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

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИЯ В МАКРО И НАНОСТРУКТУРА

Цзэн Фанли 1 Ли Пай 1 Цзя Сяохан 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Наноматериалы - материалы, созданные с использованием наночастиц или посредством нанотехнологий, обладающие какими-либо уникальными свойствами, обусловленными присутствием этих частиц в материале. В статье указаны прямые и обратные решётки магния и их параметры, а также поверхность Ферми и первая зона Бриллюэна. С помощью Интернета у нас есть параметры наномагниевого порошка и обычного магниевого порошка и составлена таблица на основе этих данных. Свойства наномагниевого порошка и обычного магниевого порошка сравнили и данные приведены в таблице 1. После простого расчета и анализа, выяснено, что на свойства наномагниевого порошка влияют квантовые и классические эффекты, но классический эффект доминирует. Наконец, в статье представлен способ производства и применения нанопорошка магния. Способ получения нанопорошка путем нагревания и испарения широко применяется, и мы проанализировали преимущества и недостатки этой технологии. Наномагний обладает большим потенциалом в области хранения водорода. В большей части исследований по хранению водорода на основе наномагния изучаются сплавы магния или соединения магния. До сих пор, чистый нано-магниевый порошок все еще находится в стадии разработки.
mg
наноматериалы
обратная решетка
первые зоны бриллюэна
поверхность Ферми
1. Wang Shiliang, Zhou Yangtao. The relation between the melting point and radius of small particles derived from Kelvin equation [J]. Journal of Hunan Institute of Science and Technology (Natural Science)
2. Liu Xiaohua, Tong Hui. Understanding and applying the quantum size effect of nanomaterials [J]. Journal of Bohai University, 2006, 27(4)
3. Cui sheng, Gao zhiqiang. Preparation of ultrafine magnesium powder by evaporation condensation [J]. Journal of University of Science and Technology Beijing, 2010, 32 (4)
4. Oelerich W, Klassen T, Bormann R. Comparison of the catalytic effects of V, V2O5, VN and VC on the hydrogen sorption of nanocrystalline Mg [J]. J. Alloys Comp, 2001, 322: 115.
5. Wang Erde, Yu Zhenxing, Liu Zuyan. Hydrogen storage properties of nanocomposite Mg2Ni-V2 O5 [ J]. Functional Material, China. 2002, 33 (3): 280.
6. Barkhoudarian G, Klassen T, Bormann R. Fast hydrogen sorption kinetics of nanocrystalline Mg using Nb2O5 catalyst [J]. Scrip ta Mater, 2003, 49; 213

1. Основное свойство магния

Магний — элемент второй группы (по старой классификации — главной подгруппы второй группы), третьего периода периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева, с атомным номером 12. Обозначается символом Mg (лат. Magnesium). Простое вещество магний — лёгкий, ковкий металл серебристо-белого цвета. Структура решётки и параметры мания - ГПУ (Гексагональная плотноупакованная решетка). Как показано на рисунке 1.

Hexagonal close packed crystal structure for magnesium

Рисунке 1. Структура решётки магния

Параметры решётки а=0,3202нм и с=0,5199нм в рисунке 1.

Параметры прямой решётки магния по формулам 1 получили:

?

Параметры обратной решётки магния получили по формулам 2:

?

Поверхность Ферми магния показана в рисунке 2

 
Рисунок 2. Поверхность Ферми магния

Эта поверхность Ферми открытая. Потому что Ф. п. распадается на полости, каждая из которых помещается в одной элементарной ячейке пространства квазиимпульсов.

 
Рисунок 3. Первая зона Бриллюэна

Зона Бриллюэна найдена с помощью обратной решетки. Первая зона Бриллюэна показана на рисунке 3.

Таблица 1. Сравнительные свойство Mg

Свойства

Макро.

Нано.

Размер наноматериала/нм

Вид материала

Температура плавления/°C

650

540(1)

60

 

 

 

 

 

Порошок

 

Начальная точка кипения/°C

1100

1,090

60

Объёмная плотность г / см3

0.9

1.24

60

Удельная площадь поверхности (м2 / г)

10

14

60

 

Поскольку информация о температуре плавления порошка магния не может быть найдена, мы рассчитали температуру плавления частиц порошка магния 60 нм, используя эмпирическую формулу [1]:

σs- поверхностное натяжение твердого тела,σl- поверхностное натяжение жидкости,L - изменение фазы скрытого тепла,r- размер частиц,ρs-твердая плотность,ρl-плотность жидкости,T0 – температура плавления обычного магния,T- температура плавления частиц порошка магния

σs= 232МПа

σl= 0.570 кПа

L= 373.2 кДж/кг

r= 60 нм

ρs= 1.7 г/см3

ρl=1.58 г/см3

Как видно из таблицы, температура плавления наномагниевого порошка снижается на 12%, температура кипения уменьшается на 1%, объемная величина увеличивается на 27%, удельная площадь поверхности увеличивается на 40% по сравнению с макроскопическими материалами. Факторами, влияющими на температуру плавления наноматериалов, являются квантовые размерные эффекты и классические размерные эффекты. Классический размерный эффект — это прежде всего поверхностный эффект. Причина этого эффекта состоит в том, что увеличение числа поверхностных атомов приводит к увеличению поверхностной энергии. А квантовый размерный эффект обычно возникает, когда размер частиц близок к длине волны Де Бройля. Конкретное суждение основано на формуле Кубо:

где δ - расстояние между уровнями энергии, вызванное эффектом квантового размера; ℏ – уменьшенная постоянная Планка;m – электронное качество;n – количество электронов на единицу объема;K – постоянная Больцмана,T – температура,d – размер частиц.

ℏ= 1.05×10-34 Дж/c; m= 9.1×10-31 кг; nMg= 8.61×1028 m-3; K= 1.38×10-23 Дж/К;

При T= 1K,

После расчета радиус частицы должен быть примерно равен 13 нм. Очевидно, что для наших материалов квантовый размерный эффект не имеет большого значения для свойств материала. Таким образом, доминирующая роль здесь — это классический размерный эффект.

2. Технология получения

В настоящее время существует два основных метода производства нанопорошка магния: метод резистивного нагрева и метод электронно-лучевого нагрева. В этом процессе, материал испаряется в пары металлов, затем происходит зародышеобразование, кристаллизация и, наконец, образование нанопорошка. Размер частиц порошка магния зависит от многих факторов. Такие как температура нагрева, давление, скорость охлаждения и т. Д. Изменяя эти параметры, можно получить нанопорошки магния разных размеров [3].

Этот способ приготовления имеет следующие преимущества: высокая чистота препарата, низкая скорость окисления, высокий выход и простота устройства.

Недостатком является то, что экспериментальный процесс относительно опасный (порошок магния огнеопасен и взрывоопасен), и нужно строго контролировать экспериментальные параметры.

3. Применение

Используется порошок магния соединение с ванадием, водородом, кислородом, никелем. Исследование абсорбционных и десорбционных свойств водорода Mg2V2O5. Oelerich и др. [4] обнаружили, что, когда nano-MgH2-V0,01 помещают в воздух на некоторое время, его кинетика поглощения и десорбции водорода. Анализ считает, что это из-за кислорода в воздухе будет материал V в средней части окисляется до V2O5.

Это также оказывает каталитическое влияние на улучшение динамических свойств MgH2[5]. Наноматериалы, полученные механическим легированием Mg-3Ni-2V2O5 имеет очень хорошую кинетику поглощения и десорбции водорода Может. Этот материал для хранения водорода будет производить очевидную «индукцию» в процессе поглощения водорода.

Бархордариан и др. также указали, что, когда содержание Nb2O5 в MgH2 составляет около 0,2% (моль), стадия быстрого контроля реакции выделения водорода изменяется: содержание больше 0,2% (моль). Контроль шага границы раздела: менее 0,2% контролируется диффузией водорода [6]. Таким образом, этот материал имеет спасобность хранения водорода.


Библиографическая ссылка

Цзэн Фанли, Ли Пай, Цзя Сяохан СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИЯ В МАКРО И НАНОСТРУКТУРА // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=19410 (дата обращения: 18.08.2019).

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