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

АНАЛИЗ СВОЙСТВ АЛЮМИНИЯ В НАНО- И МИКРОСТРУКТУРАХ

Кушебина А.К. 1
1 НИИ ТПУ
Алюминий является одним из самых распространённых металлов в природе. По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию.В данной статье приведены кристаллические решетки алюминия и диоксида алюминия. А также рассмотрены физические свойства металла в микроструктуре. Из-за невозможности привести свойства алюминия в наноструктуре, мы рассматриваем свойства диоксида алюминия. Имеется сравнительная таблица свойств диоксида алюминия в микроструктуре и в наноструктуре. Указаны области применения нанопорошка диоксида алюминия.
анализ свойств
наноструктура
микроструктура
Алюминий
1) Алюминий - общая характеристика элемента, химические свойства. [Электр. ресурс]. – Режим доступа: http://himege.ru/alyuminij-xarakteristika-elementa/
2) Кристаллическая решетка – алюминий. [Электр. ресурс]. – Режим доступа: http://www.ngpedia.ru/id401866p1.html
3) Микроструктура материалов. Методы исследования и контроля. Автор: Д. Брандон, У. Каплан, год издательства: 2004, 384стр.
4) Порошок алюминий (нанопорошок) [Электр. ресурс]. – Режим доступа:http://moskva.all.biz/poroshok-alyuminijnanoporoshok-g2047560#.Vk1U9ZeijKU
5) Продажа нанопорошка оксида алюминия [Электр. ресурс]. – Режим доступа:http://moskva.regtorg.ru/goods/t262621prodaem_nanoporoshok_oksida_aljuminiya_al2o3.htm
6) Способ получения нанопорошка альфа-оксида алюминия [Электр. ресурс]. – Режим доступа: http://www.findpatent.ru/patent/240/2409519.html
7) Ферми поверхности и аномалии электронных характеристик металлов под высоким давлением. Автор: Е.С.Ицкевич. 125 стр.
8) Fermi Surfaces Coloured with the Group Speed to Reveal Critical Points for Singularities of the Density of States [Электр. ресурс]. – Режимдоступа: http://library.wolfram.com/infocenter/Articles/3183/Fermi.nb?file_id=2870
9) 3DFermiSurfaceSite [Электр. ресурс]. – Режим доступа: http://www.phys.ufl.edu/~tschoy/r2d2/Fermi/Fermi.html
Алюминий (Al), химический элемент III группы периодической системы, третьего периода, атомный номер 13, атомная масса 26,98154. В природе один стабильный изотоп 27А1.  Алюминий p-элемент. На внешнем энергетическом уровне атома алюминия содержится 3 электрона. Алюминий проявляет степень окисления +3 [1].

Относится к группе легких металлов. Содержание алюминия в земной коре 8,8% по массе. По распространенности в природе занимает четвертое место среди всех элементов (после О, Н и Si) и первое среди металлов; в свободном виде не встречается.

Простое вещество алюминий – легкий, парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке. Алюминий обладает высокой тепло- и электропроводностью, стойкостью к коррозии за счет быстрого образования прочных оксидных пленок, защищающих поверхность от дальнейшего взаимодействия [6].

 

Кристаллическая решетка алюминия.

Кристаллическая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла. Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами.

Каждой кристаллической структуре соответствуют две решётки: прямая кристаллическая решётка и обратная решётка.

Прямая кристаллическая решётка — это решётка в обычном, реальном пространстве.Прямаякристаллическая решетка алюминия - гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4 К до точки плавления(рисунок 1).Параметры решётки: 4,050 Å [7].

http://lityo.com.ua/images/article/spectro/c_chugun4.jpg

Рисунок 1 – Прямая ГЦК решетка алюминия.

Обратная кристаллическая решётка — решётка в пространстве Фурье. Обратная к гранецентрированной решетке есть кубическая объёмно-центрированная решетка (рисунок 2). Параметры решетки: 1,95 Å.

http://lityo.com.ua/images/article/spectro/c_chugun3.jpg

Рисунок 2 – Обратная ОЦК решетка алюминия.

Таблица 1 – Сравнительные свойства алюминия в микро- и диоксида алюминия в микро- и нано- структурах.

 

 

Микроструктура алюминия (Al)

 

Микроструктура

диоксида алюминия ()

 

 

Наноструктура

диоксида алюминия

()

(нанопрошок)

 

 

Плотность алюминия

 

 

g=2,7 г/см3

 

g=3,99 г/см3

 

 

g=1,2 г/см3

(при размере ~ 70нм)

 

 

Температура плавления:

 

 

658-660 °C

 

2044 °C

 

2000 °C

(при размере ~ 54нм)

 

 

Цвет

 

 

Серебристо-белый

 

 

Белый

 

Белый

 

В таблице 1 приведены свойства алюминия в микроструктуре и диоксида алюминия в микроструктуре и в наноструктуре (по литературным данным [3,5]). В некоторых случаях заметна существенная разница.Например, плотность диоксида алюминия в наноструктуре меньше плотности в микроструктуре на 2, 79 г/ см3. Также мы видим несущественную разницу в температуре плавления.

Для определения вклада в изменение свойств размерных эффектов необходимо рассчитать длину волны де Бройля или длину свободного пробега и сравнить полученное значение с размером наночастиц алюминия.

Формула для расчета:

(1)

где h = 6,63·10-34Дж·с – постоянная Планка, m = 9,11·10-31 кг – масса электрона, υ = 106 м/с – скорость электрона.

В результате расчета получается, что λ = 0,7 нм, поскольку данное значение много меньше размера наночастицы, основное влияние на изменение свойств диоксида алюминиия в наноструктурах оказывают классические размерные эффекты. Одной из причин размерных эффектов является большая доля приповерхностных атомов, которая возникает вследствие ненасыщенности атомных связей у поверхности, искажения решетки у поверхности, тонких физических эффектов взаимодействия электронов со свободной поверхностью.

Диоксид алюминия получают в виде нанопорошка (рисунок 3).Нанопорошок – масса из сухих нано частиц с внешними размерами во всех трех измерениях в нанодиапазоне, приблизительно от 1 нм до 100 нм[5].

Рисунок 3 – Наночастицы алюминия.

Топология экспериментальной поверхности Ферми(рисунок 4)[9].

https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcS5Es103PKNy2ekNplgvLzsUkIfdMQ-_bj4xOSnVVAfDR30RCh5

Рисунок 4 – Поверхность Ферми алюминия.

 

Поверхность Ферми не является реальной поверхностью, это лишь нагляднаяиллюстрация поведения электронов в металлах. Картины поверхностей Ферми объясняют такие свойства металлов, как блеск, ковкость, электропроводимость и теплопроводность. Собственно, металл можно определить, как твердое тело, обладающее поверхностью Ферми[7].

Области применения нанопорошка алюминия (AL2O3).

Составляя приблизительно 15% годового объема производства нанопорошков в мире, оксид алюминия, или кремнезем, в основном используется в обрабатывающей промышленности как абразив, для струйной очистки, притирки и полировки, особенно в электронике и оптике. Кроме этого, он используется для очистки воздуха, в качестве катализатора, в конструкционной керамике и для производства конденсаторов.

Ø  обрабатывающая промышленность (абразив, струйная очистка);

Ø  электроника (притирка, полировка, производство конденсаторов);

Ø  оптика (притирка, полировка);

Ø  очистка воздуха (катализатор);

Ø  производство конструкционной керамики.



Библиографическая ссылка

Кушебина А.К. АНАЛИЗ СВОЙСТВ АЛЮМИНИЯ В НАНО- И МИКРОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2015. – № 6.;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=14290 (дата обращения: 03.08.2021).

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 = 1.074