Новые неорганические волокна - тугоплавкие монокристаллы на основе оксидов, нитридов и карбидов металлов, называются нитевидными кристаллами. Второе название кристаллов - усы, или вискеры от английского слова "whisker" - волос. На их основе получают композиционные материалы. По размерам вискеры сопоставимы с наночастицами: диаметр некоторых из них не превышает 100 нм.
Нитевидные кристаллы можно разделить на две основные группы: кристаллы естественного и искусственного происхождения. Усы первой группы формируются на земле уже много тысячелетий, упоминания о вторых в научной литературе начинаются с 16 века. Известны самородные волокнистые кристаллы Au, Ag, Cu, Sn, Pb, S, различных окислов и силикатов. Часто природные нитевидные кристаллы встречаются в виде включений внутри др. минералов (например, иглы рутила в природных кристаллах рубина, кварца).
Особый интерес к вискерам возник в 50-х гг. ХХ века. Вискеры некоторых тугоплавких соединений (карбида кремния, окиси алюминия, нитрида кремния и др.) выпускаются в промышленных масштабах. Наиболее важное свойство нитевидных кристаллов - уникально высокая прочность, в несколько раз превосходящая прочность массивных моно- и поликристаллов. Высокая прочность усов объясняется совершенством их структуры и значительно меньшим, чем у массивных кристаллов, количеством объёмных и поверхностных дефектов. Одна из важнейших причин малой дефектности нитевидных кристаллов - их размеры, при которых вероятность присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика. В них, в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации, обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах.
Важным направлением научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с использованием вискеров, стала разработка нового поколения тканевых электродных материалов для вторичных источников тока. Их создание требует достижения определенной обменной емкости, высокой подвижности ионов, электронной проводимости, а также живучести, то есть долговечного использования в циклах разрядка-зарядка. Выращенные минеральные нити имеют почти идеально подходящую структуру, а параметры их кристаллической решетки изменяются таким образом, что ее сжатие и растяжение происходит поперек, а не вдоль нитей, что позволяет избежать их растрескивания. Также помимо удивительных ионно-обменных свойств, вискерам присуща уникальная гибкость.
Волокна вискеров после обработки кислотой и переведения в так называемую H-форму становятся активным сорбентом тяжелых металлов, поскольку структурно способны легко обменять протоны на катионы с большим радиусом, без затруднений располагающихся в каналах кристаллической структуры, поэтому могут использоваться при утилизации, техногенных и радиоактивных отходов.
Нами проведен поиск патентной информации по ряду стран, в котором рассмотрены условия выращивания нитевидных кристаллов окиси магния и гексатитаната калия (ГТК). Выявлены преимущества и недостатки различных способов синтеза нитевидных кристаллов. Анализ литературы и патентных источников показывает возможность получения нитевидных кристаллов окиси магния и гексатитаната калия, пригодных для производства электроизоляционных материалов.
Геометрические размеры нитевидных кристаллов зависят от способа их синтеза. Наиболее длинные НК окиси магния получены в парогазовой фазе (>1000 мкм), НК ГТК - гидротермальным синтезом в закритических условиях (>1500 мкм) и из раствора в эвтектическом расплаве солей (>500 мкм).
Для стабилизации роста НК окиси магния и ГТК, повышения их качества и увеличение их выхода вводят в реакционную шихту в качестве стабилизирующих добавок неорганические соли. Методом ИК-спектроскопии и рентгенографии нами исследованы нитевидные кристаллы Al2O3, SiC, Si3N4, AlN изделия из них. Термические исследования показали стабильность свойств и их термостойкость. Нитевидные кристаллы нитрида кремния обладают высокой стойкостью по отношению к расплаву металлов, что дает основание использовать их в огнеупорных изделиях. Особенно они устойчивы к расплавам алюминия, свинца, олова, цинка. Предлагается использовать их в качестве модифицирующих добавок в микалексе. Также нами изучены физико-химические свойства вискеров MgO и ГТК.
Перспективными являются работы по созданию новых теплоизоляционных композиций, в состав которых входят нитевидные кристаллы различных химических соединений и которые используются в авиационной и космической технике. Производство ионных проводников, катодных материалов, твердофазных электролитов, катализаторов, а, возможно, и матриц для захоронения радиоактивных отходов, - вот лишь некоторые из возможных сфер применения нитевидных кристаллов нового типа. И возможности этих уникальных объектов, которые вот уже полвека интенсивно изучаются в ведущих лабораториях мира, до конца не исчерпаны.
Библиографическая ссылка
Шишелова Т.И., Степанова Н.Е., Плынская Д.А., Беляева М.А. НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ // Успехи современного естествознания. – 2009. – № 8. – С. 12-13;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=14046 (дата обращения: 19.04.2024).