 |
Получение нанопорошков в больших масштабах на мощном ускорителе электронов при атмосферном давлении.
|
|
|
|
В работе [9] исследовалась возможность получения нанодисперсных порошков широкого круга веществ испарением техногенных и природных исходных материалов на ускорителе электронов в атмосфере различных газов при атмосферном давлении.
Ускоритель электронов применялся и ранее (Ramsay and Avery, J. Mater. Sci. 9, 1974) для получения ультрадисперсных порошков оксидов, однако процесс осуществлялся при малых мощности (1 кВт), давлении и производительности.
В данной работе использовался промышленный ускоритель ЭЛВ с мощностью 100 кВт. Особенностью ускорителя является высокая энергия электронов (1,4 МэВ), а также возможность выпуска пучка в атмосферу. Концентрация мощности может достигать 5 МВт на кв. см, что позволяет, как испарять тугоплавкие вещества при атмосферных условиях, так и проводить синтез в высокотемпературной “газовой” фазе.
У данного метода высокий КПД процесса вследствие прямого преобразования электрической энергии в тепловую энергию в нагреваемом материале и это является также одним из преимуществ, темп нагрева выше 1000 град. в секунду и “химическая чистота” пучка электронов.
Получены нанодисперсные порошки: оксидов - диоксида и оксида кремния (SiO2, SiO), оксида магния (MgO), оксида алюминия (Al2O3), диоксида титана (TiO2), оксида иттрия (Y2O3), оксида гадолинияя (Gd2O3); металлов –Ta, Mo, Ni, Al, (Cu), (Ag), и некоторых других, в различных атмосферах; полупроводника – кремния (Si); нитридов – алюминия (AlN), титана (TiN) [10].
Обоснование выбора метода испарения электронным пучком для получения нанопорошков оксидов металлов.
Получение наноразмерных порошков металлов и сплавов является сегодня важной технологической задачей. В последнее время проводят интенсивные разработки методов получения таких порошков: метод, основанный на электрическом взрыве проводников, метод нагрева и испарения мишени лазерным излучением, мощным электронным пучком. Каждый из методов имеет свои достоинства и недостатки. Метод электрического взрыва проводников обладает большой производительностью, но можно испарять только проводники. Лазерным нагревом можно испарять любые материалы и получать частицы малых размеров, но лазерные установки имеют низкий КПД. Достоинством метода электронно-лучевого нагрева является возможность испарять любые материалы, а КПД электронного ускорителя достигает 70 %.
|
|
|
В методе электронно-лучевого нагрева для испарения материала используются как импульсные, так и непрерывные электронные пучки.
В работе [10] используется непрерывный электронный пучок с энергией электронов 1,4 МэВ, который выводится в атмосферу. Образующийся при облучении материала плазменный факел охлаждается потоком буферного газа в коагуляторе-охладителе.
Также получены ультрадисперсные частицы диоксида кремния размером 10– 500 нм и агломераты из них размером в десятки мкм.
В итоге экспериментально получены наночастицы различных размеров, но закономерности образования, а также влияние параметров облучения и охлаждения пока недостаточно изучены.
В работе [11] по исследованию процесса разрушения твердотельной мишени, подвергающейся воздействию плотного электронного потока, было установлено, что вещество уходило с мишени целыми зернами, микрокристаллами.
Аналогичный вывод был сделан в экспериментах по генерации ультрадисперсных частиц, описанных в работе [10], в которых были получены дисперсные частицы размером до 500 нм, что свидетельствует об испарении кристаллитов с поверхности твердотельной мишени.
Таким образом, анализ экспериментальных данных позволяет утверждать, что нагрев металлической мишени мощным электронным пучком приводит к ее распаду на кристаллиты.
|
|
|
Дальнейший нагрев кристаллитов приводит к их плавлению и переходу в жидкие капли. В зависимости от вложенной в мишень энергии возможно полное либо частичное испарение капель расплава и образование паров. В дальнейшем в паре имеют место процессы конденсации с образованием капель. Пары металла и капли образуют плазменный факел, который является гетерогенной смесью.
Создание ускорителей электронов с мощностью пучка 1-400 кВт в непрерывном режиме с плотностью тока электронного пучка до 10 А/см2 и высокой плотностью мощности до 10 МВт/см2 позволило использовать их для испарения различных материалов и получения из них нанодисперсных порошков.
При мощности пучка выводимого в атмосферу в 45 кВт, достигнута производительность наработки НП SiO2 в 6 кг/час при энергозатратах 7,5 кВт ч/г. По этим показателям использованный ускоритель значительно превосходит все известные установки с использованием метода ЭВП и лазерного излучения.
Непрерывное облучение пучка электронов с энергией 200 кэВ и плотности тока меньше 70 А*см-2 индуцирует устойчивый аморфный / кристаллический фазовые переходы аморфных наночастицах SiGe и в SiGe нанокристаллов, встроенных в SiO2.
Пороговая энергия пучка электронов для перемещения атомов 145 кэВ для чистого Si, и 350 кэВ для чистого Ge. Так энергия электронов 200 кэВ, только атомы Si, ограниченные в трех других атомов Si может быть смещен. В экспериментах структура нанокристаллов и параметр решетки, то есть его состав, не меняется с плотностью тока облучения, который указывает, что основной процесс отвечает за структурных переходов не является прямым смещение атомов [12].
Заключение
1. Метод испарения электронным пучком дает возможность представления о влиянии параметров производства на удельную поверхность получаемого нанопорошка. Можно получать нанопорошки любых материалов (как чистых металлов, так и оксидов, нитридов).Высокая производительность (≈140 г/час.).
Однако, производственный процесс, несмотря на простоту принципов, сложен в исследовании, а именно в проведении измерений и контроле производственных параметров.
|
|
|
2.Производительность нанопорошков получаемая электронно-лучевой технологии получения нанодисперсных порошков при атмосферном давлении меньше, чем применением импульсного электронного пучка. Разница скорее всего заключается в различных системах сбора порошков, в первом случае сбор происходит в атмосфере, во втором, сбор происходит в самой установке, где присутствует система сбора порошков.
Применение электронного пучка для получения нанопорошков предполагает относительно малое энергопотребление, более низкую цену оборудования и эксплуатационные расходы, что является определенным преимуществом метода относительно метода с использованием импульсного лазерного испарения. Метод является универсальным относительно материалов мишени, т. к. позволяет испарять практически любые материалы, включая органические.
По сравнению с лазерным и плазменным способами получения нанопорошков, испарение электронным пучком имеет преимущество именно вследствие проникновения электронов в вещество и выделения энергии внутри вещества и величина энергозатрат на производство 1 кг НП составляет всего 7,5 кВт/кг, что существенно ниже энергозатрат при лазерном испарении. Также испарение электронным пучком имеет существенно большую производительность, по сравнению с другими методами (примерно в 10 раз больше)
3.В методе получения нанопорошков с использованием мощного ускорителя электронов при атмосферном давлении, важно то, что основной компонент установки (промышленный ускоритель) способен создавать высокие температуры для испарения любых тугоплавких материалов. Процесс осуществляется при высоких КПД и производительности, по оксидам она может достигать десятка килограммов в час, количества нанорошков могут измеряться бочками. Можно получать нанодисперсные порошки: оксидов – SiO2, SiO, MgO, Al2O3, TiO2, Y2O3, Gd2O3; металлов – тантала Ta, Mo, Ni, Al, Cu, Ag, и некоторых других, в различных атмосферах; полупроводника – кремния (Si); нитридов – алюминия (AlN), титана (TiN); и других веществ.
4. При использовании ускорителей с высокой энергией электронов(>1МэВ) возможно испарение мишеней в газе высокого давления, что упрощает вопросы охлаждения паровой фазы и сбора образовавшегося порошка.
|
|
|
Установлено, что 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. Данный результат достигается за счет непрерывного испарения пучком ускоренных электронов твердого сырья с заданной скоростью от 2 до 1700 мг/с и контролируемого разбавления паров воздухом.
Обнаружена зависимость размера частиц от условий испарения. Удельная поверхность в проточной испарительной камере составила от 20 до 40 м2/г (в зависимости от мощности пучка и скорости потока воздуха), а в открытой установке достигает 120 м2/г (при мощности 50 кВт, плотности мощности менее 1 кВт/см2 и расходе воздуха 900 м3/ч).
Результаты электронной микроскопии показали, что форма частиц полученных порошков сферическая. Это обусловлено, по всей видимости, жидко-капельным механизмом испарения, и связано с тем, что основной нагрев ускоренными электронами идет в приповерхностном слое расплава, на глубине 1-2 мм. Размер образующихся частиц, возможно, зависит от природы материала, поскольку испаряются кластеры с размерами не менее 10 нм с сохранением ближних межмолекулярных связей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1) А.М. Багамадова, В.В. Мамедов, А.Ш. Асваров, А.К. Омаев, С.Ш. Махмудов. //Получение нанопорошка оксида цинка методом самопроизвольного взрывного пиролиза цитратных комплексов.
2) А.П. Ильин, О.Б. Назаренко, Д.В. Тихонов, Г.В. Яблуновский // Получение нанопоршков вольфрама методом электрического взрыва проводников.
3) Дубов Д.А., Снытников Вл.Н., Снытников В.Н. Получение нанопорошков тугоплавких оксидов методом лазерного испарения.
4) А. П. Завьялов, К. В. Зобов, В. В. Сызранцев, С. П. Бардаханов.// Концепция полной поверхности при получении и применении нанопорошка диоксида кремния.
5) М.Г. Голковский, П.С. Прозоренко, И.К. Чакин, В.С. Елисеев, С.П. Бардаханов// Получение нанопорошков различных материалов методом испарения исходного вещества с применением сфокусированного электронного пучка, выпущенного в среду с атмосферным давлением.
6) J.A Eastman, L.J Thompson, D.J Marshall // Synthesis of nanophase materials by electron beam evaporation
7) Schonland B.F.J. The passage of cathode rays through matter./ Schonland B.F.J. // Proc.Roy.Soc. London A.-1925.-108,№245.-p.187
8) Ильвес В.Г., Каменецких А.С., Котов Ю.А., Медведев А.И., Соковнин С.Ю. // Получение нанопорошков оксидов металлов испарением импульсным пучком электронов" / Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия, 2009,№3,с.50-54
|
|
|
9) С.П.Бардаханов, А.И.Корчагин.// Получение нанопорошков в больших масштабах на мощном ускорителе электронов при атмосферном давлении.
10) С.П.Бардаханов, А.И.Корчагин.// Получение нанопорошков в больших масштабах на мощном ускорителе электронов при атмосферном давлении.
11) Архипов, А. В. Взаимодействие плотно го длинноимпульсного электронного потока с факелом продуктов разруше- ния твердотельной мишени / А. В. Архипов, Г. Г. Соминский // ЖТФ. 2001. Т. 71, В. 9. С. 38–44.
12) M. I. Ortiz1, A. Rodríguez2, J. Sangrador2, C. Kanyinda-Malu1, T. Rodríguez2and C. Ballesteros1 // Structural stability of SiGe nanoparticles under “in situ” electron beam irradiation in TEM.
|
|
|
