Механические свойства. Термостабильность

Термостабильность

Из-за большого отношения поверхности к объему в нанопроволоках и других наночастицах их термостабильность значительно отличается от таковой объемных тел. Теоретические изучения вещества малых объемов показывают, что температура плавления, в наноструктурах уменьшается, также как и скрытая теплота плавления и что большой гистерезис может наблюдаться в цикле плавление-кристаллизация. Эти явления были экспериментально изучены в трех типах систем нанопроволок: пористые матрицы, пропитанные множеством нанопроволок; отдельные нанопроволоки, покрытые тонкой оболочкой и просто отдельные нанопроволоки.

Процессы застывание — плавление поддерживаемых массивов нанопроволок могут быть изучены дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК), если возможно получение больших объемов образцов. Huber и др. исследовали плавление индия в пористых кварцевых стеклах со средними диаметрами поры от 6 до141 нм. Температура плавления индия, ограниченного стенками пор, линейно за­висела от обратного диаметра поры, с максимальным уменьшением температуры плавления на 50 °С. Они также обнаружили разницу в 6 °С между температурой плавления и температурой кристаллизации индия диаметром 12,8 нм. Термический профиль плавления у этих образцов индия, ограниченного стенками пор, болёе широк в температуре, чем для объемного индия, как предполагается, из-за неоднородности диаметров пор и аспектного отношения кристаллитов в образцах.

Покрытые оболочкой нанопроволоки дают возможность изучить плавление и рекристаллизацию отдельных нанопроволок. Оболочка, окружающая нанопроволоку, обеспечивает ограничение и держит жидкую фазу в пределах внутреннего цилиндрического объема. Однако взаимодействие поверхности нанопроволоки с оболочкой должно приниматься во внимание при анализе термодинамики и кинетики фазового перехода. Yang и др. формировали нанопроволоки германия, покрытые тонкой графитовой оболочкой (1-5 нм), с помощью пиролиза органических молекул, выращенных методом VLS нанопроволоках и исследовали плавление и рекристаллизацию германия, изменяя температуру в камере ПЭМ. Плавление нанопроволок сопровождалось исчезновением электронной дифракционной картины. Было обнаружено, что нанопроволоки начинали плавиться с концов, с передвигающимся фронтом плавления к центру нанопроволоки с увеличением температуры. Во время циклов охлаждения кристаллизация нанопроволоки происходила мгновенно после значительного переохлаждения. Авторы сообщают и о наибольшем зарегистрированном к настоящему времени для германия изменении температуры плавления (≈ 300 °С), и наибольшем гистерезисе плавление — кристаллизация до ≈ 300 °С. Подобным образом углеродные нанотрубки заполнялись различными металлами с низкими температурами плавления. Продемонстрирован нанотермометр, на основе жидкого галлия, заполнившего 10 нм углеродную нанотрубку, при этом объем галлия линейно изменялся с температурой, температурный коэффициент расширения при этом был идентичный объемному значению.

Другое поведение наблюдалось у отдельно стоящих медных нанопроволок. В подобной системе есть небольшое взаимодействие между поверхностью нанопроволоки и средой, и нанопроволока не ограничена в диаметре, как в случае покрытия оболочкой. Термообработка таких автономных нанопроволок приводит к их дроблению на металлических сферах, лежащих на одной линии. Более тонкие нанопроволоки были более чувствительные к термообработке, чем более толстые, показывая сжатие и сегментацию при более низких температурах. Анализ температурной реакции нанопроволок показал, что сегментация нанопроволоки - результат рэлеевской нестабильности, начинающейся с колебательных возмущений диаметра нанопроволоки, приводящих к длинным цилиндрическим сегментам, которые становятся более разрозненными и более сферическими при более высоких температурах. Эти данные говорят о том, что поведение при отжиге и плавление определяются поверхностной диффузией атомов на всей поверхности нанопроволоки, а не плавлением, инициируемым с концов.

Дата добавления: 2015-07-12