Формирование высокодисперсных композиций V – C – O – Ni и V – N – O – Ni в условиях низкотемпературной азотной плазмы

В условиях плазмохимического синтеза в низкотемпературной (4000-6000⁰С) азотной плазме из механических смесей, содержащих в своем составе карбид или нитрид ванадия с металлическим никелем в соотношении 1:1, получены ультрадисперсные и нанокристаллические порошковые композиции VC – Ni и VN – Ni. Рентгенографические исследования показали, что полученные плазмохимические частицы содержат в своем составе оксикарбиды и оксинитриды ванадия, металлический никель, а также характеризуются присутствием оксидных фаз системы V – O. Электронно-микроскопические исследования нанокристаллических фракций порошковых композиций VC – Ni и VN – Ni в рамках просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения визуализировали строение полученных частиц. В условиях использования быстрого преобразования Фурье было показано, что тугоплавкие составляющие и металлический никель формируют индивидуальные частицы нанометрового диапазона, не контактирующие между собой. На основе проведенных исследований сформулирован химический механизм организации высокодисперсных механических смесей V – C – O – Ni и V – N – O – Ni в условиях закалочных процессов в турбулентном потоке газообразного азота, протекающих со скоростью 10^{5 0}С/c.

1. Ganji O., Sajjadi S.A., Yang Z.G., Mirjalili M., Najari M.R. On the formation and properties of chromium carbide and vanadium carbide coatings produced on W1 tool steel through thermal reactive diffusion (TRD). Ceramics Int., 2020, 46 (16), P. 25320–25329.

2. Zhukov M.F., Cherskiy I.N., Cherepanov A.N., Konovalov N.A., Saburov V.P., Pavlenko N.A., Galevskiy G.V., Andrianova O.A., Krushenko G.G. Hardening of metallic polymeric and elastomer materials by ultrafine powders of plasma-chemical synthesis. Novosibirsk: Nauka, 1999. 307 p.

3. Carroll K. Core-shell nanoparticles: synthesis, design, and characterization. A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy. Richmond, Virginia: Virginia Commonwealth University, 2010. 209 p.

4. Pang W., Li Y., De Luca L.T., Liang D., Qin Z., Liu X., Xu H., Fan X. Effect of metal nanopowders on the performance of solid rocket propellants: a review. Nanomaterials, 2021, 11 (10), 2749.

5. Zaki Z.I., El-Sadek M.H., Ali H.H., Ahmed H. Synthesis of vanadium carbide by mechanical activation assisted carbothermic reduction. Materials, 2020, 13 (19), 4408.

6. Chalmers B. Principles of solidification. John Wiley and Sons, Springer: New York, Dordrecht, Heidelberg, London, 1964. 319 p.

7. Samsonov G.V., Upadhaya G.Sh., Neshpor V.S. Physical Materials Science of Carbides. Kyiv: Naukova Dumka, 1974. 455 p. (In Russian)

8. Samsonov G.V. Nitrides. Kyiv: Naukova Dumka, 1969. 380 p. (In Russian)

9. Krzhizhanovsky R.E., Shtern Z.Yu. Thermophysical properties of non-metallic materials (carbides). Handbook. Leningrad: Energy, 1976. 120 p. (In Russian)

10. Kosolapova T.Ya. Handbook of high temperature compounds: properties, production, applications. New York, Washington, Philadelphia, London: CRC Press, 1990. 958 p.

11. Voitovich R.F. Oxidation of carbides and nitrides. Kyiv: Naukova Dumka, 1981. 192 p. (In Russian)

12. Storozhenko P.A., Guseinov Sh.L., Malashin S.I. Nanodispersed Powders: Synthesis Methods and Practical Applications. Nanotechnologies in Russia, 2009, 4, P. 262–274.

13. Sadovnikov S.I., Gusev A.I. Effect of particle size and specific surface area on the determination of the density of nanocrystalline silver sulfide Ag2S powders. Physics of the Solid State, 2018, 60, P. 877–881.

14. Shveikin G.P., Alyamovsky S.I., Zainulin Yu.G., Gusev A.I., Gubanov V.A., Kurmaev E.Z. Compounds of variable composition and their solid solutions. UC USSR Academy of Sciences, Sverdlovsk, 1984, 292 p. (In Russian)

15. Schonberg N. The tungsten carbide and nicel arsenide structures. ¨ Acta Metallica, 1954, 2, P. 427–432.

16. Ermakov A.N., Luzhkova I.V., Avdeeva Yu.A., Murzakaev A.M., Zainulin Yu.G., Dobrinsky E.K. Formation of complex titanium-nickel nitride Ti0.7Ni0.3N in the ”core-shell” structure of TiN – Ni. Int. J. of Refractory Metals and Hard Materials, 2019, 84, 104996.

17. Avdeeva Yu.A., Luzhkova I.V., Ermakov A.N. Mechanism of formation of nanocrystalline particles with core-shell structure based on titanium oxynitrides with nickel in the process of plasma-chemical synthesis of TiNi in a low-temperature nitrogen plasma. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics, 2022, 13 (2), P. 212–219.

18. Carbon. Access URL: https://prosto-o-slognom.ru/chimia/506uglerod_C.html

19. Avdeeva Yu.A., Luzhkova I.V., Ermakov A.N. Plasmachemical synthesis of TiC–Mo–Co nanoparticles with a core–shell structure in a lowtemperature nitrogen plasma. Russian Metallurgy, 2022, 9, P. 1019–1026.

20. Morokhov I.D., Trusov L.I., Chizhik S.P. Ultradisperse metallic media. Moscow: Atomizdat, 1977, 264 p. (In Russian)

21. Andrievskiy R.A. The synthesis and properties of nanocrystalline refractory compounds. Russian Chemical Reviews, 1994, 63 (5), P. 411–427.

22. Gusev A.I. Nanocrystalline materials: methods of production and properties. Ekaterinburg: Publishing house of NIS UB RAS, 1998, 199 p. (In Russian)

23. Polovov I.B., Volkovich V.A., Shipulin S.A., Maslov S.V., Khokhryakov A.A., Vasin B.D., Griffiths T.R., Thied R.C. Chemistry of vanadium chlorides in molten salts: An electronic absorption spectroscopy study. J. of Molecular Liquids, 2003, 103–104, P. 387–394.

24. Polak L. Elementary chemical processes and kinetics in a non-equilibrium and quasi-equilibrium plasma. Pure and Applied Chemistry, 1974, 39 (3), P. 307–342.

25. Knunyants I.L. Chemical Encyclopedia: in 5 volumes. Vol. 3. Moscow: Soviet Encyclopedia, 1992. 639 p. (In Russian)

26. Avdeeva Yu.A., Luzhkova I.V., Murzakaev A.M., Ermakov A.N. Plasma-chemical synthesis of highly dispersed core-shell structures from a mechanical mixture of titanium carbide and titanium nickelide. Powder Metallurgy and Functional Coatings, 2024, 18 (3), P. 5–15.

27. Gusev A.I. Non-stoichiometry, disorder, short-range and long-range order in a solid. M.: FIZMATLIT, 2007. 856 p. (In Russian)

28. Samokhin A.V., Polyakov S., Astashov A.G., Tsvetkov Yu.V. Simulation of the process of synthesis of nanopowders in a plasma reactor jet type. I. Statement of the problem and model validation. Fizika i khimiya obrabotki materialov, 2013, 6, P. 40–46. (In Russian)

29. Samokhin A.V., Polyakov S., Astashov A.G., Tsvetkov Yu.V. Simulation of the process of nanopowder synthesis in a jet-type plasma reactor. II. Nanoparticles formation. Inorganic Materials: Applied Research, 2014, 5 (3), P. 224–229.

30. Shiryaeva L.S., Gorbuzova A.K., Galevsky G.V. Production and application of titanium carbide (assessment, trends, forecasts). Scientific and Technical J. of the St. Petersburg State Polytechnic University, 2014, 2 (195), P. 100–107. (In Russian)