Анотація до роботи:

Вишнякова К.Л. МЕХАНІЗМИ БАГАТОСТАДІЙНОГО ПІРОЛІЗУ ГІДРАТЦЕЛЮЛОЗИ, ІМПРЕГНОВАНОЇ SiO₂, ТА УТВОРЕННЯ ВОЛОКОН -SiC. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеню кандидата хімічних наук за спеціальностью 02.00.04 – фізична хімія. Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М.Францевіча., Київ, 2005

В роботі досліджено процеси, що відбуваються при синтезі волокон карбіду кремнію шляхом піролізу волокон гідратцелюлози, іпрегнованих диоксидом кремнію, методами ІЧ-спектроскопії, ДТА, рентгенофазового аналізу, електронної мікроскопії, раманівської мікроспектроскопії та хімічного аналізу. Показано утворення склокерамічної фази Si_xC_yO_z, яка в при температурах вище 1100 єС; розкладається з утворенням нанорозмірних кристалічних частинок вуглецю, карбіду кремнію та кристобаліту. При температурах 1400-1500 єС утворюється практично безпористе волокно, що складається з кристалічних фаз, зкріплених залишками оксикарбіду кремнія, що не розклався. Отримані результати можуть бути використані для розробки технології отриманння високоміцних волокон.

В дисертації також досліджено процес синтезу волокон карбіду кремнію шляхом карботермічного відновлення диоксиду кремнію із застосуванням вуглецевих волокон, отриманих карбонізацією гідратцелюлози. Встановлено можливість вирощування віскерсів на поверхні полікристалічних волокон одночасно з процесом їх синтезу. Вирощені віскерси мають діаметр 200-300 нм та відрізняються досконалою структурою. Визначено, що зростання віскерсів відбувається за механізмом ПРТ. Віскерси можуть бути використані для армування нанокераміки.

1. Досліджено процеси піролізу гідратцелюлозних волокон, імпрегнованих диоксидом кремнію, із застосуванням методів ІЧ-спектроскопії, рентгенофазового аналізу, трансмісійної та скануючої електронної мікроскопії, спектроскопії енергетичних втрат електрону, раманівської мікроскопії та хімічного аналізу.

2. Встановлено, що при імпрегнуванні гідратцелюлозних волокон диоксидом кремнію під час витримки в розчині силікату натрію відбувається взаємодія між гідратцелюлозою та силікатом натрію, що супроводжується процесами деструкції гідратцелюлози та утворення нової речовини, яка характеризується аморфним станом, безпористою структурою та наявністю зв’язків, характерних для гідратцелюлози та кремнієвої кислоти.

3. В процесі піролізу гідратцелюлози, імпрегнованої диоксидом кремнію, встановлено утворення склоподібної фази Si_xC_yO_z змінного складу – в залежності від кількості диоксиду кремнію, поглинутого гідратцелюлозою. Проведено ідентифікацію цієї фази методами ІЧ-спектроскопії, електронної мікроскопії та рентгенофазового аналізу, хімічного аналізу, та раманівської мікроспектроскопії.

4. Досліджено закономірності розкладу новоутвореної склофази при відпаленнях в інтервалі температур 900-1800 ^оС. Доведено, що в умовах дослідження Si_xC_yO_z, синтезований при температурі 800 ^оС, зберігає свій стан при відпаленні до 1100 ^оС. При підвищенні температури відпалення до 1200-1300 ^oC оксикарбід кремнію починає розкладатися з виділенням вільного вуглецю у формі фулереноподібних структур – сферолітів, стрічок та нановолокон. При цьому склофаза зберігає свій структурний стан. При температурах відпалення 1400-1500 ^оС продовжується розклад оксикарбіду кремнію з виділенням вільного вуглецю та нанорозмірних часток диоксиду кремнію і карбіду кремнію. Оксикарбід кремнію, що не розклався, зкріплює інші структурні елементи та обумовлює практично безпористу структуру волокна. Така структура є характерною для відомих високоміцних карбідокремнієвих волокон Nicalon, що виготовляються з кремнійорганічних попередників, тому можна розраховувати на високі механічні властивості волокон карбіду кремнію, виготовлених із застосуванням гідратцелюлози.

5. Досліджено закономірності синтезу полікристалічних волокон карбіду кремнію шляхом карботермічного відновлення. Встановлено, що насичення середовища синтезу парами SiO та СО дозволяє отримувати віскеризовані волокна карбіду кремнію -модифікації. Отримані віскерси мають поперечні розміри 200-300 нм. Їх структура відрізняється досконалістю, яка обумовлює високі фізико-механічні властивості і робить їх перспективними армуючими наповнювачами для нанокомпозитів. Доведено, що зростання віскерсів відбувається за механізмом ПРТ. Реакція карботермічного відновлення, згідно з якою проходить синтез полікристалічних волокон, значно активує процес зростання віскерсів, що створює умови для розробки високоефективної технології їх отримання.

Основний зміст роботи викладено в публікаціях:

1. Вишнякова Е. Л., Томила Т. В., Исследование карбонизации гидратцеллюлозы в присутствии диоксида кремния методом ИК-спектроскопии // Укр. хим. журн.- 2003.- 69, №12.-с. 85-90. (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів та написання тексту статті).

2. Вишнякова К.Л., Переселенцева Л.М., Дослідження процесів синтезу волокон карбіду кремнію з гідратцелюлози // Укр. хим. журн . – 2004. –70, №6, с.83-87. (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів та написання тексту статті).

3. Vyshnyakova K., Pereselentseva L., Structure and properties of silicon carbide fibers as function of their synthesis conditions// Nanoengineered Nanofibrous Materials, NATO Science Series Volume NATO-ASI (PST 979397), Kluwer Academic Book Publishers, Dordrecht, Netherlands. – 2004. - р. 121-129. (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів та написання тексту статті).

4. Vyshnyakova K. L., Pereselentseva L. N., Cambaz Z. G., Yushin G. N., Gogotsi Y., Whiskerization of Polycrystalline SiC Fibers during Synthesis // British Ceramic Transactions. - 2004.- Vol. 103, 5, - P. 193-196. (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів та написання тексту статті).

5. Вишнякова К.Л., Переселенцева Л.М., Охріменко В.В., Вишняков Л.Р., Дубок В.А. Спосіб одержання волокон карбіду кремнія. Деклараційний патент на винахід №63846 А. Заявка № 2003109147 від 09.10.2003. Опубліковано 15.01.2004, бюл.№ 1, 2004 р.

6. Лавренко В.А., Вишнякова Е.Л., Швец В.А., Электрохимические свойства спеченного поликристаллического - SiC // Порошковая металлургия – 2004. - №9/10 – с. 60-68 (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів та написання тексту статті).

7. Vyshnyakova K., Studying of physicochemical process of obtaining of whiskerized silicon carbide fibers //European Conference Junior Euromat 2000, August 28- September1, Lausanne, Switzerland, Abstracts.-p.348-349 (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів, стендова доповідь на конференції).

8. Vyshnyakov L., Vyshnyakova K., Pereselentseva L., Bossert J., Synthesis of nanostructure SiC fibers from hydrate cellulose // Nanostructured Materials and Coatings for Biomedical and Sensor Applications, NATO Advanced Research Workshop, 2002, August 4-8, Kyiv, Ukraine, Abstracts p.73 (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів, стендова доповідь на конференції).

9. Переселенцева Л.Н., Вишнякова Е.Л., Олейник Г.С., Томила Т.В. Физико-химические процессы при карбонизации гидратцеллюлозных волокон в присутствии диоксида кремния // Тезисы международной конференции “Углерод: фундаментальные проблемы науки, материаловедение, технология”, 2002 г., Москва. стр. 165 (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів).

10. Vyshnyakova K., Structure and properties of silicon carbide fibers depending on their synthesis condition // NATO-ASI Nanoengineered Nanofibrous Materials, Antalya, Turkey, Abstracts, p.51 (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів, стендова доповідь на конференції).

11. Vyshnyakova K., Oleinik G., Pereselentseva L., SiC fibers synthesis accompanied with nanocrystalline carbon formation //Fourth International Conference on Inorganic Materials, University of Antwerp, Belgium, 19-21 September 2004, Abstract Book, p.426 (Підготовка зразків для вимірювання, отримання та обробка експериментальних даних, участь в обговоренні результатів, стендова доповідь на конференції).