96602

Рентгенівські дослідження об’єктів, отриманих вибухом ніхромових дротин

Курсовая

Физика

Рентгенофазовий аналіз речовини. Якісний аналіз. Кількісний аналіз. Експериментальне дослідження наночастинок отриманих методом вибуху ніхромових дротин. Ніхром та його використання. Рентгеноструктурні дослідження наночастинок отриманих методом вибуху ніхромових дротинок.

Украинкский

2015-10-08

3.09 MB

0 чел.

PAGE   \* MERGEFORMAT 2

Рівненський державний гуманітарний університет

Кафедра фізики

КУРСОВА РОБОТА

з фізики на тему:

«Рентгенівські дослідження об’єктів, отриманих вибухом ніхромових дротин»

                                             Студента IІІ курсу групи ФМХІ-31

                                                      напряму підготовки  6.040203  «Фізика»

                                                   cпеціальності «Фізика та інформатика»  

                                                              Дробуша Я.М.

                               Керівник ст. в. Левчук В.В.

                                                       Національна шкала__________________

                                                        Кількість балів ______ ОцінкаECTS_____                           

                            Члени комісії________________    _____________________________

                                                        (підпис)                      (прізвище та ініціали)

                                                               ________________    _____________________________

                                                        (підпис)                      (прізвище та ініціали)

                                                               ________________    _____________________________

                                                        (підпис)                      (прізвище та ініціали)

Рівне 2015

Зміст

Вступ…………………………………………………..………….….……………3

Розділ I. Рентгенофазовий аналіз речовини……….…………….………….….5

1.1. Якісний аналіз……….……………………………………….….….….….…5

1.2. Кількісний аналіз…...………………………………………………………..14

Розділ II. Експериментальне дослідження наночастинок отриманих методом вибуху ніхромових дротин……………………………………………………………..20

2.1. Ніхром та його використання…………………………………….…….....20

2.2. Рентгеноструктурні дослідження наночастинок отриманих методом вибуху ніхромових дротинок……………………………………….…….…….…….20

Висновки………………………………………………………………………....28

Література……………………………………………………………………...….29

Вступ

Наночастинка – ізольований твердофазовий об'єкт, що має чітко виражену границю з навколишнім середовищем, розміри якого у всіх трьох вимірах становлять від 1 до 100 нм.

Наночастинки – один з найбільш загальних термінів для позначення ізольованих ультрадисперсних об'єктів, багато в чому дублюючий раніше відомі терміни, але відрізняється від них чітко визначеними розмірними межами. Тверді частинки розміром менше 1 нм зазвичай відносять до кластерів, більше 100 нм - до субмікронних частинок.

В той же час, в деяких областях знання, зокрема, в біомедичних нанотехнологіях наночастинками часто умовно називають і об'єкти діаметром до декількох сотень нанометрів, малий розмір яких також відіграє значну роль в їх властивості та застосування.

Методи добування наночастинок: метод синтезу наночастинок за допомогою плазми, створюваної радіочастотними нагрівальними котушками; ймовірно, найбільш корисними методами синтезу, в сенсі потенціалу великомасштабного застосування, є хімічні методи; наночастки можуть утворюватися в результаті розкладання при високій температурі твердих речовин, що містять катіони металів, молекулярні аніони або металоорганічні з'єднання; для отримання наночастинок срібла використовували імпульсний лазер.

Наночастинки застосовуються в медицині та нанобіотехнології:  в даний час вже є дослідні зразки наноконтейнерів для прицільної доставки ліків до уражених органів і нановипромінювачів для знищення злоякісних пухлин; для створення матеріалів, необхідних при лікуванні опіків і ран; у стоматології; у косметології, електроніці та інформаційних технологіях. Особливі надії на нанотехнології покладають фахівці у галузі електроніки та інформаційних технологій. Військові дослідження у світі ведуться в шести основних сферах: технології створення і протидії невидимості, енергетичні ресурси, системи що самостійно відновлюються, зв'язок, а також пристрої виявлення хімічних і біологічних забруднень. Нанотехнології здатні також стабілізувати екологічну обстановку, а також здатні здійснити революцію в сільському господарстві. Молекулярні роботи можуть виробляти їжу, замінивши сільськогосподарські рослини і тварин. Завдяки нанотехнологіям вченим вдається домогтися все кращого поглинання сонячної енергії.

Ніхро́м — загальна назва прецизійних жаростійких хромо-нікелевих сплавів, а також потрійних хром нікель залізних сплавів з однофазною структурою твердого розчину з додаванням марганцю, кремнію та алюмінію. Сплави характеризуються великим питомим електричним опором, є стійкими до корозії, пластичні. Завдяки цим властивостям використовуються для виготовлення нагрівачів, чохлів термопар, пічної арматури. Також ніхром використовується як жаростійкий і хімічно стійкий сплав для роботи в певних агресивних середовищах, з ніхрому виготовляють деталі, що працюють при високій температурі, резисторні елементи, реостати. Сплав застосовується як підшар для жаростійкого покриття при газотермічному напиленні.

Метою даної роботи є проведення рентгенівських досліджень об’єктів отриманих вибухом ніхромових дротин.

Розділ I. Рентгенофазовий аналіз речовини.

1.1.Якісний аналіз.

У більшості випадків за відомим набором міжплощинних відстаней і відповідних їм інтенсивностей можна визначити фазовий склад речовини, якщо, звичайно, відомі аналогічні дані для компонентів суміші.

Значення міжплощинних відстаней для різних речовин приведені в декількох довідниках. Найбільш повною є рентгенометрична картотека ASTM [1]. Дані для значного числа речовин наведені також в [2] і [3]. Картотека ASTM вигідно відрізняється від інших довідників систематичним поповненням. Тому ми надалі опишемо процеси фазового аналізу з використанням саме картотеки ASTM.

Рентгенометричні дані для кожної речовини в картотеці заносяться на окрему картку, схема якої наведена в табл.1. Рентгенометрична картотека ASTM забезпечена двома покажчиками – предметний і «ключем». Якщо валовий хімічний склад відомий, то задача зводиться до зіставлення рентгенометричних даних (), отриманих для досліджуваного зразка з аналогічними даними для порівняно невеликої кількості можливих хімічних сполук. В цьому випадку зручно користуватися предметним покажчиком.

                                                                                                           Таблиця 1

№ карточки

ліній, наведених в ключі

Назва і формула речовини

Умови зйомки, посилання на джерело

I / I1

hkl

I / I1

Параметри решітки й інші кристалографічні дані

Оптичні дані

Умови отримання зразка, дані хімічного аналізу

Більш складне завданнявизначення  фазового складу при відомому хімічному складі. У багатьох випадках це завдання однозначно не вирішується і бажано провести хоча б якісний хімічний аналіз. Якщо даних про хімічний склад немає, то неоднозначність визначення пояснюється тим, що ізоструктурні речовини можуть давати близькі рентгенограми, які мало розрізняються за величинами міжплощинних відстаней і відносних інтенсивностей. З такою неоднозначністю часто доводиться стикатися при ідентифікації речовин, що кристалізуються в кубічній, гексагональній та тетрагональній сингоніях (особливо у випадку кубічних речовин). Однак точне визначення параметрів решітки, яке якраз в цьому випадку можна виконати, по дебаєграмі, значно зменшує цю неоднозначність.

Для полегшення ідентифікації речовин за допомогою рентгенометричної картотеки вона забезпечена ключем. Для ключа відбираються три найбільш характерні міжплощинні відстані – бажано  в області порівняно великих  (0,8 –0,2 ) нм – з  високою інтенсивністю відповідних їм ліній.

Речовини в ключі групуються за величинами першої характерної міжплощинної відстані (наприклад, речовина з характерним  = 3,03 Å поміщається в групу від 3,00 до 3,04 Å). Всередині групи речовини розташовуються в порядку зменшення другої характерної міжплощинної відстані. Третє значення необхідно для попереднього відбору речовин. Іноді одна і та ж речовина поміщається в ключі два – три  рази – змінюється порядок міжплощинних відстаней. Якщо, наприклад, в якості трьох характерних міжплощинних відстаней обрані 3,56, 2,95 і 2,43, то речовина може бути поміщено в групах 3,55 – 3 ,59, 2,95 – 2,99 і 2,40 – 2,44. Таке дублювання необхідно через те, що одна з міжплощинних відстаней може збігатися з  іншої речовини і може бути помилково віднесено тільки до цієї речовини.

Попередній відбір по ключу дозволяє вибрати групу в 5 – 10 речовин. Більш повні данні для цих речовин наведених у окрему картку (номери яких поряд з назвою і формулою речовин наводяться в ключі).

Можна вважати, що присутність речовин в суміші встановлено досить надійно, якщо всі яскраві і більшість слабких ліній, що приводяться в картці для даної речовини, присутні на рентгенограмі досліджуваного зразка. Якщо ж частина яскравих ліній відсутня, то збіг останніх ліній є випадковим.

При ідентифікації слід мати на увазі, що частина яскравих ліній на рентгенограмі зразка може відноситися до однієї фази, а частинадо іншої. Тому  розглядаються різні комбінації найбільш інтенсивної лінії з іншими.

Найбільш важко однозначно ідентифікувати речовини, що кристалізуються в кубічній сингонії, особливо якщо така речовина присутня в невеликій кількості (більшість його нечисленних ліній може збігатися з лініями основних фаз суміші). Однозначний вибір такої речовини із серії  ізоструктурних проводиться за величиною параметра решітки. При ідентифікації враховвують також інтенсивність ліній. У картотеці використана стобальна шкала, але в багатьох випадках в оригінальних роботах інтенісивності оцінювалися за п'яти, десяти бальною шкалою і перераховувалися потім в стобальну. Тому точність наведених значень інтенсивностей не слід перебільшувати. Необхідність ретельного зіставлення не тільки , а й інтенсивностей видна з табл. 2.

                                                                                                            Таблиця 2

Рентгенометричні дані для , , ,

лінії

*

**

***

****

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

100

48

49

47

13

9

18

15

13

15

3,157

2,735

1,934

1,649

1,579

1,368

1,255

1,223

1,1163

1,0523

100

15

65

50

17

13

35

3

15

8

3.14

2,72

1,924

1,641

1,572

1,362

1,250

1,218

1,112

1,049

94

100

35

 

12

10

16

7

3,153

1,931

1,647

1,366

1,253

1,1150

1,0512

100

60

35

8

13

17

9

3,138

1,920

1,638

1,357

1,246

1,1083

1,0450

     *ASTM, 5-0550.

   **ASTM, 12-191.

 ***ASTM, 4-0864.

****ASTM, 5-0565.

Значення міжплощинних відстаней досить близькі для всіх чотирьох речовин, що пояснюється близькістю параметрів решітки та однаковим типом решітки.

Особливо близькі між собою рентгенограми  і ,  і  (у  і  немає ліній, відповідних другої, п'ятої та восьмої лініях  і ). Однак при зіставленні відносних інтенсивностей ліній в обох випадках можна помітити різницю: 2–а і 3–а, 8–а і 9–а лінії  приблизно рівної інтенсивності, в той час як у  2–а і 8–а лінії значно слабкіші 3–й і 9–й, у  і  значно розрізняються інтенсивності перших двох ліній. Визначення параметрів решітки (з точністю хоча б до 0,002 Å) також дає однозначну відповідь на питання про те, яка речовина досліджується в даному випадку. Розбіжності в значеннях інтенсивності у різних авторів можуть бути викликані різними умовами зйомки. На відміну від відмінностей, зумовлених різницею в розташуванні атомів в комірці, вони більш-менш плавно залежать від кута відбиття і довжини хвилі застосовуваного випромінювання. Це пов'язано в основному з відмінностями у впливі абсорбційного фактора: на рентгенограмах, отриманих від товстих (0,4 – 0,6 мм) циліндричних зразках сильно поглинаючих речовин, лінії при невеликих кутах сильно послаблюються, інтенсивність ліній з меншими значеннями  буде відносно більшою, ніж при зйомці тонких зразків і особливо шлифів (зокрема, при зйомці на дифрактометрі), так як в останньому випадку поглинання буде однаково позначатися на інтенсивності всіх ліній.

Дуже сильно змінює інтенсивність ліній переважна орієнтація кристалітів (текстура) у зразку, причому в даному випадку спотворення інтенсивності залежить від індексів відображуваної площини. Більш докладно вплив цих факторів буде розглянуто нижче. Такі дані, як наведені в табл. 3, можна вважати співпадаючими: у всіх випадках відмінність інтенсивностей змінюється залежно від  і відносні інтенсивності двох сусідніх ліній близькі.

                                                                                                           Таблиця 3

Рентгенометричні дані (з різних джерел) для NaCI

[1]

[3]

[2], 1,0993

[2], 5-0628

2

9

10

6

4

10

10

2

3,25

2,814

1,990

1,625

1,407

1,259

1,149

1,083

2

9

19

1

6

4

1

10

10

2

3,249

2,814

1,990

1,697

1,625

1,407

1,291

1,259

1,149

1,083

5

100

83

2

33

13

1

23

20

1

3,25

2,81

1,99

1,70

1,63

1,41

1,29

1,26

1,15

1,08

13

100

55

2

15

6

1

11

7

1

3,258

2,821

1,994

1,701

1,628

1,410

1,294

1,261

1,1515

1,0855

Різниця інтенсивностей пояснюється (крім різних шкал інтенсивності) різною товщиною зразка та різною довжиною хвилі використовуваного випромінювання.

Розберемо конкретний випадок фазового аналізу з використанням картотеки ASTM. У табл. 4 наведено результати проміру рентгенограми суміші.

Найяскравіша лінія має  = 3,10 Å, потім йдуть (у порядку падіння інтенсивностей) 2,63, 4,78, 3,06, 2,30, 3,85, 3,77, 3,66. Знаходимо в ключі групу  3,10–3,14 (необхідно переглянути і групу 3,05-3,09, так як невелика помилка у визначенні  самої  яскравої лінії може привести до помилкового визначення групи).

                                                                                                         Таблиця 4

Рентгенометричні дані для невідомої системи

N

I

N

I

1

2

3

4

5

6

7

8

50

35

35

35

18

100

50

25

4,78

3,85

3,77

3,66

3,33

3,10

3,06

2,83

9

10

11

12

13

14

15

70*

18

50

18

18

18

18*

2,63

2,51

2,30

2,24

2,14

2,09

2,03


*
 Широкі лінії

В якості другої лінії використовуємо всі яскраві, середньояскраві і середні лінії, так як цілком можливо, що частина з них належить до другої фази.

У наступних речовин значення  близькі до однієї з пар (табл. 5). Для кожної пари в першій сходинці вказане значення , у другій – інтенсивності відповідних ліній.

                                                                                                          Таблиця 5

пари

Знайдено

Є в ключі

№ карточки

1

2

3

4

5

6

7

8

  3,10         4,78        3,06

100           50           50

  3,10         3,06        2,14

100           50           18

  3,10         3,85

100           35

  3,10         4,78       4,78

100           50          50

  3,10         3,85       2,83

100           35         25

  3,10         3,85       2,83   

100           35        25

  3,10         3,06      4,78

100           50        50

  3,10         3,06      2,51

100           50        18

 3,10       4,76          3,07

100        53            31

  3,08       3,02         2,15

100        100          100

 3,14       3,85         2,73

100        100          100

  3,09       4,77         4,73

80          100          100

  3,08       3,87         2,84

70          100          40

  3,08       3,83         2,88

100        70            70

  3,09       3,03         4,82

100        100          90

  3,08       3,02         2,53

100        85            60

7 – 0210

8 – 62

12 – 406

13 – 403

12 – 425

11 – 374

4 – 0642

13 – 514

З цих речовин тільки для першої збіг можна вважати задовільним – найяскравіша  лінія дійсно 3, 10, друга слабкіше першої, третя лінія також присутня і має значну інтенсивність. Для остаточного зіставлення знаходимо картку

7– 0210 (). Дійсно, всі лінії вольфрамату кальцію присутні на рентгенограмі досліджуваного зразка (табл. 6). Речовини № 2, 3, 4, 5 не підходять по співвідношенню інтенсивностей трьох ліній ключа, речовини № 6, 7 і 8 підходять дещо краще, проте перегляд карток дозволяє їх також виключити (у речовини № 6, крім того, погано узгоджуються лінії 2, 83 і 2,88). Так, у гідрату основного уранілфосфату барію (11 – 374) повинні бути присутніми досить яскраві лінії з  = 8,0 4,41 і 3,47, яких немає на знімку; у (4 – 0642) – яскрава лінія з  = 5,42 (а лінії 3,09 і 3,02 повинні мати однакову інтенсивність). На знімку вольфрамату кадмію (13-514) повинні бити лінії з  = 2,93 і 3,81, але їх немає.

Декілька різна зміна інтенсивностей на рентгенограмі зразка і у вольфраматі кальцію не повинно бентежити, оскільки умови зйомки були різні (зразок знімався в камері РКД – 57, a – на дифрактометрі). Однак  можна приписати тільки частину ліній. З решти найбільш яскравими є лінії з міжплощинними відстанями 3,85; 3,77; 3,66 і 2,63 (інтенсивність останньої лінії помітно вище, ніж в аналогічної лінії вольфрамату кальцію, і в даному випадку, мабуть, має місце накладення декількох ліній). Тому переглядаємо по ключу гpyпу 3,80–3,84 і 3,85–3,89; 3,75–3,79 і 3,65–3,69. Вдається підібрати тільки одну речовину з міжплощинними відстанями, близькими до 3,85, 3,66 і 3,77 (картка 5–0363).

                                                                                                         Таблиця 6

Співставлення рентгенометричних даних досліджуваного зразка і

лінії

Досліджуваний зразок

I

I

I

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

50

35

35

35

18

100

50

25

70*

18

50

18

18

18

18*

4,78

3,85

3,77

3,66

3,32

3,10

3,06

2,83

2,63

2,51

2,30

2,24

2,14

2,09

2,03

53

 

 

100

31

14

23

19

3

5

4,76

3,10

3,072

2,844

2,622

2,296

2,256

2,0864

100

95

100

50

50

50

50

60

10

40

30

25

3,835

3,762

3,642

3,342

3,109

3,076

2,684

2,661

2,617

2,528

2,509

2,172

2,149

2,098

2,038

2,020

2,011

Для прикладу наведемо дані з групи 3,80–3,84:

1) 3,84         3,64         3,76         100         100         95         5 – 0363

2) 3,84         3,64         3,67           60         100         60         6 – 0210

3) 3,84         3,63         3,41         100           33         33         3 – 0297

У другогої і третьої речовини  досить близькі до знайденого, але інтенсивності сильно розрізняються навіть для сусідніх ліній. Перегляд карток дозволяє остаточно зупинитися на (5–0363), міжплощинні відстані для якого також наведено в табл.6. У ряді випадків групі ліній, що приводяться в таблиці для , відповідає одна лінія зразка; пояснюється це меншою роздільною здатністю камери, в якій проводилася зйомка зразка (суміші трьохоксиду  вольфраму і вольфрамату кальцію).

1.2. Кількісний аналіз.

Для кількісного фазового аналізу необхідно можливо більш точне визначення інтенсивностей, і більш задовільні результати виходять при використанні дифрактометра.

Фотографічний метод (навіть при використанні камери Гіньє і фотометруванні) дає менш точні результати, хоча чутливість  його (при використанні камери – монохроматора) можуть бути вищі.

При зйомці плоского зразка в дифрактометрі [10]

Для суміші речовин інтенсивність лінії пропорційна також об’ємній частці даного компоненту. Якщо відомі структури всіх компонентів суміші , то величини  можуть бути обчислені, кутовий множник  залежить тільки від кута θ і можливо визначення концентрацій компонентів суміші з використанням  тільки дифрактограми суміші (якщо відомо відношення ). Позначимо через  та  інтенсивності дифракційних ліній речовин A та B, утворюючих суміш ,   – їх  об’ємні концентрації (),  – число  елементарних осередків на одиницю об’єму ,  - лінійні коефіцієнти поглинання (для монокристальних зразків). Тоді

.                                                 (1)

Відношення  легко розрахувати, знаючи параметри решітки, так як воно пов’язане  з об’ємами елементарних осередків  :

.

Таким чином:

 k=                                           (2)

і для вагових концентрацій

.                                                  (3)

Такий розрахунок містить ряд неточностей які важко усунути: похибки у визначенні координат атомів, розрахунки відношення , і т.д. Ці помилки сумуються у визначенні інтенсивностей. Така методика кількісного фазового аналізу тому і має обмежене застосування.

Звичайно ж використовується метод внутрішнього стандарту. В цьому випадку порівнюються два зразка, один з яких містить відому кількість обумовленої фази A. До обох зразків підмішується обраний для порівняння кристалічний порошок С, дифракційні лінії якого (або частина їх) не співпадають з лініями решти компонентів суміші (особливо А). Використоввуються співвідношення

;  .

Якщо концентрації  ,  та  відомі, неважко розрахувати . В якості підмішуючої речовини С може бути використаний один із компонентів суміші. В цьому випадку до суміші добавляють  відому кількість одного із визначаючих компонентів (зазвичай присутнього в меншій кількості). Зйомка на дифрактометрі зручна ще й тим, в цьому випадку значно скорочується час  експерименту – записується не вся дифрактограма , а тільки невелика її частина , яка містить лінії визначаючих речовин. Зручно порівнювати лінії приблизно рівної інтенсивності. Тому при аналізі суміші двох компонентів А і В, з яких А присутній в кількості декількох відсотків, порівнюються інтенсивності найяскравішої лінії А і слабкішої  лінії В.

Для отримання надійних результатів необхідно враховувати вплив зернистості порошку , особливо коли у компонентів помітно розрізняються коефіцієнти поглинання. В цьому випадку використання крупнозернистих зразків (з розміром зерна більше 0 ,5 – 1 мікрона ) вносить додаткову помилку (зменшується відносна інтенсивність ліній сильнопоглинаючої речовини). Дуже часто зустрічається випадок , коли частинки одного із компонентів обволікають частинки іншого, що призводить до різкого зменшення інтенсивностей ліній другої фази (так, частинки металу в керметах обволікаються окисними фазами). Тому при проведенні кількісного аналізу необхідно попередньо відпрацювати методику приготування зразків на стандартних сумішах. Інше джерело помилок – переважна орієнтація кристалітів в зразку.  Для усунення цієї помилки або істотного зменшення її до зразка додають 30 – 50 % будь – якої аморфної речовини, наприклад крохмалю. У випадку застосування внутрішнього стандарту джерелом помилки може бути нерівномірний розподіл стандарту в суміші.

В якості прикладу розглянемо кількісне визначення графіту в карбіді бору. Вміст графіту в суміші було невелике, тому для порівняння слід було використати найяскравішу лінію графіту (002) і одну з порівняно слабкіших ліній карбіду бору (101). Для вихідного зразка

,                                                       (4)

де  графіту, вміст карбіду бору, інтенсивності ліній графіту (002) ті карбіду бору (101).  Після добавлення відомої кількості () графіту

=  ,

звідси                                .

Для графічного визначення будується пряма яка відповідає залежності  від ; відрізок, відрізаючий на осі абсцис, рівний . В розглядаючому випадку визначався вміст графіту в зразках № 1, 2 і 3, графіт добавляється до зразка № 3 (кількість графіту дано у % від навішування зразка № 3).В таблиці 7 наведені значення відношень інтенсивностей для зразків № 1,2,3 і сумішей зразка графіту № 3 з 1,2 і 5% графіту.

                                                                                                       Таблиця 7

Зразок

№ 1

№ 2

№ 3

№3+1%С

№3+2%С

№3+5%С

…………………..

Вміст графіту, вага %.

0,13

0,30

0,18

0,40

0,17

0,37

0,65

1,01

2,65

На рис. 1 показана графічна залежність  від . Із графіка знаходимо, що вміст графіту в зразку № 3 дорівнює 0,37 %.

Якщо прийняти точку прямої   з віссю абсцис за початок координат , то по тому ж графіку знаходимо що вміст графіту в зразках № 1 і 2 дорівнює 0,30 і 0,40% відповідно.

Впливом текстури на інтенсивність лінії графіту (002) в даному випадку можна запобігти у вигляді малого вмісту графіту.

Можливі й інші способи визначення вмісту графіту. Наприклад, порівнюють суміші досліджуваних зразків з еталоном і графіту з еталоном  (в останньому випадку звертають особливу увагу на видалення текстури), а потім розраховують вміст графіту  з рівняння (4). Цей же метод застосовується і при визначенні вмісту суміші кристалічної фази в аморфному або у випадку суміші трьох і більше речовин.

Для визначення вмісту кварцу в суміші необхідно , насамперед , підібрати речовину для внутрішнього стандарту. Лінії речовини взяті в якості внутрішнього стандарту , неповинні співпадати з лініями будь – якого  компоненту суміші , тому необхідно зняти дебаєграму досліджуваної суміші , виміряти і розрахувати її. В якості внутрішнього стандарту зазвичай використовується NaCl (найяскравіші лінії 2,81 і 1,99 Å) і KCl (3,14 і 2,22 Å). Якщо в жодної з цих речовин взяти неможна, то потрібно підібрати інший еталон. Для порівняння можуть бути використані яскраві лінії кварцу (4,25 і 3,35 А).

Доцільно проводити порівняння інтенсивностей двох – чотирьох пар ліній еталону і обумовленої речовини.  Це дозволить виявити неточності, обумовлені, наприклад, текстурою. Всі речовини повинні бути ретельно розтерті. Для визначення кількості кварцу  в досліджуваній суміші до неї добавляється відома масова кількість стандарту і готується суміш чистого кварцу із стандартом (обидві суміші ретельно перетираються). Після запису дифрактограми сумішей на дифрактометрі вони перемішуються ще раз і знімаються повторно. Для розрахунку використовується наступне співвідношення:

,     ,

де  і – кількісно  стандартні речовини, добавленого до кварцу і досліджуваної суміші (в % від кількості кварцу і суміші),  – вміст кварцу в досліджуваній суміші (вага %), , , ,  – інтенсивності ліній кварцу в стандартній речовині.

Для кожної пари ліній кварцу і стандарту коефіцієнт  сталий і розраховується із співвідношення

=.

Вміст кварцу визначається за формулою     .

Як зазначалось ,  визначається із даних для декількох пар ліній і береться середнє значення .

Розділ II. Експериментальне дослідження наночастинок отриманих методом вибуху ніхромових дротин.

2.1. Ніхром та його використання.

Ніхро́м — загальна назва прецизійних жаростійких хромо – нікелевих  сплавів, а також потрійних хром – нікель – залізних  сплавів з однофазною структурою твердого розчину з додаванням марганцю, кремнію та алюмінію. Такі сплави містять 65...85% нікелю (Ni), 15...20% хрому (Cr), до 20% заліза (Fe) і низьку кількість вуглецю (C) (приблизно до 0,05%). Назва сплаву походить від частин  слів «Нікель» та «Хром».[5]

Властивості ніхрому визначаються його основними компонентами хромом і нікелем. Нікель має властивість розчиняти в собі велику кількість інших металів, зберігаючи при цьому хорошу пластичність. Також даний метал має високу корозійну стійкість в рідких і газоподібних середовищах і, як зазначається вище, має гарну пластичність, жаростійкість. Хром, у свою чергу, володіє високою жароміцністю, твердістю і також стійкий проти корозії. Таким чином, ніхром поєднує в собі хорошу жароміцність, жаростійкість і пластичність, а також має високий опір корозії. Властивість жаростійкості визначає максимальні робочі температури ніхрому. Для ніхрому Х20Н80 до 1200  С (у залежності від діаметра дроту), для ніхрому марки Х15Н60 до 1125  С (у залежності від діаметра дроту) за ГОСТ 12766.190. Вплив кількості нікелю в сплаві можна побачити по даній характеристиці. Чим більше нікелю в ніхромі, тим більшу максимальну робочу температуру має останній.

Іншою властивістю, гідним уваги, є пластичність. Вона відноситься до технологічних властивостей, які показують, яким видам обробки (штампування, зварювання, гостріння, волочіння і т.д.) може піддаватися даний матеріал. Ніхром має гарну пластичність, що дає можливість отримувати такі види продукції, як стрічка ніхромова і ніхромовий дріт, у тому числі тонкий дріт. Для отримання ніхромового дроту застосовують обробку металу тиском волочіння.

Варто відзначити найважливіші фізичні властивості ніхрому – малий температурний коефіцієнт електричного опору і високий питомий електричний опір. Дані властивості в сукупності з високою жаростійкістю визначили застосування ніхрому у вигляді стрічки і дроту для виготовлення високотемпературних нагрівальних елементів.

Ніхром Х20Н80 і Х15Н60(дріт ніхромовий, а також стрічка ніхромова) застосовуються в основному в електротехніці. Його використовують для виготовлення електронагрівачів, електронагрівальних елементів, які тривалий час працюють на повітрі при температурі до 1250 °С; дротяних і стрічкових резисторів; реостатів в нагрівальних приладах. Також ніхром рекомендується застосовувати при виготовленні нагрівачів електротермічного устаткування підвищеної надійності. Х15Н60 також використовується при створенні непрецізіонних резисторів.[6]

2.2. Рентгеноструктурні дослідження наночастинок отриманих методом вибуху ніхромових дротинок.

На рис.2 показано рентгенівську дифрактограму порошку отриманого розтиранням ніхромової дротини в фарфоровій ступці.

Рис. 2. Рентгенівська дифрактограма порошку ніхромового дроту.

Для її інтерпретації ми припустимо, що в ній можуть бути присутні рефлекси наступних речовин, враховуючи хімічний склад ніхрому: нікель, хром, залізо, та їхні оксиди. Використовуючи формулу Вульфа – Брега і відомі міжплощинні відстані вище вказаних речовин [4] ми провели розрахунки кутових положень їх рефлексів.

[4],

де  міжплощинна відстань,

кут ковзання падаючого променя,

довжина хвилі,

порядок відбивання.

Результати проведених розрахунків з використанням Excel наведені в таблицях.

                                                                                          Таблиця 8

Хром Cr

λ

d

λ/2d

arcsin θ

θ

I

1,541841

2,052

0,375692

0,385144

22,0671

44,1342

100

1,541841

1,436

0,536853

0,566702

32,46964

64,93928

40

1,541841

1,172

0,657782

0,71787

41,13092

82,26185

80

1,541841

1,014

0,760276

0,863739

49,48858

98,97716

50

1,541841

0,909

0,848097

1,012384

58,00531

116,0106

60

1,541841

0,829

0,92994

1,19425

68,42548

136,851

20

                                                                                          Таблиця 9

Залізо a-Fe

λ

d

λ/2d

arcsin θ

θ

I

1,541841

2,0268

0,380363

0,390189

22,35619

44,71238

100

1,541841

1,4332

0,537901

0,567946

32,5409

65,08179

19

1,541841

1,1702

0,658794

0,719214

41,20794

82,41587

30

1,541841

1,0134

0,760727

0,864432

49,5283

99,05659

9

1,541841

0,9064

0,85053

1,016992

58,26936

116,5387

12

1,541841

0,8275

0,931626

1,198861

68,68968

137,3794

6

                                                                                        Таблиця 10

g-Fe

λ

d

λ/2d

arcsin θ

θ

I

1,541841

2,07

0,372425

0,381621

21,86527

43,73054

100

1,541841

1,8

0,428289

0,442599

25,35903

50,71806

50

1,541841

1,26

0,611842

0,658387

37,72278

75,44556

32

1,541841

1,081

0,713155

0,793988

45,49218

90,98437

32

1,541841

1,018

0,757289

0,859152

49,22579

98,45159

4

                                                                                        Таблиця 11

FeO

λ

d

λ/2d

arcsin θ

θ

I

1,541841

2,45

0,314661

0,3201

18,34037

36,68074

50

1,541841

2,14

0,360243

0,368529

21,11513

42,23026

100

1,541841

1,51

0,510543

0,535816

30,70002

61,40005

63

1,541841

1,293

0,596226

0,638792

36,60009

73,20018

15

1,541841

1,238

0,622714

0,672207

38,51462

77,02924

8

1,541841

1,072

0,719142

0,802567

45,9837

91,96739

3

1,541841

0,984

0,783456

0,900207

51,57807

103,1561

3

1,541841

0,959

0,803879

0,933789

53,50217

107,0043

5

1,541841

0,876

0,880046

1,075959

61,64792

123,2958

3

                                                                                        Таблиця 12

Fe2O3

λ

d

λ/2d

arcsin θ

θ

 

I

1,541841

3,68

0,209489

0,211053

12,09242

24,18484

18

1,541841

2,69

0,286587

0,290663

16,65376

33,30753

100

1,541841

2,51

0,30714

0,312186

17,88693

35,77387

75

1,541841

2,2

0,350418

0,358018

20,5129

41,02581

18

1,541841

1,84

0,418978

0,43232

24,77011

49,54022

63

1,541841

1,69

0,456166

0,473682

27,13997

54,27995

63

1,541841

1,6

0,481825

0,502736

28,80468

57,60936

13

1,541841

1,485

0,519138

0,545842

31,27447

62,54893

50

1,541841

1,452

0,530937

0,559706

32,06878

64,13756

50

1,541841

1,351

0,570629

0,607272

34,79413

69,58826

3

1,541841

1,308

0,589389

0,630302

36,11364

72,22727

18

1,541841

1,259

0,612328

0,659001

37,75799

75,51598

13

1,541841

1,23

0,626765

0,677394

38,81182

77,62363

3

1,541841

1,19

0,647832

0,704735

40,37836

80,75672

8

1,541841

1,163

0,662872

0,724648

41,51929

83,03858

5

1,541841

1,14

0,676246

0,742655

42,55098

85,10196

13

1,541841

1,104

0,698297

0,773016

44,29056

88,58113

10

1,541841

1,056

0,730038

0,818378

46,8896

93,77919

8

1,541841

0,962

0,801373

0,929586

53,26137

106,5227

10

1,541841

0,954

0,808093

0,940907

53,90999

107,82

5

1,541841

0,9

0,856578

1,028601

58,93452

117,869

3

1,541841

0,881

0,875051

1,065542

61,05107

122,1021

5

1,541841

0,843

0,914496

1,154261

66,13429

132,2686

5

                                                                                        Таблиця 13

Нікель Ni

λ

d

λ/2d

arcsin θ

θ

I

1,541841

2,03

0,379764

0,389541

22,31905

44,6381

100

1,541841

1,76

0,438023

0,453398

25,9778

51,95561

50

1,541841

1,244

0,619711

0,668374

38,29503

76,59005

32

1,541841

1,061

0,726598

0,813357

46,60194

93,20387

32

1,541841

1,017

0,758034

0,860293

49,29117

98,58233

4

1,541841

0,808

0,954109

1,266671

72,57492

145,1498

8

1,541841

0,788

0,978325

1,362213

78,04907

156,0981

8

                                                                                        Таблиця 14

NiO

λ

d

λ/2d

arcsin θ

θ

I

1,541841

2,4

0,321217

0,327014

18,73653

37,47306

60

1,541841

2,08

0,370635

0,379692

21,75477

43,50954

100

1,541841

1,474

0,523012

0,550382

31,53454

63,06908

60

1,541841

1,258

0,612814

0,659617

37,79327

75,58654

24

1,541841

1,203

0,640832

0,695581

39,85385

79,70771

12

1,541841

1,042

0,739847

0,832843

47,71837

95,43673

2

1,541841

0,957

0,805559

0,936619

53,66431

107,3286

4

1,541841

0,933

0,826281

0,972473

55,7186

111,4372

6

1,541841

0,852

0,904836

1,130995

64,80122

129,6024

3

1,541841

0,802

0,961247

1,291491

73,99701

147,994

2

Рис.3. Рентгенівська дифрактограма наночастинок отриманих методом вибуху ніхромових дротинок.

Рентгенівська дифрактограма порошку, отриманого вибухом  ніхромової дротини. Проведений аналіз з врахуванням відносної інтенсивності показав присутність рефлексів наступних речовин: нікель (111) (2θ = 43,71); нікель(200)    (2θ = 50,25); нікель(220) (2θ = 75,60), хром (111) (2θ = 42,72); хром (200) (2θ = 64,80); хром (220) (2θ = 81,48), хром (311) (2θ =98,86); оксид заліза Fe2O3 (113) (2θ = 40,84); оксид заліза Fe2O3 (024) (2θ = 50,93); оксид заліза Fe2O3 (116) (2θ = 55,19). Крім того присутні слабкі лінії заліза ( g-Fe). Наші результати добре узгоджуються з результатами авторів робіт [7,8,9,12].

На рис.3 показано рентгенівську дифрактограму наночастинок отриманих методом вибуху ніхромових дротинок. Проведений аналіз з врахуванням відносної інтенсивності показав присутність сильних рефлексів оксиду нікелю NiO (111) (2θ = 37,34); оксиду нікелю NiO (200) (2θ = 43,38); оксиду нікелю NiO (220) (2θ = 63,30); оксиду нікелю NiO (311) (2θ = 74,75), оксиду заліза Fe2O3 (110) (2θ = 35,82);    оксиду заліза Fe2O3 (116) (2θ = 51,79) оксиду заліза Fe2O3 (214), (300) (2θ = 63,30). Останні два рефлекси в наших експериментах не розділяються внаслідок близькості кутових положень, а тому рефлекс 2θ = 63,30 має набагато більшу інтенсивність, чим вказану в таблицях наведених вище. На дифрактограмі приведенній на Рис.3 рефлекси мають набагато більшу півширину, чим на дифрактограмі вихідного порошку ніхрому. Це свідчить про те, що піч час вибуху утворюються об’єкти з досить малими розмірами. Для визначення розмірів ост об’єктів деякі рефлекси були описані за допомогою функції Гауса. На Рис. 4 і Рис. 5 наведені описи експериментальних рефлексів функціями Гауса. В наслідок чого була отримана наступна інформація: кутове положення рефлексу, півширина і інтегральна інтенсивність.  

Рис.4.Опис рефлексу оксиду нікелю NiO (200) 2θ = 43,38) за допомогою  функції Гауса.

 

Рис. 5. Опис рефлексу оксиду заліза Fe2O3 (110) 2θ = 35,82 за допомогою функції Гауса

Отримані результати використовувалися для розрахунку розмірів нанокристалів з використанням формули Дебая – Шеррера [11]:

 D = 0,89λ/(β cos θ),

де λ – довжина хвилі рентгенівського випромінювання; β – півширина рефлексу; θ – кут дифракції.

Проведемо розрахунки розмірів наночастинок оксидів нікелю (NiO) і заліза (Fe2O3 ) використовуючи формулу Дебая – Шеррера.

D = 0, 891, 54184/(0, 97 π/180cos 21,67) = 81 Å

D = 0, 891, 54184 / (0, 28 π/180cos 17,67) = 281 Å

Висновки

  1.  Рентгенівські дослідження ніхромого дроту показали, що в вихідних зразках присутні наступні речовини: нікель, хром і оксид заліза, про що свідчать рентгенівські рефлекси.
  2.  Зразки отримані вибухом ніхромових дротин в основному складаються з оксиду нікелю (NiO) і оксиду заліза (Fe2O3).
  3.  Можливо, присутні оксиди хрому, але це вимагає додаткових досліджень.
  4.  Оксиди нікелю і заліза в зразку отриманому методом вибуху мають малі розміри, оцінка яких з використанням формули Дебая-Шеррера дала такі результати для оксидів нікелю (NiO) і заліза (Fe2O3) 81 Å і 281 Å відповідно.

Література

  1.  X-ray diffraction date cards, ASTM.
  2.   Михеев В.И. Рентгенометрический определитель минералов. М.: Госгеолиздат, 1957.
  3.  Миркин В.И. Справочник по рентгеноструктурному аналізу поликристалов М.: Физматгиз, 1961.
  4.  Липсон Г., Стипл Г. Интерпретация порошковых рентгенограмм М.: «Мир», 1972.
  5.  http://uk.wikipedia.org/wiki/
  6.  http://bankstatey.com/index.php?newsid=10726
  7.  M.N. Batin, V. Popescu  Synthesis and Characterization of Iron Oxide Powders Powder Metallurgy Progress, Vol. 11, 2011, N 3-4, P. 201-205.
  8.  Wenbo Yue, Wuzong Zhou  Porous crystals of cubic metal oxides templated by       cage - containing mesoporous silica Supplementary Material (ESI) for Journal of Materials Chemistry The Royal Society of Chemistry, 2007, P. 1-5.
  9.  S. K. Sahoo ,, K. Agarwal, A.K. Singh, B. G. Polke, K. C. Raha Characterization of γ - and α – Fe2O3 nano powders synthesized by emulsion precipitation - calcination route and rheological behaviour of α- Fe2O3 International Journal of Engineering, Science and Technology Vol. 2, No. 8, 2010, P. 118-126.
  10.  Ковба Л.М., Трунов В.К. Рентгенофазовий анализ М.: издательство Московского университета, 1976, 384 с.
  11.  Камерон Г.Н. Паттерсон А.Л. Рентгенографическое определение  размеров частиц. 1939. – УФН – Т.XXII, вып. 4, - С. 442-448.
  12.  Миркин Л.И. Рентгеноструктурный анализ индицированик рентгенограм. М.: Наука, 1981 , 495 с.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

19164. Компактные криорефрижераторы 615 KB
  ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ Лекция 15 Компактные криорефрижераторы В последнее время для получения низких температур все чаще стали использоваться компактные криорефрижераторы – криокулеры. Основное преимущество этих устройств заключается в от
19165. Элементы вакуумной техники 714 KB
  ОСНОВЫ КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИОГЕННЫХ УСТРОЙСТВ Лекция 15 Элементы вакуумной техники Теплоизоляция криостатов как и всех систем предназначенных для работы с жидким гелием осуществляется вакуумированием сосудов. Поэтому разрабатываемые конструкции должны удовлетво
19166. Введение. Технологичность конструкции 1.43 MB
  Лекция №1 Введение. Технологичность конструкции Технология искусство мастерство умение логия совокупность методов обработки изготовления изменения состояния свойств формы сырья материалов или полуфабриката осуществляемых в процессе производства проду
19167. Обеспечение качества и эксплуатационной надежности изделий 1008.5 KB
  Лекция 2 Обеспечение качества и эксплуатационной надежности изделий Соответствие технических требований и норм точности служебному назначению Поскольку технические требования и нормы точности изделия являются отражением ее служебного назначения то приступая...
19168. Топливные циклы ядерных реакторов. Материалы сердечника твэлов 48.5 KB
  Топливные циклы ядерных реакторов. Материалы сердечника твэлов Ядерным топливом принято считать материал содержащий нуклиды которые делятся при взаимодействии с нейтронами. Делящимися нуклидами являются: находящийся в природном уране изотоп 235U изотопы плутония 23...
19169. Конструкционные материалы твэлов и ТВС 282 KB
  ЛЕКЦИЯ 4 Конструкционные материалы твэлов и ТВС В лекции рассматриваются конструкционные материалы используемые для оболочек твэлов. Оболочка твэла работает в очень сложных напряженных условиях в течение длительного времени при высоких параметрах теплоносител
19170. Твэлы и ТВС энергетических реакторов 348 KB
  Лекция 5 Твэлы и ТВС энергетических реакторов В нашей стране разработаны и успешно эксплуатируются три типа энергетических реакторов: канальный водографитовый реактор РБМК–1000 РБМК–1500; корпусной реактор с водой под давлением ВВЭР–1000 ВВЭР–440; реактор н
19171. Твэлы и ТВС исследовательских, транспортных и транспортабельных реакторов 1.84 MB
  Лекция 6 Твэлы и ТВС исследовательских транспортных и транспортабельных реакторов По сравнению с энергетическими реакторами к твэлам исследовательских и транспортных реакторов предъявляются дополнительные требования связанные со спецификой их эксплуатации: ...
19172. Технология получения порошков диоксида урана 334 KB
  ЛЕКЦИЯ 7 Технология получения порошков диоксида урана Компактные изделия из диоксида урана в частности таблетки твэлов получают методами порошковой металлургии. Исходным продуктом для получения порошков диоксида урана является гексафторид урана UF6 получаемый с ...