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

СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТА НИОБИЯ В МИКРО И НАНОСТРУКТУРАХ

Лй ХэньЮй 1 Тянь Шучжэн 1 Чжан Мэнфэй 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Ниобий, типичный переходный металл, элемент побочной подгруппы пятой группы пятого периода периодической системы химических элементов. Простое вещество ниобий — блестящий металл серебристо-серого цвета с кубической объёмноцентрированной кристаллической решёткой типа α-Fe, обладает отличной пластичностью и коррозионной стойкостью, Следовательно, ниобий широко используется в ядерных реакторах и других областях. В нашей работе мы представляем сравнение свойств с микробным и нанометровым масштабами ниобия, приведены его кристаллическая структура, поверхность Ферми. Результаты показали, по сравнению с микроструктурой, диоксид циркония в наноструктурах имеет свои особенности. Например, ниобий в нанометровом масштабе имеет проводимость в ~33 раза выше и уменьшение модуля упругости на 15,8% относительно микрометрового масштаба. В связи с тем, что средний диаметр материала составляет 10 нм, квантовый эффект считается основным фактором изменения этих свойств. Способ получения и применение нано-ниобия также обсуждаются на основе его свойств, ниобий и его сплавы используются как конструкционные материалы для деталей реактивных двигателей, ракет, газовых турбин, химической аппаратуры, электронных приборов, электрических конденсаторов, сверхпроводящих устройств.
цирконий
наноструктура
микроструктура
1. Meija, J.; et al. (2016). "Atomic weights of the elements 2013 (IUPAC Technical Report)". Pure and Applied Chemistry. 88 (3): 265–91.
2.] bulk structure and bulk lattice parameter (s): Vol. III/24c 1.6, p.24
3. Reference PhysRevB.1.366 Pure and Applied Chemistry. — 2013. — Vol. 85, no. 5. — P. 1047—1078.
4. Thermodynamic Properties of Elements, H to Ni: Vol. IV/19a1 p.72
5. Nonmagnetic transition metals: Nb (Niobium) (Z = 41): Vol. III/23c1 2.11.7. p.196-204
6. Structure and hardness of vacuum arc deposited multi-component nitride coatings of Ti, Zr and Nb, Surface and Coatings Technology, Volume 125, Issues 1–3, March 2000, Pages 257-262.
7. Niobium Nanoparticles American elements -URL: https://www.americanelements.com/niobium-
nanoparticles-7440-03-1.
8. Preparation of niobium nanoparticles by sodiothermic reduction of Nb2O5 in molten salts, Na Wang, Kai Huang, Jungang Hou, Hongmin Zhu, Rare Metals December 2012, Volume 31, Issue 6, pp 621–626.

Введение

Ниобий, ранее известный как колумбий, представляет собой химический элемент с символом Nb и атомным номером 41[1]. Это мягкий серый, кристаллический, пластичный переходный металл. Простое вещество ниобий — блестящий металл серебристо-серого цвета с кубической объёмноцентрированной кристаллической решёткой типа ОЦК, а = 0,3294[2].

Кристаллическая структура

Декартово решётка a = 0.3294 nm

Обратная решётка

(1)

Вычисление формулы постоянной решетки в обратном пространстве решетки.

Бриллюэна зона и Ферми поверхность

Рис.1 Зона Бриллюэна Nb [3]

Рис.2 Поверхность Ферми Nb [3]

Из рис.2 видно, что поверхность Ферми тигля имеет сложную структуру, и поверхность Ферми открытая.

Свойство микро- и наноструктур Nb

Сравнение свойств Nb в микро и нано структурах

Параметры

микро

Нано

Размер, нм

Вид наноматериала

Плотность

8,57 г/см³ [4]

8,57 г/см³ [7]

10

Нанопорошок

Температура плавления

2750 K [4]

2750 K [7]

10

Модуль Юнга

95±15 GPa [5]

80±30 GPa[7]

10

Твердость

4-7 GPa [5]

1 GPa [7]

10

Проводимость

15 µΩсм [6]

500 µΩсм [7]

10

 

Физические причины изменения свойства в наноматериале

Из сравнения свойств циркония в микроструктуре и нано структуре, можно сказать, что некоторые свойства ниобий изменились. Ниобий наночастицы, нанодоты или нанопорошок представляют собой сферические или граненые частицы с высокой площадью поверхности. Наномасштабные частицы ниобия обычно составляют 10-20 нм (нм) с удельной площадью поверхности (SSA) в диапазоне 30-60 / г. Сравнивая свойства наноструктур и микроструктур, мы обнаружили, что твердость наноструктур уменьшилась, а электропроводность увеличилась.

Физические причины специфики заключаются в следующем:

1.Ниобий в нано материале обладает склонностью к самоорганизации кластерных структур;

2. Большая доля атомов находится на выступах и уступах поверхности. Поэтому свободная поверхность является стоком бесконечной емкости для точечных и линейных криста/ллических дефектов;

3. Поверхностные эффекты механических свойств;

4.Тонкие физические эффекты взаимодействия электронов со свободной поверхностью.

Размерные эффекты, влияющие на изменение свойств наноструктур по сравнению с микроструктурами разделяются на классические и квантовые. Если размеры наноструктуры сравнимы с длиной волны де Бройля, основное влияние имеют квантовые размерные эффекты. В данном случае, длина волны де Бройля равна:

Размер наноструктуры ниобия равен 10нм, λ и размер частицы мало чем отличаются. Поэтому квантовые размерные эффекты в рассматриваемом случае имеют значения, основное влияние на изменение свойств диоксида оказывают квантовые размерные эффекты.

Получение наноразмерного ниобия

Замена менее активных металлов более активными металлами является распространенным методом получения металлов, поэтому для получения металлического порошка ниобия с более низким содержанием кислорода с использованием процесса восстановления пара магния. Чистый ниобий получают в реакции:

Nb2O5+5CaCl2+10Na=2Nb+10NaCl+5CaO

Наночастицы ниобия с высокой степенью чистоты были получены с помощью процесса содиотермического восстановления с использованием Nb2O5 в качестве сырья, LiCl, NaCl, KCl и CaCl2 в качестве разбавителей и натрия в качестве восстанавливающего реагента[8].

Применение

Частицы нано ниобия также доступны в материалах с высокой степенью чистоты и высокой чистоты, с покрытием и диспергированными формами. Они также доступны в виде дисперсии в группе производства AE наножидкости. Нанофлюиды обычно определяются как суспендированные наночастицы в растворе либо с использованием поверхностно-активного вещества, либо с помощью технологии поверхностного заряда. Доступны также технические рекомендации по выбору нанопористых дисперсий и нанесения покрытий. Другие наноструктуры включают наностержни, нанотовары, наноноры, нанопирамиды и другие нанокомпозиты. Поверхностно-функционализованные наночастицы позволяют адсорбировать частицы на поверхности с использованием химически связанных полимеров.


Библиографическая ссылка

Лй ХэньЮй, Тянь Шучжэн, Чжан Мэнфэй СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТА НИОБИЯ В МИКРО И НАНОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2018. – № 6.;
URL: http://eduherald.ru/ru/article/view?id=19413 (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