 |
Метод испарения электронным пучком.
|
|
|
|
ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА ДЛЯ
ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ НЕКОТОРЫХ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ
Отчет по научной работе во втором семестре.
Выполнил студент гр. 314-М:
_______О.А. Когай
Проверил доцент каф. физики, к.т.н:
______С.Ю. Корнилов
Введение. 3
1 Литературный обзор. 5
1.1 Метод испарениея электронным пучком. 5
1.2 Получение нанопорошков различных материалов методом испарения исходного вещества с применением сфокусированного электронного пучка,выпущенного в среду с атмосферным давлением. 7
1.3 Синтез нанокристаллических материалов при помощи электронно-лучевого
испарения 13
2 Перспективы применения импульсного электронного пучка. 16
2.1 Описание конструкции установок НАНОБИМ-1 И НАНОБИМ-2. 18
2.1.1 Уточнение параметров экспериментальной установки. 18
2.1.2 Общая схема и принцип работы установки НАНОБИМ-1. 22
2.1.3 Принцип работы импульсного плазменного источника электронов. 24
2.1.4 Общая схема и принцип работы установки НАНОБИМ-2. 27
2.1.5 Система сбора порошка и конструкция кристаллизатора. 29
2.2 Получение нанопорошков в больших масштабах на мощном ускорителе электронов при атмосферном давлении.
2.3 Обоснование выбора метода испарения электронным пучком для получения нанопорошков оксидов металллв. 32
Заключение. 35
Список используемой литературы.. 37
Введение
Нанопорошки имеют широкий спектр применений. Они используются при производстве электронных и оптических изделий, фармпрепаратов и продукции медицинского назначения, косметических средств, строительных материалов, покрытий и другой продукции. Актуально использование нанопорошков в машиностроении (упрочнение режущих и иных поверхностей), альтернативной энергетике (производство солнечных батарей).
|
|
|
К настоящему времени в мире разработаны следующие технологии и способы производства нанопорошков:
- осаждение порошков из растворов на подложки;
- газофазный синтез – разложение различных соединений с последующей конденсацией паров металлов и сплавов при контролируемой температуре в атмосфере инертного газа низкого давления;
- испарение вещества путем превращения его в плазму;
- испарение при помощи нагрева, осуществляемое в вакуумных электронно-лучевых установках;
- испарение при помощи нагрева лазером;
- испарение при помощи электрического взрыва проводников (тонкой проволоки) в инертных атмосферах;
- механические методы помола порошков до субмикронных размеров. Электронно-лучевая технология является эффективным средством получения нанодисперсных порошков оксидов размером частиц 30-200 нм и удельной поверхностью более 100 м2/г и обеспечивает воспроизводимость получаемых порошков по качеству. Особое внимание уделяется разработке высокопроизводительных и, в то же время, экономичных и безопасных технологий производства нанопорошков. Одним из признанных методов получения порошков является испарение твердых неорганических веществ с последующей конденсацией, однако существующие источники мощного нагрева имеют низкий КПД, производительность, либо для их применения требуется специальные вакуумные камеры или неактивные газы, поэтому развитие электронно- лучевой технологии получения нанопорошков при атмосферном давлении является актуальной задачей.
Методом самопроизвольного взрывного пиролиза цитратных комплексов можно получать нанопорошки оксида цинка (ZnO) с размером частиц до 150 нм. Дешевый относительно физических методов получения нанопорошков [1].
Методом электрического взрыва проводников можно получать нанопорошки вольфрама. Частицы имеют сферическую форму и негладкую поверхность. Средний размер частиц 50 нм [2].
|
|
|
Перспективным методом получения нанопорошков тугоплавких металлов является создание нанопорошков с заданной стехиометрией с помощью лазерной искры, то есть с заданным соотношением масс химических элементов. Средний размер частиц 2 нм, при производительности 1 г/час [3].
Цель данной работы заключается в улучшении разработанного метода получения нанопорошков оксидов металлов с определенными параметрами, для дальнейшего использования нанопорошков в микроэлектронике, основываясь на известных методах, используемых в настоящее время, а также на результатах исследований, которые были получены различными исследователями. Определение наиболее подходящих методов получения конкретных нанопорошков. Выявление достоинств и недостатков этих методов.
Получение и исследование свойств высокодисперсных порошков различных веществ является актуальным разделом современной науки и технологий. Во-первых, это обусловлено практической необходимостью создания новых материалов, что в ряде случаев возможно только с использованием порошкообразных составляющих; во-вторых, проблема изучения очень малых частиц, особенно имеющих размеры менее 100 нм, является составной частью более общей фундаментальной области знания, собирательно называемой “Нанотехнологии”. Особое внимание уделяется разработке высокопроизводительных способов производства нанопорошков, которые являются базой наноиндустрии. Однако производительность основной массы известных методов, особенно для получения нанопорошков металлов, нитридов и карбидов, мала.
ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Метод испарения электронным пучком.
Нанопорошки, как показывает общая практика, обладают специфическими свойствами, связанными с методикой их производства, материалом, внутренней структурой, что делает их параметры не унифицируемыми. Это препятствует проведению сравнения нанопорошков, полученных разными путями, а также проведению усреднения параметров по ансамблю частиц, так как велико взаимовлияние параметров.
Модельные представления о процессе формирования нанопорошка.
|
|
|
В работе [4] использована установка для получения нанопорошков, основанная на методе испарения исходного вещества непрерывным пучком электронов промышленного ускорителя с последующей конденсацией пара в твердые частицы в потоке газа атмосферного давления. Общая схема установки получения нанопорошков представлена на рис. 1.1. Пучок из ускорителя инжектируется в секционированный водоохлаждаемый сублиматор, оснащенный системой многоканального (по секциям) дистанционного контроля температуры охлаждающей воды с помощью терморезисторов и ее расхода.
Рис. 1.1. Схема установки для получения наночастиц: 1 – ускоритель электронов; 2 – сублиматор; 3 – отсек отделения крупной фракции; 4 – бокс с фильтром; 5 – вентиля- тор; 6 – регулятор расхода газа; 7 – баллон с газом; 8 – трубы газового тракта; 9 – исходный материал (SiO2)
Вследствие использования в качестве нагревателя пучка электронов метод не имеет ограничений на материал, из которого производится нанопорошок. Способ может быть использован для получения нанопорошков как чистых веществ, так и оксидов и нитридов с высокой производительностью до нескольких килограммов в час. В данной работе, в основном, приводятся результаты, полученные на опытной установке с производительностью при получении диоксида кремния до 140 г в час. Производственный процесс, несмотря на простоту принципов, сложен в исследовании, а именно в проведении измерений и контроле производственных параметров. Вследствие особенностей производственного метода, теоретические представления o процессах, протекающих в установке, развиты недостаточно. Тем не менее результаты работы позволили создать модельные представления на основе экспериментальных данных и качественных представлений о влиянии параметров производства на удельную поверхность получаемого нанопорошка.
Таблица 1.1.-Параметры производства:
| Q, л/мин | H, см | I, мA | Sуд, м2/г | dM/dt, г/ч | Ω, м2/ч |
| 17,5 | 2 135 | ||||
| 23,5 | 2 448 |
* Q – расход газа-носителя (воздуха), H – расстояние, пройденное электронным пучком в атмосфере, I – ток пучка электронов. Характеристики процесса: Sуд – удельная поверхность нанопорошка, dM / dt – производительность, Ω – добротность процесса.
|
|
|
Представлен определяющий фактор для конкретной производственной схемы в виде произведения массовой производительности на удельную поверхность продукта. Его использование в сочетании с модельными представлениями позволяет быстро и точно оценить качество и эффективность производственного процесса. Ключевым в предлагаемой модели является предположение о высокой скорости охлаждения паров, генерируемых поверхностью расплава исходного вещества. Это приводит к тому, что практически каждое столкновение частиц пара друг с другом приводит к их объединению. Тогда можно предположить, что формирование наночастиц происходит непосредственно над поверхностью расплава, и, в среднем, каждую наночастицу образуют все молекулы пара исходного вещества, находящиеся в некотором объеме порядка нескольких длин свободного пробега [4].
|
|
|
