Structural transformations in binary Ti-V nanoparticles: size effect and effect of composition change

Capa

Citar

Texto integral

Resumo

The processes of the structure formation in Ti-V binary nanoparticles and the factors influencing the crystallization process are discussed. The objects of study were Ti-V binary nanoparticles containing N=200, 400, 800, 1520, 3000, and 5000 atoms with various compositions. The computer experiment was conducted using the molecular dynamics method. Interatomic interactions were described using the tight-binding potential. Based on a series of computer experiments, it was determined that the crystallization process of Ti-V binary nanoparticles is significantly dependent on both their size and component ratio. As the size of the nanoparticles increases, the crystallization temperature rises, and the component ratio has a substantial influence on the formation of crystalline phases. The lowest crystallization temperatures were observed at titanium-to-vanadium ratios of 25-75% and 50-50%. Larger nanoparticles also exhibit pronounced phase segregation, with FCC and HCP phases dominating depending on the titanium-to-vanadium ratio. The observed tendency to form a multilayered onion-like structure indicates a more complex structure formation process than surface segregation.

Sobre autores

Kseniya Savina

Tver State University

2nd year postgraduate student, General Physics Department

Alexei Veselov

Tver State University

Researcher, General Physics Department

Roman Grigoryev

Tver State University

3rd year postgraduate student, General Physics Department

Sergei Veresov

Tver State University

3rd year postgraduate student, General Physics Department

Pavel Ershov

Tver State University

Researcher, General Physics Department

Danila Zorin

Tver State University

1st year graduate student, General Physics Department

Nickolay Sdobnyakov

Tver State University

Email: nsdobnyakov@mail.ru
Dr. Sc., Docent, General Physics Department

Bibliografia

  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/ href='www.scientific.net/JNanoR.61.32' target='_blank'>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.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).