Методика
Керамические пластины получали прессованием порошка технического глинозема марки ГН и пудры алюминиевую марки ПАП-2. В качестве временной технологической связки применяли водный раствор поливинилового спирта (ПВС) марки 6/1 высшего сорта в количестве 2,5 % масс. Заготовки подвергали спеканию в режиме фильтрационного горения при при 1420К в течении 3 ч. Селективный слой сплава Pd-Cu(40%масс.) наносили на поверхность керамических пластин методом магнетронного распыления (постоянный ток 300-700 mА, ускоряющее напряжение 400-500 В) в среде Ar (10-1 Па). В этих режимах скорость конденсации составляла от 0,4 до 2,0 нм∙с-1.
Исследовали фазовый состав керамики и покрытия, морфологию свободной поверхности и поперечного скола, наноиндентирование металлического слоя, водородопроницаемость образцов гетероструктуры в интервале температур 300 – 640К.
Результаты и обсуждение
На рисунке 1 приведены РЭМ изображения поверхности поперечного скола гетероструктуры керамика – металлическое покрытие толщиной около 7мкм (а) и свободной поверхности слоя Pd-Cu (б) и его поперечного среза (в).
Рисунок 1 — РЭМ изображения поверхности поперечного скола металлокерамической гетероструктуры (а), слоя Pd—Cu (б) и его поперечного среза (в)
Для слоя Pd-Cu характерна градиентная зеренная структура и анизотропная форма зёрен свойственная толстым вакуумным конденсатам [1]. Из дифрактограммы следует, что слой имеет текстуру роста <110>, ожидаемую для β-фазы твёрдого раствора Pd-Cu [2].
Анализ диаграмм нагрузка — глубина проникновения наноиндентора, для серии измерений показал, что деформация имеет упруго-пластический характер. Результаты наноиндентирования поверхности слоя сплава Pd-Сu, сконденсированного на поверхность керамики: твёрдость Н = 1,6 ГПа, модуль упругости Е = 111,2 ГПа, доля упругой деформации η = 12,8%.
На рисунке 2 приведена температурная зависимость водородопроницаемости металлокерамического композита (а) и свободной конденсированной фольги сплава Pd-Cu толщиной 4 мкм (б), полученной в аналогичных условиях на поверхности окисленного кремния при ТП= 400 К [3].
Рисунок 2 – Температурная зависимость водородопроницаемости гетероструктуры (а) и свободной фольги (б) сплава Pd—Cu
Общая закономерность — немотонная зависимость, свойственная конденсированной фольге с высокодисперсной зеренной структурой, обусловленная структурными изменениями при нагреве. Повышение водородопроницаемости до первоначального значения происходит вследствие рекристаллизации исходной градиентной структуры. Водородопроницаемость композитной гетероструктуры на порядок меньше, чем водородопроницаемость свободной фольги PdCu (β-фаза) [3], но она соизмерима с водородопроницаемостью фольги PdCu [4], полученной прокаткой. Десятикратное уменьшение водородопроницаемости композитной гетероструктуры по сравнению с свободной конденсированной фольгой можно объяснить соответствующей долей площади покрытия, приходящейся на выходящие к поверхности керамики сквозные поры. Поэтому возможный путь увеличения водородопроницаемости металлокерамических композитов – увеличение доли поверхности керамики, приходящейся на выходящие к поверхности керамики сквозные поры, при уменьшении их диаметра до нескольких десятков нанометров.
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания ВУЗам в сфере научной деятельности на 2014 – 2016 годы (проект №848) и в части формирования металлического мембранного слоя поддержана грантом РФФИ №13-08-12408.
Список литературы
- Drift A.V. Evolutionary selection, a principle governing growth orientation in vapor-deposited layers // Phil. Res. Rep. 1967. Vol. 22. P. 267 – 288
- Стабилизация упорядоченной структуры тонкой конденсированной фольги твёрдого раствора Pd-Cuв среде водорода/ В. М. Иевлев, К.А. Солнцев, А.А. Максименко, Е.К. Белоногов, С.В. Канныкин, А.А. Синельников, Д.А. Синецкая. // Доклады академии наук серия физико-химическая, 2015, Т.460, №4 с. 422-426.
- Иевлев В.М. Бурханов Г.С. Максименко А.А. Белоногов Е.К. Донцов А.И. Рошан Н.Р. /Водородопроницаемость фольги сплавов Pd-Cu, Pd-Ru и Pd-In-Ru полученной магнетронным распылением// Конденсированные среды и межфазные границы. 2012. Т.14. №4. С. 66-71.
- Водород в металлах. Под ред. Г. Алефельда, и М. Фелькля, пер.с англ. под ред. Ю.М. Кагана, Т.1. — М.: Мир. — 1981. — 475 с.[schema type=»book» name=»Максименко Александр Александрович Канд. физ. – мат. наук, Воронежский государственный университет, научный сотрудник кафедры материаловедения и индустрии наносистем, г. Воронеж» description=»Цель работы – создание композитной металл – керамической мембраны для очистки водорода. Использован метод магнетронного распыления сплавной мишени PdCu на поверхность пористой керамики. Исследованы структура, фазовый состав и водородопроницаемость полученной композитной гетероструктуры. Выводы. Цель. Метод. Результат. Показана принципиальная возможность изготовления композитных гетероструктур на основе пористой керамики (Al2O3) с металлическим слоем (Pd-Cu) для создания мембранных элементов селективных фильтров глубокой очистки водорода. Проницаемость гетероструктуры лимитируется керамической подложкой в связи с малой площадью поверхности, приходящейся на открытые поры.» author=»Максименко Александр Александрович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-11″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_28.11.15_11(20)» ebook=»yes» ]