Кинетика взаимодействия расплавов Co–Cu с графитом и микроструктура образующихся металл-углеродных композиций

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Измерены временные зависимости контактного угла и диаметра пятна смоченной поверхности при взаимодействии расплавов Co–Cu с содержанием меди 20, 40 и 60 ат. % с графитом при температурах 1390, 1440, 1490, 1540 и 1590°C. Смачивания графита расплавами Co–Cu в этих условиях не происходит: конечный контактный угол для Co80–Cu20 – 95°, Co60Cu40 – 110°, Co40–Cu60 – 100°. Конечное значение диаметра пятна смоченной поверхности при этом незначительно увеличивается. Металлографический анализ микроструктуры композиционных материалов Co–Cu–С, полученных путем контактного легирования расплавов Co–Cu углеродом, показал зависимость морфологии структурных составляющих и фазового состава образцов от содержания меди. Композиционные материалы (Co–27%С–10%Cu) + (Co–32%С–62%Cu) + С и (Co–19%С–15%Cu) + (Co–25%С–72%Cu) + С, полученные при взаимодействии расплавов Co–Cu с содержанием меди 20, 40 ат. % с графитом, имеют макрооднородную структуру.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. А. Чикова

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Автор, ответственный за переписку.
Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Россия, 620062, Екатеринбург, ул. Мира, 19

И. Г. Ширинкина

ФГБУН Институт физики металлов имени М.Н. Михеева УрО РАН

Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Россия, 620137, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18

В. С. Цепелев

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Россия, 620062, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Н. И. Синицин

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Россия, 620062, Екатеринбург, ул. Мира, 19

В. В. Вьюхин

ФГАОУ ВО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Email: O.A.Chikova@urfu.ru
Россия, 620062, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Список литературы

  1. Nishizawa T., Ishida K. The Co-Cu (Cobalt-Copper) system // Bull. Alloy phase diagr. 1984. V. 5. P. 161–165. https://doi.org/10.1007/BF02868953
  2. Guo F., Lu T., Qin J., Zheng H., Tian X. Abnormal resistivity behavior of Cu–Ni and Cu–Co alloys in undercooled liquid state // Phys. B. 2012. V. 407. P. 4108–4113. https://doi.org/10.1016/j.physb.2012.06.024
  3. Yamauchi I., Ueno N., Shimaoka M., Ohnaka I. Undercooling in Co–Cu alloys and its effect on solidification structure // J. Mater. Sci. 1998. V. 33. P. 371–378. https://doi.org/10.1023/A:1004319829612
  4. Robinson M.B., Li D., Rathz T.J., Williams G. Undercooling, liquid separation and solidification of Cu–Co alloys // J. Mater. Sci. 1999. V. 34. P. 3747–3753. https://doi.org/10.1023/A:1004688313591
  5. Lu X.Y., Cao C.D., Kolbe M., Wei B., Herlach D.M. Microstructure analysis of Co–Cu alloys undercooled prior to solidification // Mater. Sci. Eng. A. 2004. V. 375–377. P. 1101–1104. https://doi.org/10.1016/j.msea.2003.10.106
  6. Yang W., Chen S.H., Yu H., Li S., Liu F., Yang G.C. Effects of liquid separation on the microstructure formation and hardness behavior of undercooled Cu–Co alloy // Appl. Phys. A. 2012. V. 109. P. 665–671. https://doi.org/10.1007/s00339-012-7090-4
  7. Munitz A., Venkert A., Landau P., Kaufman M.J., Abbaschian R. Microstructure and phase selection in supercooled copper materials showing metastable liquid miscibility gap // J. Mater. Sci. 2012. V. 47. P. 7955–7970. https://doi.org/10.1007/s10853-012-6354-x
  8. Munitz A., Abbaschian R. Microstructure of Cu-Co alloys solidified at various supercoolings // Metall Mater Trans A. 1996. V. 27. P. 4049–4059. https://doi.org/10.1007/BF02595654
  9. Zhao D., Gao J. Liquid phase separation in undercooled Cu–Co alloys under the influence of static magnetic fields // Philosophical Transactions A. 2019. V. 377. P. 20180207. https://doi.org/10.1098/rsta.2018.0207
  10. Zhao D., Liu R., Wu D., Bo L., Wang L. Liquid-liquid phase separation and solidification behavior of Al-Bi-Sb immiscible alloys // Results in Physics. 2017. V. 7. P. 3216–3221. https://doi.org/10.1016/j.rinp.2017.08.056
  11. Авраамов Ю.С., Кошкин В.И., Петрищев И.М., Шляпин А.Д. Получение сплавов на основе систем несмешивающихся компонентов методом контактного легирования // Машиностр. инжен. образов. 2007. № 4. С. 21–30.
  12. Бродова И.Г., Чикова О.А., Витюнин М.А., Яблонских Т.И., Ширинкина И.Г., Астафьев В.В. Структура сплавов Fe-Cu-С, полученных способом контактного легирования // Физ. мет. металловед. 2009. Т. 108. № 6. С. 626–632.
  13. Чикова О.А., Витюнин М.А., Ченцов В.П., Сакун Г.В. Расслоение расплавов Fe–Cu при смачивании графита // Коллоид. журн. 2010. Т. 72. № 2. С. 251–257.
  14. Song Z., Liu X., Sun X. et al. Alginate-templated synthesis of CoFe/carbon fiber composite and the effect of hierarchically porous structure on electromagnetic wave absorption performance // Carbon. 2019. V. 151. P. 36. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.05.025
  15. Sugime H., D’Arsiè L., Esconjauregui S. et al. Low temperature growth of fully covered single-layer graphene using CoCu catalyst // Nanoscale. 2017. V. 9. № 38. P. 14467–14475. https://doi.org/10.1039/C7NR02553J
  16. Fan X., Mashimo T., Huang X. et al. Magnetic properties of Co-Cu metastable solid solution alloys // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. P. 094432. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.094432
  17. Weatherup R.S., D’Arsié L., Cabrero-Vilatela A. et al. Long-term passivation of strongly interacting metals with single-layer graphene // J. Am.Chem. Soc. 2015 V. 137. № 45. P. 14358–14366. https://doi.org/10.1021/jacs.5b08729
  18. Karpan V.M., Khomyakov P.A., Starikov G. et al. Theoretical prediction of perfect spin filtering at interfaces between close-packed surfaces of Ni or Co and graphite or graphene // Phys. Rev. B: Condens.Matter. 2008. V. 78. P. 195419. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.78.195419
  19. Wan Y., Xiao J., Li Ch. et al. Microwave absorption properties of FeCo-coated carbon fibers with varying morphologies // J. Magn.Magn. Mater. 2016. V. 399. P. 252–259. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2015.10.006
  20. Кютт Р.Н., Данишевский А.М., Сморгонская Э.А. и др. Рентгенодифракционное исследование структуры нанопористого углерода, полученного из карбидных материалов //Физ. тех. полупроводников. 2003. Т. 37. № 7. С. 811–815.
  21. Дзидзигури Э.Л., Сидорова Е.Н., Багдасарова К.А., Земцов Л.М., Карпачева Г.П. Формирование наночастиц Co в металл-углеродных композитах // Кристаллография. 2008. Т. 53. № 2. С. 342–345.
  22. Домоновa Д.П., Печенюкa С.И., Семушина Ю.П. Термическое разложение двойного салицилатного комплекса Со–Cu в атмосфере аргона с получением металл-углеродных композиций // Ж. неорг. химии. 2022. Т. 67. № 4. С. 540–544. https://doi.org/10.31857/S0044457X22040043
  23. Fan X., Mashimo T., Huang X. et al. Magnetic properties of Co-Cu metastable solid solution alloys // Phys. Rev. B. 2004. V. 69, P. 094432. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.69.094432
  24. Childress J.R., Chien C.L. Reentrant magnetic behavior in FCC Co-Cu alloys // Phys. Rev. B. 1991. V. 43. P. 8089. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.43.8089
  25. Jegede, O.E., Cochrane, R.F., Mullis, A.M. Metastable monotectic phase separation in Co–Cu alloys // J. Mater. Sci. 2018. V. 53. № 16. P. 11749–11764. https://doi.org/10.1007/s10853-018-2417-y
  26. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник: в 3-х т. / ред. Н.П. Лякишев. Москва: Машиностроение, 1996. Т. 1. 1996. 991 с.
  27. Тучинский Л.И. Композиционные материалы, получаемые методом пропитки. Москва: Металлургия. 1986. 206 с.
  28. Найдич Ю.В., Колесниченко Г.А. Взаимодействие металлических расплавов с поверхностью алмаза и графита. Киев: Наукова думка. 1967. 89 c.
  29. Nikonova R.M., Lad‘yanov V.V. Contact interaction of metal melts with fullerite and graphite // J. Mater. Res. Technol. 2020. V. 9. № 6. P. 12559–12567. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.09.001
  30. Tamai Y., Aratani K. Experimental study of the relation between contact angle and surface roughness // J. Phys. Chem. 1972. V. 76. № 22. P. 3267–3271. https://doi.org/10.1021/j100666a026
  31. Mortimer D.A., Nicholas M. The wetting of carbon by copper and copper alloys // J. Mater Sci. 1970. V. 5. P. 149–155. https://doi.org/10.1007/BF00554633
  32. Gulevskii V.A., Antipov V.I., Kolmakov A.G. et al. Designing of copper-based alloys for the impregnation of carbon-graphite materials // Russ. Metall. (Metally). 2012. № 3. P. 258–261. https://doi.org/10.1134/S0036029512030081
  33. Gulevskii V.A., Antipov V.I., Vinogradov L.V. et al. Effect of alloying elements on the wetting of graphitized carbon with copper alloys // Russ. Metall. 2019. № 1. P. 72–76. https://doi.org/10.1134/S0036029519010051
  34. Ishida K., Nishizawa T. The C-Co (Carbon-Cobalt) system // JPE. 1991. V. 12. P. 417–424. https://doi.org/10.1007/BF02645959
  35. Глузман Л.Д., Эдельман И.И. Лабораторный контроль коксохимического производства. Харьков: Гос. Научно-техн. Изд-во литературы по черной и цветной металлургии. 1957. 635 с.
  36. Еременко В.Н., Иванов М.И., Лукашенко Г.М. и др. Физическая химия неорганических материалов. Т. 2. Поверхностное натяжение и термодинамика металлических расплавов. Киев: Наукова думка, 1988. 192 с.
  37. Попель С. И. Поверхностные явления в расплавах. М.: Металлургия, 1994. 432 с.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Временные зависимости углов смачивания графита θ расплавами Co–Cu с содержанием меди 20, 40 и 60 ат. % при температуре 1390, 1440, 1490, 1540 и 1590°C. Способ измерения θ показан на рис. 2а.

Скачать (356KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Временные зависимости диаметра пятна смоченной расплавами Co–Cu с содержанием меди 20, 40 и 60 ат. % поверхности графита при температуре 1390, 1440, 1490, 1540 и 1590°C.

Скачать (356KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Временные зависимости высоты h капли расплава Co–Cu с содержанием меди 20, 40 и 60 ат. % при температуре 1390, 1440, 1490, 1540 и 1590°C относительно поверхности графита.

Скачать (350KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Общий вид Co–Cu–C образцов: а) Сo-20%Cu–C; б) Сo–40%Cu–C; в) Сo–60%Cu–C.

Скачать (237KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Структура металл-углеродного материала Co–20%Cu–С: а) эвтектика Co–C; б) зоны меди в Co–C эвтектике и EDS-карта распределения элементов (СЭМ).

Скачать (808KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Структура металл-углеродного материала Co–40%Cu–С: а) граница Co и Cu зон и дендриты Co в Cu зоне; б) область в месте контакта образца с графитовой подложкой; EDS-карты распределения элементов (СЭМ).

Скачать (796KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Структура металл-углеродного материала Co–20%Cu–С: а) Cu зона с дендритами Co; б) обособленные зоны Co–C эвтектики с включениями медной фазы, EDS-карты распределения элементов (СЭМ).

Скачать (645KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025