содержания углерода;
-
расчеты критического размера зародыша при кристаллизации с использованием одного из корней обобщенной золотой пропорции и традиционным методом показали, что фуллерены могут являться центрами кристаллизации для атомов железа;
-
предложена модель самоорганизации фуллеренов в, сплавах железа в условиях, далеких от равновесия.
5 Научная и практическая ценность. Экспериментальные данные и
созданная фуллеренная модель образования структуры железо-углеродистых сплавов при первичной кристаллизации и цементации уточняют уже сложившиеся представления о взаимодействии железа и углерода и объясняет процесс образования дефектов кристаллического строения.
Практической ценностью работы является использование полученных результатов в учебном процессе УПГТУ и внедрение в Институт проблем сверхпластичности РАН разработанной методики выделения фуллеренов из структуры сплавов на основе железа для изучения условий их образования.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на: всесоюзном симпозиуме "Синергетика, структура и свойства материалов, самоорганизующиеся технологии", посвященном 100-летию со дня рождения члеи-корреспондента АН СССР И.А. Одинга, Москва, PIMET РАН, 1996 (12-14.11.96), открытом семинаре УГНТУ (30.12.96), семинаре в Институте проблем сверхиластичности материалов РАН (3.04.1997), XXXXV, XXXXVI, XXXV11 и XXXV1I1 научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Уфа, УГНТУ (1994-1997), 51-й межвузовской студенческой научной конференции "Нефть и газ-97", Москва, ГАНГ им. И.М. Губкина (22-24.04.1997).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 9 печатных работах.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованных источников из 102 наименований, изложена на 138 страницах машинописного текста, содержит 69 рисунков, 38 таблиц и приложение.
