Введение к работе
Актуальность работы
Углеродные материалы (УМ) благодаря уникальному сочетанию химических, физико-механических, тепловых, электрических и магнитных свойств, нашли широкое применение в металлургии, химическом машиностроении, атомной энергетике и различных областях спецтехники.
До недавнего времени было известно, что углерод образует три основные модификации: графит, алмаз и карбин. Открытие новых форм углерода типа фуллеренов, нанотрубок и наночастиц, позволило по-новому взглянуть на химию углерода. Основным структурным элементом нанотрубок и наночастиц является графеновый слой. В случае многослойных нанотрубок графеновые слои образуют коаксиальные цилиндры. Внешний диаметр нанотрубок составляет единицы или десятки нанометров, а длина нанотрубок может достигать нескольких микрон. В случае наночастиц графеновые слои образуют многослойные структуры, которые могут иметь форму многогранника или сферы. Размеры наночастиц примерно такого же порядка, что и диаметр нанотрубок. Расстояние между графеновыми слоями в нанотрубках и наночастицах примерно 0.344 нм, что является типичным для УМ с турбостратной структурой.
Создание эффективных технологий получения и очистки нанотрубок дало возможность рассматривать эти объекты как основу для широкого круга прикладных разработок Наиболее широко для получения углеродных нанотрубок используется метод, основанный на испарении графитового электрода в дуге постоянного тока в атмосфере буферного газа (гелий, водород и др.). При дуговом разряде на катоде
-2-образустся стержнеобразныи осадок, в центре которого находятся нанотрубки. Существуют также методы получения нанотрубок, в основе которых лежит испарение графитовой мишени лазерным излучением или разложение утлеродосодержащих веществ в присутствии катализаторов (никель, кобальт и т.п.). Дальнейшее совершенствование технологии производства и оценка перспективности применения новых форм углерода невозможна без детального изучения их структуры и ее взаимосвязи с условиями получения.
В последнее время для характеристики структуры УМ наряду с другими методами широко используются результаты измерения электронных свойств: диамагнитной восприимчивости (ДМВ), электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), электропроводности, гальваномагнитных свойств и др. Анализ измерений электронных свойств позволяет давать количественную оценку совершенству структуры УМ на различных уровнях. В ряде случаев электронные свойства могут быть использованы как уникальный метод контроля качества продукции.
За время, прошедшее с момента открытия нанотрубок, в литературе появилось достаточно большое колігчєство работ, посвященных изучению магнитных свойств этой новой формы углерода. Однако только недавно удалось объяснить максимальную после сверхпроводников величину ДМВ многослойных углеродных нанотрубок и описать температурную зависимость магнитной восприимчивости благодаря использованию зонной модели квазвдвумерного графита (КДГ) [1, 2J. Ранее зонная модель КДГ была успешно применена для оценки типа и концентрации дефектов в различных УМ с турбостратной структурой [3-5].
Цель работы заключалась в развитии подходов для оценгаї дефектности в многослойных углеродных нанотрубках и наночастицах на основании измерения их магнитных свойств и в определении влияния технологических факторов получения и условии дополнительной термической обработки на структуру нанотрубок.
Научная новизна работы может быть сформулирована в виде основных положений выносимых на защиту:
полученные в диссертационной работе результаты и сделанные выводы расширяют представления об электронной структуре новых форм углерода и подтверждают применимость зонной модели квазидвумерного графігта для описания магнитных свойств многослойных углеродных нанотрубок и наночастиц в широком диапазоне температур;
выявленные особенности анизотропии магнитных свойств нанотрубок позволяют определять ігх преимущественную ориентацию как в макрообразцах так и в микрообъемах;
предложено оценивать тип и концентрацию дефектов в нанотрубках и наночастицах на основании анализа температурной зависимости диамагнитной восприимчивости и сигнала ЭПР;
показано, что результаты магнитных измерений могут быть использованы для оценки концентрации атомов бора, растворенных в графеновых слоях углеродных нанотрубок;
на основании измерений диамагнитной восприимчивости и сигнала ЭПР была установлена большая дефектность нанотрубок, полученных с помощью разложения полиэтилена в присутствии никеля, по сравнению с нанотрубками, полученными методом дугового разряда;
установлено, что при получении нанотрубок методом дугового разряда повышение давления гелия и уменьшение тока дуги приводит, с одной стороны, к увеличению доли нанотрубок, а, с другой стороны, к росту концентрации внутрислоевых дефектов в нанотрубках;
показано, что для получения однородной по структуре центральной части катодного осадка с совершенными нанотрубками необходимо оптимальное расстояние между графитовыми электродами;
на основании; анализа анизотропии диамагнитной восприимчивости установлено, что изменение технологических параметров метода дугового разряда (давление гелия, ширина разрядного промежутка) позволяет варьировать ориентацию нанотрубок в катодных осадках.
Практическая ценность результатов работы:
Предложены рекомендации по оптимизации технолопш получения многослойных углеродных нанотрубок. Рекомендации были использованы в Институте проблем химической физики РАН (пос. Черноголовка) для получения катодных осадков с большой долей нанотрубок и с низким уровнем дефектности последних (акт об использовании прилагается).
Предложены условия получения нанотрубок методом разложения углеводородов в присутствии катализатора и параметры термохимической очистки таких нанотрубок от катализатора. Данные рекомендации используются в НИИграфите при отработке технологии изготовления нанотрубных сорбентов (акт об использовании прилагается).
Полученные в настоящей работе результаты могут быть применены для создания нанотрубок с заданными магнитными и электрическими свойствами, а также для разработки методов контроля качества продукции на основе нанотрубок.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на:
Ш-ей научно-практической конференции "Углеродные материала" (Новокузнецк, 1996);
26th Biennial Conference on Carbon (Pensilvania, USA, 1997);
Международной конференции "Фуллерены и атомные кластеры", "IWFAC-97" (С.Петербург, 1997);
Joint International Meeting ECS & ISE (Paris, France, 1997);
V-ой научно-практической конференции "Углеродные материала" (Новокузнецк, 1998);
Science and Technology of Carbon (Strasbourg, France, 1998);
Международной конференции "Фуллерены и атомные кластеры", "IWFAC-99" (С.Петербург, 1999);
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 8 печатных работах.
Структура н объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов. Работа содержит 163 страницы машинописного текста, включая 48 иллюстраций, 12 таблиц, список использованных источников из 147 наименований и 2-х приложений.
