Структурные превращения в бинарных наночастицах Ti-V: размерный эффект и эффект изменения состава
К.Г. Савина, А.Д. Веселов, Р.Е. Григорьев, С.А. Вересов, П.М. Ершов, Д.Р. Зорин, Н.Ю. Сдобняков
ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.532
Оригинальная статья
Аннотация: Рассмотрены процессы структурообразования в бинарных наночастицах Ti-V, а также факторы, влияющие на процесс кристаллизации. В качестве объектов исследования выступали бинарные наночастицы Ti-V, содержащие N=200, 400, 800, 1520, 3000 и 5000 атомов, различного состава. Компьютерный эксперимент проводился методом молекулярной динамики. Межатомное взаимодействие описывалось потенциалом сильной связи. По результатам серий компьютерных экспериментов было установлено, процесс кристаллизации бинарных наночастиц Ti-V существенно зависит как от их размера, так и от соотношения компонентов. С увеличением размера наночастиц наблюдается рост температуры кристаллизации, при этом соотношение компонентов оказывает значительное влияние на формирование кристаллических фаз. Минимальные температуры кристаллизации зафиксированы при соотношениях титана и ванадия 25-75% и 50-50%. Более крупные наночастицы также демонстрируют выраженную структурную сегрегацию, при которой доминируют ГЦК и ГПУ фазы в зависимости от соотношения титана и ванадия. Наблюдаемая тенденция к образованию многослойной луковичной (onion-like) структуры указывает на существование более сложного процесса структурообразования, чем поверхностная сегрегация.
Ключевые слова: метод молекулярной динамики, потенциал сильной связи, бинарные наночастицы, титан, ванадий, плавление, кристаллизация
- Савина Ксения Геннадьевна – аспирант 2 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Веселов Алексей Дмитриевич – научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Григорьев Роман Евгеньевич – аспирант 3 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Вересов Сергей Александрович – аспирант 3 года обучения кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Ершов Павел Михайлович – научный сотрудник кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Зорин Данила Романович – студент 1 курса магистратуры кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
- Сдобняков Николай Юрьевич – д.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики, ФГБОУ ВО «Тверской государственный университет»
Ссылка на статью:
Савина, К.Г. Структурные превращения в бинарных наночастицах Ti-V: размерный эффект и эффект изменения состава / К.Г. Савина, А.Д. Веселов, Р.Е. Григорьев, С.А. Вересов, П.М. Ершов, Д.Р. Зорин, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. — 2024. — Вып. 16. — С. 532-542. DOI: 10.26456/pcascnn/2024.16.532.
Полный текст: загрузить PDF файл
Библиографический список:
1. Сдобняков, Н.Ю. О взаимосвязи между размерными зависимостями температур плавления и кристаллизации для металлических наночастиц / Н.Ю. Сдобняков, Д.Н. Соколов, А.Н. Базулев и др. // Расплавы. – 2012. – №5. – С. 88-94.
2. Murray, J.L. The Ti−V (titanium-vanadium) system / J.L. Murray // Bulletin of Alloy Phase Diagrams. – 1981. – V. 2. – I. 1.– P. 48–55. DOI: 10.1007/BF02873703.
3. Самсонов, В.М. Сравнительный анализ размерной зависимости температур плавления и кристаллизации наночастиц серебра: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / В.М. Самсонов, Н.Ю. Сдобняков, В.С. Мясниченко и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. – 2018. – № 12. – С. 65-69. DOI: 10.1134/S0207352818120168.
4. Мясниченко, В.С. Закономерности структурообразования в биметаллических наночастицах с разной температурой кристаллизации / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, К.Г. Савина и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2021. – Вып. 13. – С. 568-579. DOI: 10.26456/pcascnn/2021.13.568.
5. Сдобняков, Н.Ю. Моделирование процессов коалесценции и спекания в моно- и биметаллических наносистемах. Сдобняков, В.С. Мясниченко и др. // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные. Монография / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, С.С. Богданов. – Тверь: Издательство Тверского государственного университета, 2021. – 168 с. DOI: 10.26456/skb.2021.168.
6. Богданов, С.С. Закономерности структурообразования в бинарных наночастицах ГЦК металлов при термическом воздействии: атомистическое моделирование. Монография / С.С. Богданов, Н.Ю. Сдобняков. – Тверь: Издательство Тверского государственного университета, 2023. – 143 с.
7. Мясниченко, В.С. Зависимость температуры стеклования биметаллических кластеров на основе титана от скорости охлаждения / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, Д.Н. Соколов и др. // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. – 2020. – T. 17. – № 3. – С. 355-362. DOI: 10.25712/ASTU.1811-1416.2020.03.012.
8. Myasnichenko, V.S. Simulation of crystalline phase formation in titanium-based bimetallic clusters / V.S. Myasnichenko, N.Yu. Sdobnyakov, P.M. Ershov et al. // Journal of Nano Research. – 2020. – V. 61. – P. 32-41. DOI: 10.4028/www.scientific.net/JNanoR.61.32.
9. Савина, К.Г. Проблема получения кристаллических фаз в процессе охлаждения бинарных наночастиц Au-Co и Ti-V / К.Г. Савина, Р.Е. Григорьев, А.Д. Веселов, С.С. Богданов, П.М. Ершов, С.А. Вересов, Д.Р. Зорин, В.С. Мясниченко, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 543-553. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.543.
10. Мясниченко, В.С. Размерный эффект и структурные превращения в тернарных наночастицах Tix-Al96-x-V / В.С. Мясниченко, П.М. Ершов, С.А. Вересов, А.Н. Базулев, Н.Ю. Сдобняков // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. — С. 495-506. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.495.
11. Sdobnyakov, N.Yu. Effect of cooling rate on structural transformations in Ti-Al-V nanoalloy: molecular dynamics study / N.Yu. Sdobnyakov, V.M. Samsonov, V.S. Myasnichenko et al. // Journal of Physics: Conference Series. – 2021. – V. 2052. – Art. № 012038. – 4 p. DOI: 10.1088/1742-6596/2052/1/012038.
12. Chen, T. Promoting the low temperature activity of Ti–V–O catalysts by premixed flame synthesis / T. Chen, H. Lin, B. Guan et. al. // Chemical Engineering Journal. – 2016. – V. 296. – P. 45-55. DOI: 10.1016/j.cej.2015.08.115.
13. Wan, C. Synchrotron EXAFS and XRD studies of Ti–V–Cr hydrogen absorbing alloy / C. Wan, X. Ju, Y. Qi et. al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2010. – V. 35. – I. 7. – P. 2915-2920. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2009.05.034.
14. Liu, T. Enhanced hydrogen storage properties of Mg–Ti–V nanocomposite at moderate temperatures / T. Liu, C. Chen, H. Wang et. al. // The Journal of Physical Chemistry C. – 2014. – V. 118. – I. 39. – P. 22419-22425. DOI: 10.1021/jp5061073.
15. Yang, X. A novel and high-strength Ti–Al–V–Fe alloy prepared by spark plasma sintering / X. Yang, Z. Zhang, B. Wang et al. // Powder Metallurgy. – 2021. – V. 64. – I. 5. – P. 387-395. DOI: 10.1080/00325899.2021.1915609.
16. Li, Y. Thermal stability and in vitro bioactivity of Ti–Al–V–O nanostructures fabricated on Ti6Al4V alloy / Y. Li, D. Ding, C. Ning et. al. // Nanotechnology. – 2009. – V. 20. – I. 6. – Art. № 065708. – 6 p. DOI: 10.1088/0957-4484/20/6/065708.
17. Salek, G. Polyol synthesis of Ti-V2O5 nanoparticles and their use as electrochromic films / G. Salek, B. Bellanger, I. Mjejri et al. // Inorganic Chemistry. – 2016. – V. 55. – I. 19. – P. 9838–9847. DOI: 10.1021/acs.inorgchem.6b01662.
18. Abdul, J.M. Microstructure and hydrogen storage characteristics of rhodium substituted Ti-V-Cr alloys / J.M. Abdul, S.K. Kolawole, G.A. Salawu // JOM. – 2021. – V. 73. – I. 12. – P. 4112-4118. DOI: 10.1007/s11837-021-04952-z.
19. Suwarno, S. Selective hydrogen absorption from gaseous mixtures by BCC Ti-V alloys / S. Suwarno, Y. Gosselin, J.K. Solberg et al. // International Journal of Hydrogen Energy. – 2012. – V. 37. – I. 5. – P. 4127-4138. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2011.11.100.
20. Züttel, A. Fuels – hydrogen storage | Hydrides / A. Züttel // In book: Encyclopedia of Electrochemical Power Sources. – Amsterdam: Elsevier, 2009. – P. 440-458. DOI: 10.1016/B978-044452745-5.00325-7.
21. Сдобняков, Н.Ю. Комплексный подход к моделированию плавления и кристаллизации в пятикомпонентных металлических наночастицах: молекулярная динамика и метод Монте-Карло / Н.Ю. Сдобняков, А.Ю. Колосов, Д.Н. Соколов и др. // Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов. – 2023. – Вып. 15. – С. 589-601. DOI: 10.26456/pcascnn/2023.15.589.
22. Leimkuhler, B. A Gentle stochastic thermostat for molecular dynamics / B. Leimkuhler, E. Noorizadeh, F. Theil // The Journal of Statistical Physics. – 2009. – V. 135. – P. 261-277. DOI: 10.1007/s10955-009-9734-0.
23. Samoletov, A.A. Thermostats for «slow» configurational modes / A.A. Samoletov, C.P. Dettmann, M.A.J. Chaplain // The Journal of Statistical Physics. – 2007. – V. 128. – P. 1321-1336. DOI: 10.1007/s10955-007-9365-2.
24. Cleri, F. Tight binding potentials for transition metals and alloys / F. Cleri, V. Rosato // Physical Review B. – 1993. – V. 48. – I. 1. – Р. 22-33. DOI: 10.1103/PhysRevB.48.22.
25. Paz Borbón, L.O. Computational studies of transition metal nanoalloys / L.O. Paz Borbón // Doctoral Thesis accepted by University of Birmingham, United Kingdom. – Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2011. – 155 p. DOI: 10.1007/978-3-642-18012-5.
26. Stukowski, A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO – the open visualization tool / A. Stukowski // Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. – 2010. – V. 18. – I. 1. – P. 015012-1-015012-7. DOI: 10.1088/0965-0393/18/1/015012.
27. Sdobnyakov, N.Yu. Simulation of phase transformations in titanium nanoalloy at different cooling rates / N.Yu. Sdobnyakov, V.S. Myasnichenko, C.-H. San et al. // Materials Chemistry and Physics. – 2019. – V. 238. – Art. № 121895. – 9 p. DOI: 10.1016/j.matchemphys.2019.121895.