Микроструктура, упругие и неупругие свойства биоморфных углеродов, карбонизированных с использованием Fe-содержащего катализатора

Abstract

Исследованы микроструктура и амплитудные зависимости модуля Юнга E и внутреннего трения (логарифмического декремента δ), а также микропластические свойства у биоуглеродных матриц BE-C(Fe), полученных карбонизацией дерева бука при температурах T carb = 850−1600 • С в присутствии железосодержащего катализатора. Методами рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопии показано, что использование Fe-катализатора при карбонизации с T carb ≥ 1000 • С приводит к появлению объемной графитовой фазы в виде наноразмерных объемных графитовых включений в квазиаморфной матрице, объемная доля и размер которых увеличиваются с повышением T carb. Выявлена корреляция полученных зависимостей E(T carb) и δ(T carb) с эволюцией микроструктуры при увеличении T carb. Обнаружено, что величина E определяется главным образом долей кристаллической фазы в аморфной матрице: нанокристалличеcкой фазы при T carb < 1150 • С и объемной графитовой фазы при T carb > 1300 • С. Максимальные значения E = 10−12 GPa достигнуты для образцов с T carb ≈ 1150 и 1600 • С. Показано, что микропластичность проявляется лишь у биоуглеродов с T carb ≥ 1300 • С (при достижении значительного объема графитовой фазы), при этом условный предел микротекучести понижается с увеличением суммарного объема введенной мезопористости (площади свободной поверхности). Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (грант № 14-03-00496) и Программы Президиума РАН (П-20).

Особенности электрических свойств биоуглеродов BE-C(Fe), карбонизированных в присутствии Fe-содержащего катализатора

“…Это согласуется с данными микро-структурных исследований, в соответствии с которыми графитовая фаза в образцах BE-C(Ni)-1600 формируется в виде объемных глобул графита, достигающих больших размеров (1−3 µm) [19], в то время как в образцах BE-C(Fe)-1600 графитовая фаза формируется в виде полых сфероподобных включений с толщиной стенок, не превышающей 200 nm [13]. Более низкое удельное сопротивление образцов BE-C(Fe)-1600, чем BE-C(Ni)-1600, возможно, связано с тем, что объемная доля графитовой фазы в BE-C(Ni)-1600 по оценкам работы [15] составляет только ∼ 35%, что значительно ниже таковой (∼ 60%) для BE-C(Fe)-1600 [16].…”

“…Приме-нение Fe-содержащего катализатора при карбонизации древесины бука и прессованной микродревесной фибры в сотни раз увеличило площадь свободной поверхности за счет введения мезо-и нанопористости, что поз-волило достичь относительно высокой электроемкости (> 100 F/g) [13]. Отмечается также, что каталитическая графитизация биоуглеродов с использованием Ni- [14,15] и Fe-содержащих [16] катализаторов значительно улуч-шает теплопроводность биоуглеродов.…”