Получение наноразмерных бинарных металлических систем и исследование их физико-химических свойств является актуальной задачей современного материаловедения, т.к. благодаря совокупности уникальных каталитических, магнитных и биохимических характеристик бинарные металлические наносистемы превосходят индивидуальные порошки металлов [1–3]. Актуальной проблемой в данной области является поиск технологически более простого, дешевого и экологически чистого способа получения бинарных металлических наносистем [4, 5]. В этом плане определенный практический интерес представляет метод электрической эрозии токопроводящих материалов в жидкой среде, который отличается простотой аппаратурного оформления и высокой дисперсностью получаемых продуктов [6]. Среди преимуществ этого метода следует отметить возможность создания композитных структур при участии атомов, образующихся в результате разложения молекул жидкости, в которой производится разряд.

Электрический искровой разряд при низком межэлектродном напряжении является разновидностью электрической дуги атмосферного давления, особенностью которой является нестационарность и короткое время существования. Проводимость межэлектродного промежутка обусловлена наличием высокотемпературного ионизированного газа и потоком электронов, испускаемых в результате термоэлектронной и термоавтоэлектронной эмиссии [7].

Для синтеза металлокомпозитов, содержащих серебро и никель, электроискровому диспергированию подвергали электродную пару, изготовленную из серебра и никеля. Электроды представляли собой стержни с размерами 5x0,5x0,5 см. В качестве среды использовали гексан, этиловый спирт и дистиллированную воду. Емкость конденсатора составляет 2 мкф, что соответствует энергии разряда примерно равной 0,05 Дж, т.е. процесс проводился при мягком режиме.

Продукты, полученные при совместном диспергировании серебра и никеля, представляют собой твердую фазу, которая отделяется от жидкой фазы декантацией, промывается этиловым спиртом и высушивается до постоянного веса при 70–80 °С.

Фазовый состав полученных продуктов определен методом рентгенофазового анализа, и их дифрактограммы снимались на дифрактометре RINT-2500 HV на медном отфильтрованном излучении. Для определения дисперсности и морфологию синтезированных порошков использован метод электронной микроскопии, а их микрофотографии сняты на эмиссионном сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) JOEL JSM-7600F.

Дифрактограммы порошков полученных при совместном электроискровом диспергировании серебра и никеля в воде, этаноле и гексане приведены на рис. 1, а результаты расчета дифрактограмм приведены в табл. 1.

Результаты расчета дифрактограммы продукта полученного в воде показывают, что данный продукт состоит из трех фаз: металлических серебра, никеля и гидроксида никеля (рис. 1, табл. 1).

При совместном электроискровом диспергировании серебра и никеля в спирте и гексане образуются продукты, состоящие из двух фаз, которые представляют собой металлические серебро и никель (рис. 2–3 и табл. 1).

Необходимо отметить, что серебро и никель имеют гранецентрированную кубическую решетку типа NaCl. Расчеты параметра решетки металлов показывают, что значение параметра кристаллической решетки металлов соответствует (табл. 2). Отсюда можно предположить, что при совместном электроискровом диспергировании серебра и никеля не происходит образование твердого раствора или интерметаллида между этими металлами.

Таблица 1

Результаты расчета дифрактограммы продуктов совместного электроискрового диспергирования серебра и никеля

Из литературы [8] известно, что диаграмма состояния Ag-Ni характеризуется обширной областью несмешиваемости компонентов в жидком состоянии и является монотектической системой. Максимальная растворимость Ni в Ag соответствует 0,1 % (ат.), а растворимость Ag в Ni составляет ~1 % (ат.) и уменьшается с понижением температуры.

Для оценки размеров кристаллитов продуктов совместного электроискрового диспергирования серебра и никеля были определены размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) частиц по уширению рефлексов на дифрактограммах по формуле Шеррера – Селякова [9].

Результаты расчета размеров ОКР частиц порошков системы Ag-Ni показывают, что частицы металлов, независимо от природы жидкой среды, являются нанодисперсными (табл. 2) Значение средних размеров частиц серебра и никеля зависит от природы жидкой среды. Наиболее низкие значения средних размеров ОКР имеют частицы металлов, полученные в воде и относительно более высокие значения размеров имеют частицы металлов, полученные в гексане.

Для определения размеров частиц нанопорошков системы Ag-Ni из анализа их микрофотографий (рис. 2–4) использована компьютерная программа ImageJ и составлены гистограммы соответствующих нанопорошков. Частицы нанопорошка, полученные в воде, имеют размеры в среднем 60 нм и более узкое распределение частиц по размерам по сравнению с частицами, полученными в среде этанола. Это согласуется с результатами расчета размера ОКР.

a б

Рис. 2. Микрофотография (a) и гистограмма (б) частиц нанопорошков системы Ag-Ni, полученных в воде

a б

Рис. 3. Микрофотография (a) и гистограмма (б) частиц нанопорошков системы Ag-Ni, полученных в этаноле

a б

Рис. 4. Микрофотография (a) и гистограмма (б) частиц нанопорошков системы Ag-Ni, полученных в гексане

Продукт системы Ag-Ni, полученный в среде этанола, сформирован из сферических частиц. Анализ гистограммы частиц (рис. 3, б) по размерам показывает преобладание частиц с размерами 40, 50, и 60 нм. Кроме этого в образце присутствуют частицы с размерами 30, 80, 90, и 100 нм.

Частицы нанопорошка, синтезированного в среде гексана, имеют форму близкую к сферической, а их размеры составляют в среднем 50–60 нм.

Можно заметить, что размеры наночастиц серебра и никеля полученные в средах этанола и гексана больше на 10–20 нм, чем наночастицы, полученные в среде воды (табл. 2).

Мы предполагаем, что это связано с тем, что, основную роль в стабилизации наночастиц играют взаимодействия свежеобразованных металлических частиц со средой, которое приводит в гексане и спирте к формированию стабильных наночастиц с углеродной оболочкой, что увеличивает размеры наночастиц.

Возникновение подобных капсул обусловлено каталитическими свойствами наночастиц никеля: взаимодействуя с аморфным углеродом при высоких температурах, наночастицы никеля формируют вокруг себя оболочки [10].

Таким образом, методами рентгенофазового анализа и электронной микроскопии установлено, что при совместном электроискровом диспергировании серебра и никеля, независимо от природы жидкой среды, происходит образование композита, состоящего из нанодисперсных частиц серебра и никеля.