Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к нанотехнологии изготовления нанокомпозита FеNi3/пиролизованный полиакрилонитрил (ППАН).
Магнитные свойства пермаллоя FeNi3 резко изменяются, когда кристаллиты уменьшаются до размеров, приблизительно меньших чем 100 нм. Одним из способов получения наночастиц пермаллоя является электрический взрыв металлического провода в деионизованной воде с помощью пропускания импульса электрического тока с плотностью около 1010 А/м2 в течение ~10-6 сек [L.N.Вас, Y.S.Kwon, J.S.Kirn. Synthesis and characteristic of FeNi3 intermetallic compound obtained by electrical explosion of wire // Materials Research Bulletin. 2009. V.45. PP.352-354]. Однако деионизованная вода не способна предотвратить агрегацию наночастиц и уменьшение квантово-размерного эффекта магнитных свойств.
В другом способе наночастицы FeNi3 получают с помощью реакции восстановления в гидразине N2H4·H2O солей FeCl2·4H2O и NiCl2·6H2O, предварительно растворенных в деионизованной воде [Xuegang Lu, Gongying Liang, Yumei Zhang. Synthesis and characterization of magnetic FeNi3 particles obtained by hydrazine reduction in aqueous solution // Material Science and Engineering B. 2007. V.139. PP.124-127]. К недостаткам этого способа следует отнести отсутствие стабилизирующей среды для наночастиц FeNi3 и длительное время реакции, составляющее 24 часа, что затрудняет возможность контролировать размер частиц и однородность их распределения.
Для применения в области высоких частот наночастицы FeNi3 инкапсулируют SiO2, таким образом, увеличивая сопротивление композита. Наночастицы FeNi3 приготавливают с помощью химического восстановления солей FeCl2·4H2O и NiCl2·6H2O в гидразин гидрате N2H4·H2O (C=80%). При этом в качестве поверхностно-активного вещества используют полиэтиленгликоль. Время реакции составляет 24 часа при комнатной температуре. В процессе реакции рН контролируется и поддерживается в интервале 12≤рН≤13 [X. Lu, G. Liang, Q. Sun, C. Yang. High-frequency magnetic properties of FeNi3-SiO2 nanocomposite synthesized by a facile chemical method. // Journal of Alloys and Compounds. 2011. V.509. PP.5079-5083]. К недостаткам этого способа синтеза наночастиц FeNi3 можно отнести сложность контролирования размера и фазовый состав наночастиц из-за флуктуаций условий реакции (температура, рН, концентрация реагентов) в процессе длительной реакции восстановления.
Техническим результатом является получение нанокомпозита FeNi3/ППAH, содержащих наночастицы FeNi3 с размером от 10 до 90 нм, при ИК-нагреве композита FeCl3·6H2O/NiCl2·6H2O/ПAH.
Способ получения нанокомпозита FеNi3/ППАН, включающий стадии приготовления раствора FeCl3·6H2O, NiCl2·6H2O и ПАН (Мη=1·105) в диметилформамиде (ДМФА) с концентрациями [Fe]=2÷20 масс.%, [Ni]=2÷20 масс.% и [ПАН]=1÷10 масс.%; выдерживания 72 часа при 25°С до полного растворения FeCl3·6H2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА; выпаривания ДМФА; нагревания полученного твердого остатка. Отличительными чертами метода является приготовление раствора FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН при различных концентрациях FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН, составляющих 2÷20, 2÷20 и 1÷10 масс.%, соответственно; выдерживание в течение 72 часов при 25°С до полного растворения FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА; выпаривание ДМФА при Т≤60°С; ИК-нагрев полученного твердого остатка при давлении 10-3÷10-2 мм рт.ст. в несколько этапов: 1) со скоростью нагрева V=2÷20°С/мин до 300°С и выдержкой в течение 5-30 минут; 2) со V=2÷20°С/мин до 450°С и выдержкой в течение 5÷30 минут; 3) со V=2÷20°С/мин до 500°С или 700°С и выдержкой при 500°С или 700°С в течение 1-30 минут с образованием нанокомпозита FeNi3/ППAH, содержащего наночастицы FeNi3 с размером от 10 до 90 нм.
Для измерения размеров наночастиц FeNi3 использованы рентгеновский дифрактометр ДРОН-1,5 (СuКα-излучение) с модернизированной коллимацией и метод сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с использованием низковакуумного растрового двухлучевого электронного микроскопа Quanta 3D FEG. Средний размер кристаллитов (LC) интерметаллида FeNi3 рассчитан из рентгеновских спектров с помощью уравнения Дебая-Шерера:
LC=kλ/Bcosθ,
где k - константа, равная 0,89; В - полуширина дифракционного угла, соответственного дифракционного максимума; λ=1,54056 Å - длина волны рентгеновского СuКα - излучения, Θ - дифракционный угол, град.
Пример 1. Готовятся навески FеCl3·6Н2О с NiCl2-6H2O с ПАН с mПАН=2 г; приготавливается 40 мл ДМФА для изготовления раствора FeCl3·6H2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА с концентрациями [Fe]=5 масс.%, [Ni]=5 масс.% и [ПАН]=5 масс.%. В коническую колбу (V=50 мл) с пробкой заливается ДМФА и засыпается навеска ПАН. Затем в колбу засыпаются навески FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O. После перемешивания содержимого в колбе с помощью стеклянной палочки в течение 5 мин колба закрывается пробкой. После выдержки смеси в течение 72 часов при 25°С до полного растворения FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА получается коричневый раствор. Полученный раствор заливается в тонкостенную фарфоровую чашку и выпаривается ДМФА из раствора (Т≤60°С) в сушильном шкафу. Получается твердый остаток коричневого вета. Далее полученный остаток нагревается в вакууме (Р=10-2 мм.рт.ст) на установке ИК-нагрева в несколько этапов: 1) со скоростью нагрева V1=7°С/мин до первой промежуточной температуры T1=300°С и выдержкой в течение 30 минут; 2) со V2=10°С/мин до второй промежуточной температуры Т2=450°С и выдержкой в течение 15 минут; 3) со V3=10°С/мин до конечной температуры Тк=500°С и выдержкой в течение 15 минут. Восстановление Fe и Ni, и образование кристаллитов интерметаллида FeNi3 внутри полимерной матрицы происходит с помощью H2, выделяющегося при деструкции ПАН под действием ИК-нагрева (фиг.1). В результате получается нанокомпозит FеNi3/ППАН в виде порошка черного цвета. По данным методов рентгенофазового анализа (РФА) (фиг.2) и СЭМ (фиг.3) определен средний размер наночастиц FeNi3, составляющий 47 нм.
Пример 2. Готовятся навески FeCl3·6H2O с NiCl2·6H2O с ПАН с mПАН=2 г; приготавливается 40 мл ДМФА для изготовления раствора FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА с [Fе]=15 масс.%, [Ni]=15 масс.% и [ПАН]=5 масс.%. В коническую колбу (V=50 мл) с пробкой заливается ДМФА и засыпается навеска ПАН. Затем в колбу засыпаются навески FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O. После перемешивания содержимого в колбе с помощью стеклянной палочки в течение 5 мин колба закрывается пробкой.
После выдержки смеси в течение 72 часов при 25°С до полного растворения FeCl3·6H2O и NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА получается коричневый раствор. Полученный раствор заливается в тонкостенную фарфоровую чашку и выпаривается ДМФА из раствора (Т≤60°С) в сушильном шкафу. Получается твердый остаток коричневого цвета. Далее полученный остаток нагревается в вакууме (Р=10-2 мм рт.ст) на установке ИК-нагрева в несколько этапов: 1) со V1=5°С/мин до T1=300°С и выдержкой в течение 30 минут; 2) со V2=10°С/мин до Т2=450°С и выдержкой в течение 15 минут; 3) со V3=10°С/мин до Тк=700°С и выдержкой в течение 15 минут. В результате получается нанокомпозит FeNi3/ППAH в виде порошка черного цвета. По данным методов РФА и СЭМ определен средний размер наночастиц FeNi3, составляющий 40 нм.
Пример 3. Готовятся навески FeCl3·6H2O с NiCl2·6H2O с ПАН с mПАН=2 г; приготавливается 40 мл ДМФА для изготовления раствора FеСl3·6Н2O, NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА с [Fе]=20 масс.%, [Ni]=20 масс.% и [ПАН]=5 масс.%. В коническую колбу (V=50 мл) с пробкой заливается ДМФА и засыпается навеска ПАН. Затем в колбу засыпаются навески FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O. После перемешивания содержимого в колбе с помощью стеклянной палочки в течение 5 мин колба закрывается пробкой. После выдержки смеси в течение 72 часов при 25°С до полного растворения FеСl3·6Н2O и NiCl2·6H2O и ПАН в ДМФА получается коричневый раствор. Полученный раствор заливается в тонкостенную фарфоровую чашку и выпаривается ДМФА из раствора (Т≤60°С) в сушильном шкафу. Получается твердый остаток коричневого цвета. Далее остаток нагревается в вакууме (Р=10-2 мм рт.ст) на установке ИК-нагрева в несколько этапов: 1) со V1=7°С/мин до T1=300°C и выдержкой в течение 30 минут; 2) со V2=10°С/мин до Т2=450°С и выдержкой в течение 15 минут; 3) со V3=10°С/мин до Тк=600°С и выдержкой в течение 15 минут. В результате получается нанокомпозит FeNi3/ППAH в виде порошка черного цвета. По данным методов РФА и СЭМ определен средний размер наночастиц FeNi3, составляющий 53 нм.
От условий получения (температура; давление в реакционной камере; скорость нагрева; время термической обработки; концентрация солей Fe и Ni в полимере) зависит размер наночастиц FeNi3. Зависимость размера наночастиц FeNi3, измеренных с помощью метода РФА, в полимерной матрице от условий ИК-нагрева и концентрации компонентов показаны в таблице.
|