Фізико-технологічні передумови формування та структурноморфологічні характеристики композитів С/Zn і C/Ni з вуглецевою турбостратною складовою

Abstract

У роботі проведено аналізу фізичних передумов формування конденсатів у вигляді пористих наносистем. На основі технологічного підходу, основаного на самоорганізації малих відносних пересичень осаджуваної пари, одержано пористі наносистеми Zn і Ni, яких у подальшому використано в якості прекурсорів для нанесення пористого турбостратного графіту. На першому етапі на лабораторному склі формувалися прекурсори у вигляді пористих наносистем Ni або Zn. На другому етапі наносилися конденсати вуглецю шляхом розпорошення графіту. Усі вуглецеві конденсати було сформовано на базових пористих структурах Zn і Ni за однакових технологічних параметрів (pAr =7 Па і Pw = 80 Вт). Це дало змогу визначити вплив матеріалу та структурно-морфологічних характеристик прекурсорів на структуроутворення вуглецевих шарів. Ефективна товщина вуглецевих шарів складала приблизно 12–15 мкм. Показано, що різна морфологія пористих прекурсорів цинку майже не впливає на подальше структуроутворення пористих наносистем вуглецю. Разом з тим, при переході до прекурсорів у вигляді пористих систем Ni структура конденсатів вуглецю має більш розвинену на нанорівні пористість. За допомогою растрової електронної мікроскопії, методи енергодисперсійної рентґенівської спектроскопії та рентґенофазової, аналізи проведено комплексні дослідження одержаних пористих композитів C/Zn і C/Ni. Показано, що на локальних ділянках нарощуваного турбостратного графіту створюються передумови для зародження та росту вуглецевих наностінок, волокон або діямантових включень. Зроблено висновок про можливість використання викладеного в роботі технологічного підходу для створення електрод літій-йонних акумуляторів.

In this paper, the physical preconditions for the condensate formation in the form of porous nanosystems are analysed. Porous Zn and Ni nanosystems are obtained using a technological approach based on self-organization of low relative super saturations of deposited vapours. Then, these layers are further used as precursors for the deposition of porous turbostratic graphite. At the first stage, precursors in the form of porous Ni or Zn nanosystems are formed on laboratory glass. At the second stage, carbon condensate is deposited by graphite sputtering. All carbon condensates are formed on the base porous Zn and Ni structures at the same technological parameters (pAr =7 Pa and Pw =80 W) that allows determining the effect of the material and structural–morphological characteristics of precursors on the structure formation of the carbon layers. The effective thickness of the carbon layers is of approximately 12–15 mm. As shown, the different morphology of porous zinc precursors has almost no effect on the further structure formation of the porous carbon nanosystems. At the same time, at the transition to precursors in the form of porous Ni systems, the structure of carbon condensates has a more developed porosity at the nanoscale. Comprehensive investigation of the obtained porous C/Zn and C/Ni composites is carried out using scanning electron microscopy, energy-dispersive x-ray spectroscopy, and x-ray phase analysis. As shown, in the local areas of accumulated turbostratic graphite, the preconditions for the nucleation and growth of carbon nanowalls, fibres, or diamond inclusions are formed. It is concluded that the technological approach discussed in the paper can be used to create electrodes of lithium-ion batteries.