Створення дифузійного бар’єру на міжфазній поверхні композиційних покриттів, зміцнених вуглецевими нанотрубками

Abstract

Розглянуто особливості створення композиційних покриттів, зміцнених вуглецевими нанотрубками та існуючі підходи до оцінки міжфазної взаємодії у масивних композиційних матеріалах з волокнистою формою зміцнювача. Загальні положення теорії міжфазної взаємодії композиційних матеріалів перенесено з масивних об’єктів на нанорозмірні. Відзначено, що особливістю систем з нанорозмірними компонентами є неможливість контрольованої організації хімічної взаємодії на міжфазній поверхні через малі розміри зміцнювача, наприклад, вуглецевих нанотрубок. Товщина одностінних вуглецевих нанотрубок складає один атомний шар, що практично виключає можливість створення умов для контрольованої хімічної взаємодії на межі матриці з карбідоутворюючого металу та вуглецевими нанотрубками. У роботі теоретично обґрунтовано вирішення проблеми міжфазної взаємодії в нанокомпозитних матеріалах шляхом створення дифузійного бар’єру з не карбідоутворюючого металу (зокрема міді) на поверхні вуглецевих нанотрубок. Найбільш ефективним засобом створення дифузійного бар’єру є конденсація електрично нейтрального пару металу на поверхні вуглецевих нанотрубок. Експериментально доведено можливість створення дифузійного бар’єру з міді на міжфазній поверхні у вигляді покриття, який в подальшому дозволить регулювати взаємодію металевих компонентів композиції з вуглецевими нанотрубками.

Рассмотрены особенности создания композиционных покрытий, упрочненных углеродными нанотрубками и существующие подходы к оценке межфазного взаимодействия в массивных композиционных материалах с волокнистой формой упрочняющей фазы. Общие положения теории межфазного взаимодействия композиционных материалов перенесены с массивных объектов на наноразмерные. Отмечено, что особенностью систем с наноразмерными компонентами является невозможность контролируемой организации химического взаимодействия на межфазной поверхности из-за малых размеров упрочняющей фазы, например, углеродных нанотрубок. Толщина одностенных углеродных нанотрубок составляет один атомный слой, который практически исключает возможность создания условий для контролируемого химического взаимодействия на границе матрицы из карбидообразующего металла с углеродными нанотрубками. В работе теоретически обосновано решение проблемы межфазного взаимодействия в нанокомпозитных материалах путем создания диффузионного барьера из не карбидообразующего металла (в частности меди) на поверхности углеродных нанотрубок. Наиболее эффективным средством создания диффузионного барьера является конденсация электрически нейтрального пара металла на поверхности углеродных нанотрубок. Экспериментально доказана возможность создания диффузионного барьера из меди на межфазной поверхности в виде покрытия, который в дальнейшем позволит регулировать взаимодействие металлических компонентов композиции с углеродными нанотрубками.

The paper describes the features of creating of reinforced with carbon nanotubes composite coatings and existing approaches to the interphase interaction evaluation in massive composite materials with a fibrous form of the strengthening phase. General aspects of the composite material interphase interaction theory are transferred from massive to nanoscale objects. It is noted that for compositions with nanoscale components is difficult to create a controlled organization of chemical interaction on the interphase surface because of the strengthening phase small dimensions, for example, carbon nanotubes. The thickness of a single-walled carbon nanotube is one atomic layer, which practically excludes the possibility of controlled chemical interface interaction of a carbide-forming metal matrix with carbon nanotubes. The problem solution of interphase interaction in nanocomposite materials theoretically substantiated by creating a noncarbid forming metal (particularly copper) diffusion barrier on the carbon nanotubes surface. The most effective way for a diffusion barrier creating is the condensation of an electrically neutral metal steam on the carbon nanotubes surface. It has been experimentally proved the possibility of creating a copper diffusion barrier as a coating on the interphase surface, which will allow regulating the interaction of the composition metal components with carbon nanotubes.