Отделение пленок SiO2 от поверхности кремниевых нановолокон с использованием высокотемпературной вакуумной установки

А. В. Исаков, М. В. Лаптев, А. О. Худорожкова, А. С. Шмыгалев, А. П. Аписаров. 

АННОТАЦИЯ

Перспективной задачей в энергетической сфере является разработка высокоемких литий-ионных аккумуляторов (ЛИА). Использование кремниевых волокон в качестве анода позволит еще больше увеличить емкость используемых батарей. Однако при этом возникает необходимость получения кремния, свободного от образующегося на поверхности оксида, поскольку наличие кислорода сильно снижает емкость анодного материала ЛИА. В данной работе предложен метод очистки кремниевых нановолокон, полученных электролизом расплавленных солей, от оксидной пленки в реакции с фторидом аммония. Очистку осуществляли с использованием вакуумной установки, созданной авторами. Разработана методика подготовки шихты к очистке и дальнейшему анализу. Кремниевые нановолокна получены электролизом расплава KF-KCl-K2SiF6-SiO2. Химический состав исследован с помощью микрорентгеноспектрального анализа, сопряженного с электронной микроскопией, и методом масс-спектроскопии. Структура и морфология осадков кремния исследована методами электронной микроскопии и рентгеновской дифракции. Показана принципиальная возможность удаления оксидной пленки с поверхности кремниевых нановолокон. Для очистки были использованы шихты Si-NH4F с мольными соотношениями 1/1, 1/0.123 и 1/0.49. Определены состав смеси Si-NH4F и температура, при которых процесс очистки происходит наиболее полно. Рассмотрены термодинамические вероятности протекания химических реакций кремния с фторидом аммония. В ходе исследования установлен механизм взаимодействия фторида аммония с поверхностным оксидным слоем кремниевых нановолокон. Взаимодействие оксидной пленки кремния с фторидом аммония в условиях эксперимента протекает с образованием фазы гексафторсиликата аммония и легколетучих компонентов – аммиака и водяного пара. Определены массовые соотношения кремния и кислорода в очищенных волокнах. Установлено, что увеличение этого соотношения является показателем улучшения очистки поверхности кремния от кислорода. Обработка катодного осадка кремния предложенным способом с использованием высокотемпературной вакуумной отгонки является эффективным методом очистки поверхности кремния от оксидсодержащих соединений, образующихся на его поверхности.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

расплавы солей, гексафторсиликат калия, кремниевые нановолокна, электролиз, высокотемпературное вакуумирование.

DOI: 10.31857/S0235010622060056

Термодинамика взаимодействия хлорида кадмия с расплавом LiCl–KCl методом ЭДС

В. Г. Колясников, А. М. Потапов, В. Ю. Шишкин, А. Е. Дедюхин, Ю. П. Зайков. 

АННОТАЦИЯ

Расплавленная эвтектическая смесь LiСl-KCl является перспективной средой для проведения многих высокотемпературных электрохимических процессов рафинирования, разделения, электрокристаллизации и др. Она обладает низкой температурой плавления, невысокой коррозионной активностью и достаточно широким электрохимическим окном. Последовательность растворения и выделения металлов в электролитах определяется их электрохимическими потенциалами.

Объектом исследования являются растворы CdCl2 в расплавленной эвтектике LiCl-KCl. Хлорид кадмия рассматривается как перспективный агент для хлорирования в расплаве.

Цель работы – оценить термодинамические параметры взаимодействия хлорида кадмия с расплавом LiCl-KCl: экспериментально измерить равновесные электродные потенциалы кадмия в расплавленной эвтектике LiCl-KCl при содержании хлорида кадмия от 0.25 до 20 мол. % в температурном интервале от 450 до 550°C, используя метод э.д.с., рассчитать значения условных стандартных электродных потенциалов кадмия в вышеупомянутой среде и определить температурную зависимость изобарно-изотермического потенциала.

Показано, что с увеличением концентрации CdCl2 и повышением температуры равновесные потенциалы кадмия в расплавленной эвтектике LiCl-KCl сдвигаются в более положительную область.

Получены эмпирические уравнения изотрем электродных потенциалов. По наклону изотерм установлено, что валентность катионов кадмия в расплавленной эвтектике LiCl-KCl равна двум.

Результаты расчета показали, что в интервале температур 450–550°С значения энтальпии и энтропии реакции образования хлорида кадмия в расплаве LiCl-KCl равны: ΔH = −382.63 кДж/моль; ΔS = −119.66 Дж/моль К.

Энергия Гиббса реакции образования хлорида кадмия в расплаве LiCl-KCl возрастает с ростом температуры.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

равновесные потенциалы, условный стандартный потенциал,  метод эдс, хлорид кадмия.

DOI: 10.31857/S023501062206007X

Кинетика переноса заряда редокс-пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве CsCl–CsF в присутствии катионов щелочноземельных металлов

Д. А. Ветрова, С. А. Кузнецов. 

АННОТАЦИЯ

Методом циклической вольтамперометрии изучена редокс-реакция Ti(IV) + e– ↔ Ti(III) в расплаве CsCl-CsF(10 мас. %)-K2TiF6 с добавками катионов щелочноземельных металлов (Mg2+, Ca2+, Sr2+ и Ba2+). Установлена область квазиобратимости процесса перезаряда комплексов титана и определены стандартные константы скорости переноса заряда для редокс-пары Ti(IV)/Ti(III) в расплавах на основе CsCl-CsF(10 мас. %)-K2TiF6 с добавками катионов щелочноземельных металлов. Показано, что стандартные константы скорости переноса заряда не зависят от скорости поляризации и возрастают с увеличением температуры. Значения стандартных констант скорости переноса заряда возрастают по мере увеличения мольного отношения катионов щелочноземельного металла к титану вплоть до определенного отношения Me2+/Ti(IV), а затем уменьшаются при дальнейшем возрастании концентрации катионов Me2+ в расплаве. Установлено, что константы скорости переноса заряда возрастают с увеличением ионного потенциала (отношение заряда к ионному радиусу)  катиона добавки, достигая максимального значения для комплексов с внешнесферными катионами магния, причем данная зависимость является прямолинейной. Рассчитаны энергии активации процесса переноса заряда в расплавах с добавками катионов щелочноземельных металлов, полученные значения существенно ниже энергии активации исходной системы CsCl-CsF(10 мас. %)-K2TiF6. Показано, что стандартные константы скорости переноса заряда уменьшаются, а значения энергии активации увеличиваются при переходе от расплава на основе эквимолярной смеси NaCl-KCl к расплавам KCl-KF и CsCl-CsF как без добавок катионов щелочноземельных металлов, так и с ними.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

расплавы, циклическая вольтамперометрия, комплексы титана, редокс-пара, квазиобратимый процесс, стандартные константы скорости переноса заряда.

DOI: 10.31857/S0235010622060135

Локальная структура расплава фторида лития. II. Расчет структурных факторов методами ab initio и классической молекулярной динамики

М. А. Кобелев, Д. О. Закирьянов, Н. К. Ткачев. 

АННОТАЦИЯ

Проведены расчеты парциальных структурных факторов расплава фторида лития, находящегося при температуре 1200 К тремя методами: ab initio и классической молекулярной динамики, а также в рамках модели заряженных твердых сфер в среднесферическом приближении. Показано, что несмотря на общую топологию рассчитанных парциальных структурных факторов для всех трех методов, ключевой особенностью результатов компьютерного моделирования является отсутствие плеча на правой стороне первого пика катион-катионного структурного фактора. Высказано предположение, что наблюдаемое различие можно связать с мягкостью отталкивательной ветви парного потенциала по Букингему в случае классической модели при молекулярно-динамическом расчете. Вычисления, проведенные с помощью первопринципной молекулярной динамики, также подтверждают это заключение. Результаты расчета структурного фактора плотность-плотность методами компьютерного моделирования демонстрируют наличие двух максимумом, лежащих при k ≈ 2.4 Å-1 и k ≈ 4.4 Å-1, соответственно. В то же время, в рамках модели заряженных твердых сфер наблюдается один максимум при k ≈ 3.5 Å-1 и небольшое плечо слева, положение которого совпадает с первым максимумом, полученным методами компьютерного моделирования. Наблюдаемые различия можно связать с тем, что рассчитанная кривая парциального структурного фактора катион-анион в рамках модели заряженных твердых сфер имеет более высокую амплитуду в окрестности волнового вектора ≈ 3.5 Å-1.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

структурные факторы, расплав фторида лития, молекулярная динамика, теория функционала плотности

DOI: 10.31857/S0235010622060068

О. В. Поспелова. Конференция “Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов” и вклад академика РАН Н.А. Ватолина в ее организацию и проведение

О. В. Поспелова.

     На протяжении сорока лет Институт металлургии УрО РАН являлся организатором и служил местом проведения Всероссийской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» («МиШР»). Важную и активную роль в учреждении и проведении этой конференции сыграл академик РАН Н.А. Ватолин. В конце 1960-х гг. при Отделении физикохимии и технологии неорганических материалов АН СССР был создан Научный совет по физико-химическим основам металлургических процессов, в составе которого в 1971 г. была создана секция «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов». Эта секция была одной из ведущих, в нее входил ряд кафедр и лабораторий научных учреждений СССР, занимавшихся вопросами исследования жидких металлов. В первые годы работы секции было проведено два всесоюзных тематических семинара по расплавам – в г. Свердловске (на туристической базе «Коуровка» под г. Первоуральском Свердловской области) и в г. Львове УССР (на туристической базе в Закарпатье). Семинары сопровождались оживленными дискуссиями ученых по структурным особенностям и свойствам расплавов, в том числе по структуре ближнего порядка в металлическом расплаве, и показали не только творческую активность исследователей, но необходимость и возрастающую потребность проведения встреч на более масштабном уровне.

   Будучи председателем секции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов», член-корреспондент АН СССР, директор Института металлургии УНЦ АН СССР Н.А. Ватолин выступил на заседании бюро секции с предложением проведения ]в г. Свердловске специализированной конференции всесоюзного значения, целенаправленно посвященной широкому кругу научных проблем и вопросам исследований в области физикохимии расплавов. Эта идея была поддержана и в 1974 г. по инициативе Н.А. Ватолина в г. Свердловске во Дворце культуры «Урал» с большим успехом была проведена первая Всесоюзная конференция «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов». Конференция проводилась на протяжении трех дней, с 09 по 11 сентября, и была приурочена к 70-летнему юбилею Заслуженного деятеля науки и техники РСФСР, профессора, основоположника крупной уральской школы по изучению физико-химических основ металлургических процессов Олега Алексеевича Есина.

    Организаторами конференции выступили секция «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» Научного совета АН СССР по физико-химическим основам металлургических процессов, Институт металлургии УНЦ АН СССР и Уральский политехнический институт им. С.М. Кирова. Конференция открылась вступительным словом председателя Организационного комитета, члена-корреспондента АН СССР, директора Института металлургии УНЦ АН СССР Н.А. Ватолина, который отметил основные достижения и трудности в области изучения физикохимии металлических и шлаковых расплавов и сформулировал основные задачи, стоящие перед исследователями. В день открытия конференции было заслушано четыре пленарных доклада, с которыми выступили профессор О.А. Есин и трое его учеников (члены-корреспонденты АН СССР Н.А. Ватолин и П.В. Гельд, д.т.н. С.И. Попель). Далее работа конференции проходила по секциям, на заседаниях которых были представлены доклады, затрагивающие различные теоретические и практические аспекты исследований металлических и шлаковых расплавов. В конференции приняло участие около 200 человек из 25 городов союзных и автономных республик (научные сотрудники академических и отраслевых НИИ, высших учебных заведений, инженеры-производственники). Первая конференция показала, что у нее есть большие перспективы для дальнейшего развития. В связи с этим, на заключительном пленарном заседании было принято решение о целесообразности ее проведения с периодичностью раз в два-три года, а между конференциями всесоюзных семинаров по отдельным вопросам исследований.

     Конференция «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» проводилась регулярно на протяжении сорока одного года – с 1974 по 2015 год. Всего было проведено семь Всесоюзных (1974,1976,1978,1980, 1983, 1986 и 1990 гг.) и семь Всероссийских конференций (1994, 1998, 2001, 2004, 2008, 2011 и 2015 гг.) «МиШР». Большая часть конференций проводилась в сентябре – в месяц рождения профессора О.А. Есина. Три конференции «МиШР» были проведены в память о нем, как дань уважения и признательности этому родоначальнику изучения физико-химических свойств расплавов на Урале и в Институте металлургии УрО РАН. В 1980 г. IV Всесоюзная конференция была посвящена памяти О.А. Есина, скончавшегося 13 февраля 1979 г., в 1994 г. VIII Всероссийская конференция была приурочена к его 90-летнему юбилею, а в 2004 г. XI Всероссийская конференция проводилась в честь 100-летия со дня его рождения. На открытии XI конференции с пленарными докладами, посвященными О.А. Есину, выступили его ученик – д.т.н., профессор С.И. Попель и его дочь, к.х.н. Н.О. Есина, которая подготовила интересные воспоминания о своем отце, рассказала о малоизвестных эпизодах его жизни и человеческих качествах.

      Академик РАН Н.А. Ватолин на протяжении всех лет проведения конференции «МиШР» являлся бессменным председателем Организационного комитета. В разные годы его заместителями были: чл.-корр. АН Киргизской ССР В.Ф. Ухов, члены-корреспонденты РАН Э.А. Пастухов и Г.П. Вяткин, доктора технических наук Б.М. Лепинских и А.И. Сотников. Учеными секретарями конференции были доктора физико-математических наук Б.Р. Гельчинский, В.А. Полухин, В.П. Бескачко, кандидаты физико-математических наук А.А. Юрьев и В.А. Крашанинин. В работе Организационного комитета конференции принимали участие ученые из ведущих советских и российских научных центров, академических институтов, ВУЗов, НИИ и производственных предприятий

  Каждая конференция «МиШР» открывалась вступительным словом постоянного председателя Оргкомитета академика РАН Н.А. Ватолина. На пленарных заседаниях и тематических секциях участники выступали с докладами, представляющие результаты теоретических и экспериментальных исследований фундаментальных проблем металлических и шлаковых систем. На заключительных пленарных заседаниях руководители секций подводили итоги и выделяли наиболее интересные результаты по каждому направлению исследований. В конференции участвовали не только ведущие ученые-металлурги и физико-химики страны, преподаватели высших учебных заведений, но и молодые специалисты, аспиранты. Материалы конференции ранее издавались в виде сборников научных сообщений, а впоследствии – тезисов и сборников трудов. Тезисы научных докладов печатались без редактирования по авторским оригиналам и публиковались при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Академик РАН Н.А. Ватолин, будучи членом Совета РФФИ способствовал не только оказанием РФФИ финансовой поддержки проведения конференции с 1998 г., но и опубликования тезисов научных сообщений, являлся председателем редакционной коллегии. Д.ф-м.н. Б.Р. Гельчинский, ученый секретарь конференции с 1976 по 1980 год и член Оргкомитета конференции, был ответственным за выпуск сборника трудов.

      Учреждение и проведение конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» («МиШР») по праву является одной из выдающихся среди многочисленных заслуг академика РАН Н.А. Ватолина, как организатора науки. Все свои силы, душу и организаторский талант вкладывал Николай Анатольевич в проведение конференции. Благодаря его умелому руководству конференция на протяжении нескольких десятилетий не теряла своей актуальности, отличалась большой активностью участников и проводилась на высоком научно-организационном уровне, являясь значимым событием в жизни Института металлургии УрО РАН и в российской металлургической науки в целом. На конференции рассматривались современные исследования и достижения в области физикохимии металлических, полупроводниковых и шлаковых расплавов, аморфных материалов и квазикристаллов, затрагивались вопросы взаимосвязи жидкого, кристаллического, нанокристаллического и аморфного состояний, конденсированного состояния вещества, взаимодействия шлаковых и солевых расплавов с металлом. Конференция способствовала совершенствованию проводимых исследований и распространению новых знаний, обмену мнениями и опытом по решению научных проблем, установлению научного сотрудничества и контактов, согласованию подходов различных школ и направлений, созданию новых технологий в металлургии.

        Последнюю конференцию «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» под своим руководством академик РАН Н.А. Ватолин провел в сентябре  2015 г. Спустя шесть лет – в сентябре 2021 г. в Институте металлургии УрО РАН под председательством директора, академика РАН А.А. Ремпеля и доктора физ.-мат. наук Б.Р. Гельчинского, была проведена конференция «Melts», которая явилась своеобразным наследием конференции «МиШР» и прошла с участием зарубежных специалистов – в статусе международного научного форума. Новая конференция дала надежду, что будет оставаться важным событием в сообществе металлургов–физико-химиков, открывая широкие возможности для исследователей и продолжая идеи академика РАН Н.А. Ватолина, будучи, посвященной его памяти.

Журналу “Расплавы” – 35 лет

  Журнал РАН «Расплавы», созданный еще в СССР, посвящен проблемам высокотемпературной физической химии и электрохимии металлических, оксидных и солевых расплавов, способствует развитию отечественной фундаментальной науки, выявляя новые научные идеи, доводит до читателей результаты новейших экспериментальных и теоретических исследований структуры, физико-химических свойств, термодинамики расплавов, строения границ расплавов с твердой, жидкой и газообразной фазами, процессов, протекающих на этих границах при производстве черных, цветных и редких металлов; результаты физического и компьютерного моделирования жидких, аморфных и наноматериалов.

    Журнал входит в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, включённых в список изданий, рекомендуемых для опубликования основных научных результатов диссертации на соискание ученой степени. Индексируется в ядре РИНЦ, а также входит в список ведущих российских журналов RSCI, отобранных совместно с Web of Science. Будучи партнером журнала «Russian Metallurgy (Metally), порядка 70% статей журнал «Расплавы» успешно издает на английском языке и эти статьи индексируются в международных системах Scopus, Google Scholar, ChemWeb, Premium Collection, ProQuest Technology Collection и др.

    Журнал оперативно реагировал на глобальные вызовы, запросы научного сообщества и приоритеты Стратегии научно-технологического развития РФ, предвосхищал и апробировал тематики Федеральных научно-технических программ. Последние годы стали регулярно публиковаться большие обзорные статьи по актуальным проблемам тематики журнала.

  Предмет особой гордости и заботы редакционной политики журнала – программа поддержки молодых учёных. Созданы условия для оперативной публикации статей для подготовки диссертационных работ аспирантов и соискателей.

   Журнал активно расширяет географию международного сотрудничества, как в составе редакционной коллегии, так и в перечне иностранных авторов. Журнал стал соорганизатором крупных российских и международных научных мероприятий, публикуя статьи по материалам докладов конференций различного уровня.

   Уважаемые коллеги! Мы уверенно смотрим в будущее и надеемся на продолжение сотрудничества с Вами в решении нового круга задач!

    Мы желаем Вам крепкого здоровья, творческих успехов и ярких научных результатов на благо нашей великой Родины! А журналу «Расплавы» – процветания!

Журнал «РАСПЛАВЫ» №6, ноябрь – декабрь 2022

С О Д Е Р Ж А Н И Е 

Журналу “Расплавы” – 35 лет   553
О. В. Поспелова. Конференция “Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов” и вклад академика РАН Н.А. Ватолина в ее организацию и проведение   554-556
М. А. Кобелев, Д. О. Закирьянов, Н. К. Ткачев. Локальная структура расплава фторида лития. II. Расчет структурных факторов методами ab initio и классической молекулярной динамики   557-565
Д. А. Ветрова, С. А. Кузнецов. Кинетика переноса заряда редокс-пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве CsCl–CsF в присутствии катионов щелочноземельных металлов   566-575
В. Г. Колясников, А. М. Потапов, В. Ю. Шишкин, А. Е. Дедюхин, Ю. П. Зайков. Термодинамика взаимодействия хлорида кадмия с расплавом LiCl–KCl методом ЭДС   576-588
А. В. Исаков, М. В. Лаптев, А. О. Худорожкова, А. С. Шмыгалев, А. П. Аписаров. Отделение пленок SiO2 от поверхности кремниевых нановолокон с использованием высокотемпературной вакуумной установки   589-597
Ю. В. Стулов. Проблемы выбора базисного набора для квантово-химического моделирования самарийсодержащих модельных систем   598-608
А. М. Потапов, В. А. Кесикопулос, А. Е. Дедюхин, Ю. П. Зайков. Термодинамическое моделирование реакции окисления UCl3 хлоридом свинца и восстановления UCl4 металлическим ураном в расплавленной эвтектике LiCl–KCl   609-621
А. В. Крылосов, И. Б. Половов, О. И. Ребрин. Диаграммы плавкости солевых смесей фторида бериллия с хлоридами щелочных металлов   622-631
Е. В. Никитина, Э. А. Карфидов, Ю. П. Зайков, К. Е. Селиверстов. Коррозия сплава Hastelloy С2000 в расплаве фторидов щелочных металлов, содержащем Li2O   632-639
Х. Б. Кушхов, М. К. Виндижева, Р. А. Мукожева, Ф. А. Кишева. Изучение совместного электровосстановления ионов La3+ и Ni2+ в эквимольном расплаве KCl–NaCl при 973 K   640-650
Д. О. Чухванцев, Н. И. Шуров, Е. В. Никитина, Е. С. Филатов. Синтез борида гадолиния в хлоридно-оксидном расплаве   651-660
     

Влияние состава газовой и солевой фазы на коррозию металлических материалов на основе никеля в расплавленных хлоридах щелочных металлов

Э.А. Карфидов, Е.В. Никитина. 

АННОТАЦИЯ

С учетом электрохимической активности хлоридных солевых расплавов проанализированы имеющиеся экспериментальные данные и выявлены фундаментальные закономерности коррозионно-электрохимического поведения металлических материалов на основе никеля в расплавленных галогенидных солевых электролитах, особое внимание уделено взаимосвязи между составом материалов, их свойствами, качеством межфазной границы, составом расплавленного электролита и коррозионными характеристиками и возможными способами защиты от коррозии. При переработке отработавшего ядерного топлива реактора на быстрых нейтронах (ОЯТ РБН) используется расплав LiCl-KCl (0.49:0.51) в инертной атмосфере, все металлические материалы в данном солевом расплаве крайне подвержены коррозии, к тому же в процессе переработки ОЯТ как жидкая (расплав), так и газовая фаза насыщаются продуктами деления, которые могут выступать в качестве дополнительных окислителей, усиливая агрессивность среды. Исследовано коррозионное поведение никеля, а также сплавов на его основе (Ni-Cr и Ni-Ti) в солевом расплаве хлорида лития и калия, содержащем в качестве добавки от 0 до 5 мас. % оксида лития Li2O и трихлорида церия CeCl3. Эксперименты были проведены при температуре 500–700°С в инертной атмосфере аргона в течение 24 ч. Было установлено, что скорость коррозии увеличивается в следующем ряду: Ni < NiCr < NiTi. С увеличением температуры скорость коррозии материала значительно возрастает для каждого исследованного материала. По совокупным данным гравиметрического, микрорентгеноспектрального, атомно-эмиссионного спектрального анализа установлено, что основной причиной коррозии является наличие кислородосодержащих примесей (О2) в газовой атмосфере над расплавом и/или в солевом электролите. Данные примеси вступают преимущественно в реакции с электроотрицательными компонентами сплава – Ti, Cr, с образованием их оксидов нестехиометрического состава, что усиливается при введении в расплав оксида лития за счет увеличения концентрации аниона О2-. Введение в расплав трихлорида церия приводит к образованию на поверхности слоя оксихлорида церия стехиометрического состава, что в свою очередь снижает скорость коррозии, за счет пассивации поверхности и экранирующего эффекта, при повышении температуры данный эффект наблюдается в значительно меньшей степени.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

никель, нихром, коррозия, солевой электролит, хлориды щелочных металлов.

DOI: 10.31857/S023501062205005X

Анализ процессов термической перестройки строения нанокластеров Ag75 и Ag101

Д. А. Рыжкова, С. Л. Гафнер, Ю. Я. Гафнер. 

АННОТАЦИЯ

Методом молекулярной динамики с использованием модифицированного потенциала сильной связи TB-SMA проводилось исследование влияния декаэдрических «магических» чисел на формирование внутреннего строения наночастиц Ag (диаметром до 2.0 нм) для кластеров с ГЦК и аморфным начальным состоянием. Был сделан вывод, что в случае малых нанокластеров серебра даже четкое соответствие размера «магическому» числу той или иной структуры (ГЦК, ГПУ, Ih, Dh) не может гарантировать ее появление в ходе процесса термической эволюции. Если такие кластеры подвергнуть процедуре плавного нагрева путем постепенного подвода термической энергии, то протекающие при этом стохастические диффузионные процессы могут оказать очень сильное влияние на получаемые в конечном итоге структуры. Было отмечено наличие разнообразных возможных политипных переходов, чаще всего приводящих к образованию Ih- или Dh-модификаций. Несмотря на то, что полной фиксации структуры с осью симметрии пятого порядка при процессах плавного нагрева наночастиц различной исходной морфологии не происходило, показано, что использование кластеров с разрушенным начальным строением в большей степени позволяет решить проблему получения частиц с требуемой Ih- или Dh-фазой. ГЦК структура в кластерах такого малого размера не может считаться термически устойчивой и для ее стабилизации необходимо использовать наночастицы большего диаметра. Таким образом, если вид и качество строения имеет критическое значение для различных приложений, например, медицинских или плазмонных, то необходимо учитывать возможные процессы перестройки кластерной структуры, происходящие при реальных эксплуатационных условиях.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

компьютерное моделирование, нанокластеры, серебро, фазовые переходы, строение

DOI: 10.31857/S0235010622050085

Температурные условия получения взаимно-непрерывной структуры нано-пористого железа при электрохимическом деаллоинге ферромарганца в расплавленных солях

Д.А. Роженцев, Н.К. Ткачев. 

АННОТАЦИЯ

Нанопористые металлы, получаемые посредством деаллоинга в перколяционном режиме, имеют строение сети связок – лигаментов, с размерами пор, которые могут варьироваться от нескольких нм до нескольких мкм. Нанопористое железо и некоторые ферросплавы, содержащие марганец, могут стать чрезвычайно перспективными материалами в качестве био-деградируемых или (bio-degradable) имплантов для восстановления костной ткани после переломов и других повреждений. Расплавленные соли, как электролиты, способны обеспечить ускорение перколяционного деаллоинга за счет повышенных температур, а также бо́льших плотностей тока, достижимых в этом случае. Проведен электрохимический деаллоинг ферромарганца различного состава (Mn 30, 50, 70 ат. %) в расплавленных смесях хлоридов щелочных металлов. Сложное сочетание температурных и электрохимических процессов при перколяционном режиме приводит не только к образованию взаимно-непрерывных структур, но и структур дендритного типа. Прослежена эволюция структуры синтезированного нано- и ультрапористого железа в зависимости от температуры от дендритоподобной и ориентированной вдоль линии тока морфологии при 300℃ к типичной взаимно-непрерывной (bi-continuous) нанопористой структуре с размерами пор порядка 100 нм при 400℃. Отмечена существенная активизация эффектов коагуляции, укрупнение лигаментов (coarse-graining) и утрата ориентированности вдоль линии поля. Однако при этих условиях образуется достаточно однородная по размерам взаимно-непрерывная структура (»100 нм). Дальнейшее увеличение температуры приводит к пористому материалу с 3D иерархией пор и лигаментов при (500℃), которая отличается распределением пор разного размера от 100 до 1000 нм. Сделано наблюдение об образовании пористой структуры укрупненного, микронного масштаба при 600℃ с лигаментами причудливой формы, напоминающей корень имбиря. Разделение процесса деаллоинга при 500℃ и простого отжига при 600℃ на две независимые стадии приводит к похожему результату, но возникающая структура обладает меньшей связностью металлических частиц.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:

селективное анодное растворение, деаллоинг, ферросплав, хлоридный расплав, отжиг, нанопористое железо

DOI: 10.31857/S0235010622050061