2.2 Исследование структуры и свойств наноструктурной керамики

2.2.1 Стереологический анализ элементов структуры

Сформированная НСК представляет пористый композит, имеет типичную иерархическую структуру [78] и состоит из наночастиц бемита округлой формы с преобладающим размером ~100 нм, соединенных контактами (рисунок 2.9).

Наночастицы собраны в пористые пластины толщиной ~0,5…1 мкм и формируют нанопористую структуру со средним размером пор 4,5 нм [3−А]. В свою очередь пористые пластины формируют систему щелевидных пор в пористых пакетах с переменной

площадью поперечного сечения. Количественный стереологический анализ образца показал, что средняя толщина пористых пластин составляет ~1 мкм (рисунок 2.10).

М

а) × 1000 б) × 10000

в) × 50000 г) × 150000

Рисунок 2.9 − Структура НСК из пудры ПАП-2

× 3000

Рисунок 2.10 − СЭМ-фото НСК после 3 ч твердения и график распределения пористых пластин AlОOH по толщине

етодом СЭМ установлено, что наноструктурные пластины имеют неравномерную пористую структуру − визуально более плотную внутри пластин, менее плотную – на поверхности (рисунок 2.11). Очевидно, что в процессе растворения алюминия на границе пористый слой бемита − алюминий образуется полость, которая заполняется путем роста наночастиц бемита на внутренней поверхности пористого слоя. Однако доступ жидкого реагента – воды к реакционной поверхности осуществляется путем диффузии молекул воды через пористый слой бемита, поэтому на скорость процесса твердения вышеописанный процесс влияния не оказывает. Тем не менее данный эффект заслуживает отдельного рассмотрения.

СЭМ-фото (рисунок 2.11,б), иллюстрирует наличие остаточного алюминия в средней части пористых пластин бемита на отдельных участках структуры НСК. Очевидно, что причиной неполного превращения алюминия в гидроксид является недостаточное время гетерогенной химической реакции, протекающей в диффузионной области. С увеличением времени твердения до 3−4 ч диффузионные процессы в наноструктуре бемита способствуют полному р

в) × 50000

Рисунок 2.13 − Структура излома композиционного материала

ас

а) × 10000 б) × 35000

Рисунок 2.11 − Фрактограмма наноструктурной керамики, содержащей остаточный алюминий

творению алюминия. Наличие остаточного алюминия также может быть обусловленоагломерацией частиц пудры в толстые пакеты, что затрудняет доступ воды к реакционной поверхности, расположенной в глубине пакетов, и способствует неполному превращению алюминия.

Количественный стереологический анализ показал (рисунок 2.12), что диаметр наночастиц бемита в двух перпендикулярных направлениях несколько отличается и составляет 75 и 100 нм, вследствие чего фактор формы кристаллитов составляет ~0,5.

Известно, что поверхность дисперсного материала зависит от размера образующих ее частиц и с достаточной точностью может быть оценена с помощью уравнения 2.19 [77]:

2.19

при пористости П = 0,45…0,65 для адсорбентов на основе -Al2O3 и абсолютной плотности – ρ = 3,1·103 кг/м3, наночастицы диаметром dч = 100 нм формируют удельную поверхность порядка 12...16 м2/г. Измеренная методом БЭТ Sw бемита, полученного при твердении дисперсного алюминия, составляет 53 м2/г [76]. Такое различие можно объяснить тем, что поверхность нанокристаллитов бемита не является идеально гладкой, обладает микрорельефом, для разрешения которого необходимо применение просвечивающей электронной микроскопии.