Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАНО И МАКРОСТРУКТУРЫ ТАНТАЛА

Кузьминов Е.Д. 1 Синявский С.В. 1 Уразова К.Д. 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Настоящая работа посвящена сбору и анализу данных о наноструктуре тантала. В работе подробно описана характерная для данного элемента прямая и обратная решетка, указан их базис и параметр. Уделено внимание энергетическим характеристикам: поверхность Ферми, которая является аналогичной поверхности Ферми ниобия, зона Бриллюэна, которые определяют важные свойства такие как: блеск, ковкость, тепло- и электропроводность. Из сравнительной характеристики тантала в макро- и наноструктурах стало ясно, что для тантала в наноструктуре характерно возрастание удельного сопротивления, повышения твёрдости при этом плотность и температура плавления материала остается неизменной или имеют незначительные изменения. Выявленные изменения связаны с тем, что размер материала на два порядка превышает 1 нм, что в свою очередь говорит о влиянии классических размерных эффектов. В ходе работы был рассмотрен вопрос о технологии получения порошков тантала, методом диспергирования расплавов, а также путем механического измельчения и тонких пленок тантала, методом катодного и магнетронного распыления, а также их применение в различных областях промышленности, например биомедицина и микроэлектроника.
тантал
наноструктура
макроструктура
тонкие пленки
порошки
1. Ю.П. Гайдуков Успехи физических наук. - Том 100, вып.3 изд. - М: 1970г.
2. В.Ю.Бодряков, А.Н. Башкатов. Теплоемкость тантала в нормальном и сверхпроводящем состояниях // Уральский педагогический университет, Екатеринбург. - 2013. - №9.
3. Хейг Дж.Р., Линч Дж. Ф., рудник А. и др., Огнеупоры для космоса. Справочник, пер.с англ. – М.: Металлургия, 1967. – 266 с.
4. А.Л.Небера, А.В. Лизунов, А.А. Семенов. Танталовые нанокристаллические порошки в применении к задачам медицины. Сборник тезисов Российской научной конференции «МАЯТ-2014» - Звенигород, 2014. – С 91.
5. А.Л. Небера, А.В. Лизунов, А.А.Семенов Танталовые порошки с нанокристаллической структурой: получение, свойства, перспективы использования // Композиты и наноструктуры. - 2015. - №3.

Введение

В настоящее время большой интерес вызывает использование наноматериалов в научных исследованиях, а также в различных отраслях производства. Постоянная потребность в создании улучшенных, новых материалов, не применяя при этом вредного для окружающей среды и дорогостоящего химического синтеза, дополнительно усиливают интерес к возможностям наноструктур. Подавляющее большинство улучшений характеристик материалов за последние пять лет, так или иначе, были связаны с использованием наноструктур. С их помощью увеличивается стойкость материалов к механическим, термическим и другим нагрузкам, долговечность, транспортабельность, изменяется показатель воспламеняемости.

Наноматериалы характеризуются несколькими основными чертами, делающих их вне конкуренции по сравнению с другими веществами, находящими практическое использование в деятельности человека.

Первый плюс – суперминиатюризация, позволяющая на единице площади разместить больше функциональных наноустройств. Это особенно ценно для наноэлектроники или для достижения суперплотной магнитной записи информации до 10 Тиррабит на 1 квадратный сантиметр.

Во-вторых, наноматериалы обладают большой площадью поверхности, ускоряющей взаимодействие между ними и средой, в которую они помещены.

В - третьих, наноматериалы уникальны тем, что такое вещество находится в особом, "наноразмерном", состоянии.

Тантал — химический элемент, металл серебристо-белого цвета с металлическим блеском. Обозначаемый символом Ta (Tantalum), является элементом 6 периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 73. Тантал обладает высокой температурой плавления — 3290 K (3017 °C); кипит при 5731 K (5458 °C). Плотность тантала — 16,65 г/см³. Несмотря на твёрдость, пластичен, как золото. Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко штампуется, раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Тантал является отличным геттером (газопоглотителем), при 800 °C он способен поглотить 740 объёмов газа. Обладает парамагнитными свойствами.

Тантал имеет прямую объемноцентрированную кубическую (ОЦК) решетку с базисом (0;0;0) и (1/2;1/2;1/2). Параметр такой решетки а = 3,310 А и обратную гранецентрированную кубическую (ОЦК) (Рис.1).

а)

б)

Рис.1. Структура кристалла тантала.

а) Прямая ОЦК решетка, б) обратная ГЦК решетка.

На рис. 2 представлена поверхность Ферми для тантала. Поверхность Ферми для обратной ГЦК решетки тантала аналогична поверхности Ферми ниобия [1]. Она представляет собой четкое представление о поведении электронов в металлах и позволяет объяснить основные свойства данного металла. Например, форма поверхности Ферми определяет такие свойства металлов, как блеск, ковкость, тепло- и электропроводность.

Рис. 2. Поверхность Ферми тантала

Зона Бриллюэна — отображение ячейки Вигнера-Зейтца в обратном пространстве. В приближении волн Блоха волновая функция для периодического потенциала решётки твёрдого тела полностью описывается её поведением в первой зоне Бриллюэна.

Рис.4. Зона Бриллюэна тантала. (ГЦК решётка).

Сравнительная характеристика Ta в макро- и наноструктурах представлена в таблице 1.

Таблица 1. Изменение свойств Ta в макро- и наноструктуре

Свойства

Макроструктура

Наноструктура

Размер, нм

Вид наноматериала

Твёрдость, ГПа

0,873

16

100

Тонкая

пленка

Температура плавления, К

3290

3269

Теплоёмкость,

140(27оС)

110,4(27оС)

Электросопротивление, (400

33

132

Плотность,

16,6

16,65

 

При переходе к наноструктурам (тонкая пленка) в материале Ta наблюдается изменение некоторых его характеристик. Так, твердость и электросопротивление наноструктуры увеличились в 13 и 10 раз, соответственно. Также прослеживается незначительное уменьшение теплоемкости [2] и температуры плавления.

Так как размер материала намного больше 1 нм, то мы говорим, что причинами данных изменений являются классические размерные эффекты:

1) Возрастание удельного сопротивления, т.к. происходит уменьшение длины свободного пробега электронов из-за рассеяния на дефектах, примесях, фононах.

2) Наноматериалы имеют более высокие механические характеристики, увеличивается твердость металлов в нанодиапозоне.

3) Наночастицы обладают развитыми границами раздела и высокой кривизной свободных поверхностей. Адсорбционные процессы на таких поверхностях могут оказать сильное влияние на многие физические свойства таких объектов.

В то же время, плотность материала остается постоянной. Это обуславливается тем, что при переходе к наноструктуре кристаллическая решетка не изменяется.

В Таблице 2 показаны некоторые механические свойства при внедрении углерода в материал.

Таблица 2. Изменение свойств TaC в нано- и макроструктуре

Свойства

Макроструктура

Наноструктура

Размер, нм

Вид наноматериала

Твёрдость, ГПа

0,873

29,0

100

Тонкая плёнка

Температура плавления, К

3290

4250

 

Наноструктура корбида тантала имеет прочность в 33 раза превышающую прочность макроструктуры. Так же при переходе к наноразмерам значительно увеличилась температура плавления.

Технологии получения.

Механическим путем измельчают металлы, керамику, полимеры, оксиды, хрупкие материалы. Разновидностью механического измельчения является механосинтез, или механическое легирование, когда в процессе измельчения происходит взаимодействие измельчаемых материалов с получением измельченного материала нового состава.

Другой распространенный механический метод получения порошков наночастиц германия – диспергирование расплавов потоком жидкости или газа. Это высокопроизводительный процесс, который легко осуществить по непрерывной схеме и автоматизировать, он экономичен и экологичен. В настоящее время наиболее распространен центробежный метод получения металлических порошков. Расплав металла распыляется при помощи диска, вращающегося со скоростью более 20000 об/мин.

Применение

Тантал — ценный металл, который по химическим свойствам немного слабее, чем благородные металлы. Он не растворяется даже в стойких средах, например, в царской водке. Также он устойчив к кислотам и коррозии, поэтому его применяют в металлических конструкциях.

Сфера применения Ta разнообразна. Его применяют для изготовления тонкостенных изделий и изделий сложных форм, в качестве конструкционного материала для химической промышленности, а также как основу для производства кислот (H2SO4, HCl, HNO3, уксусной и фосфорной).

Нанокристаллические порошки тантала требуются для изготовления современных высокоемких электролитических конденсаторов. Кроме того порошки тантала используют в космической отрасли для получения бериллидов тантала, ниобия и циркония – перспективных конструкционных материалов с повышенной прочностью при высоких температурах [3], в медицине для термотерапии опухолей в форме нанокластеров тантала, а также для других перспективных исследований [4].

Тантал имеет высокую биологическую совместимость, поэтому нашел свое применение в медицине. Его используют для изготовления пластин, которыми перекрывают пролом черепной коробки человека, а также для сшивания нервных волокон, изготовления глазного протеза.

Элемент нашел свое применение и в металлургии. Его используют в качестве легирования стали. При этом карбид тантала является отличной защитой для стальных форм в процессе литья. Также его применяют для сохранения острых режущих кромок [5].

Незаменимым металл является и для жаропрочных сплавов, которые использует ракетная и космическая промышленность. Сплав из вольфрама и тантала обеспечивает огромную температурную выдержку до 2500 °C. Его применяют для изготовления запчастей сложных систем газового контроля и выхлопных труб, а также форсунок.


Библиографическая ссылка

Кузьминов Е.Д., Синявский С.В., Уразова К.Д. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАНО И МАКРОСТРУКТУРЫ ТАНТАЛА // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=19398 (дата обращения: 20.06.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252