Спосіб отримання металевих нанопорошків в аморфному стані

Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

Спосіб отримання металевих нанопорошків в аморфному стані, що включає твердіння металевих нанокрапель при охолоджуванні розплавленої речовини, що знаходиться під високим тиском, до температури, при якій при атмосферному тиску речовина знаходиться в твердому кристалічному стані, і подальше різке зниження тиску, який відрізняється тим, що розплавлені металеві нанокраплі отримують електричним вибухом локальних ділянок поверхні металевих гранул, створюють імпульсний високий тиск в зонах розплавлених нанокрапель дією на них електричними розрядами в рідині, а різке зниження тиску здійснюють зворотним фронтом ударної хвилі при охолоджуванні розплавлених нанокрапель в рідині.

Текст

Корисна модель відноситься до області нанотехнологій, точніше до способів отримання аморфних наноматеріалів, і може бути використана в порошковій металургії, а також для виготовлення каталізаторів, сорбентів, косметичних засобів, лікарських препаратів, харчових і біологічно активних добавок, медичних виробів, матеріалів медичного і косметичного призначення тощо. Відомі різні способи отримання металевих аморфних сплавів, які засновані на різкому охолоджуванні їх розплавів з швидкостями охолоджування близько 100000К/с і більш [див. Немошкаленко В.В. и др. Аморфные металлические сплавы. Киев: Наукова думка, 1987, с. 1-248.]. Недоліком їх є складна технологія отримання нанопорошків металів в аморфному стані. Відомий спосіб отримання речовини в аморфному стані шляхом швидкого твердіння її мікрокрапель у вільному польоті. (Steiberg J. at al. Productuon of bulk amophous P77,5Sil6, 5Cu6 in containerless lonogravity environment Appl. Phys. Zett, 1981, vol.38, N 3, p. 135-137.). Недоліком відомого способу є низька продуктивність. Відомий також спосіб отримання аморфних порошків металів, що включає подачу оксидних порошків в реактор, обробку їх воднем при кімнатній температурі, при цьому оксидні порошки обробляють коливальнозбудженими молекулами водню /Патент России №2041959. Способ прямого восстановления оксидов и получения аморфных металлов. МПК6 С21В13/00. Опубл. 1995.08.20/. Недоліком відомого способу є неможливість отримання аморфних порошків без стадії отримання оксидів металів, що знижує продуктивність способу. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб отримання речовини в аморфному стані шляхом охолоджування речовини у вигляді рідини, при якій перед охолоджуванням речовину стискають, потім охолоджують до температури кристалізації при атмосферному тиску, після чого знижують тиск з одночасним переміщенням речовини в зону з температурою нижче за температуру кристалізації його в аморфному стані, при цьому час зниження тиску вибирають менше інтервалу часу, що необхідний для заняття молекулами речовини вузлів можливої кристалічної решітки в стані, що відповідає моменту зниження тиску /Патент России №2046160. Способ получения вещества в аморфном состоянии и макроскопических объемов. МПК6 СЗОВ11/02, С30В28/04, С30В29/00. Опубл. 1995.10.20/. Недоліком відомого способу є складна технологія отримання металевих порошків в аморфному стані, яка вимагає механічних операцій по зміні тиску, що знижує продуктивність способу. В основу корисної моделі поставлена задача підвищення продуктивності способу отримання нанопорошків металів в аморфному стані. Запропонований, як і відомий спосіб отримання металевих нанопорошків в аморфному стані заснований на твердінні металевих нанокрапель при охолоджуванні розплавленої речовини, що знаходиться під високим тиском, до температури, при якій при атмосферному тиску вона знаходиться в твердому кристалічному стані, і подальшому різкому зниженні тиску і, відповідно до цієї пропозиції, розплавлені металеві нанокраплі отримують електричним вибухом локальних ділянок поверхні металевих гранул, створюють імпульсний високий тиск в зонах розплавлених нанокрапель дією на них електричними розрядами в рідині, а різке зниження тиску здійснюють зворотним фронтом ударної хвилі при охолоджуванні розплавлених нанокрапель в рідині. Отримання розплавлених металевих нанокрапель електричним вибухом локальних ділянок поверхні металевих гранул дозволяє різко збільшити дисперсність нанокрапель і, тим самим, забезпечити умови для швидкого їх подальшого охолоджування з швидкістю не менше 106град/с. Створення імпульсного високого тиску в зонах нанокрапель дією на них електричними розрядами в рідині є підготовчою операцією для переходу речовини в аморфний стан. Різке зниження тиску зворотним фронтом ударної хвилі одночасно з охолоджуванням нанокрапель в рідині реалізує перехід нанокрапель в аморфний стан. При цьому реалізується висока швидкість зменшення тиску, що є недосяжною для звичайних технологічних операцій, здійснюваних, наприклад, в швидковідчиняємих камерах високого тиску (ШВКВТ). Нанопорошки металів в аморфному стані отримують електричними вибухами локальних ділянок поверхні металевих гранул шля хом дії на них імпульсним електричним струмом, під час якої формуються нанокраплі розплавленого металу. Оскільки електричні вибухи здійснюються в рідині, це дозволяє отримати імпульси високого тиску в локальних об'ємах, де знаходяться розплавлені нанокраплі металу. Високий тиск у вигляді ударних хвиль виникає за рахунок процесів кавітацій в рідині, при цьому в рідкому середовищі розвиваються значні гідродинамічні сили і виникають ультразвукові хвилі, які викликають кавітацію і сонолюмінесценцію. При кавітації ультразвукова хвиля у фазі розрідження, тобто на зворотному фронті ударної хвилі, викликає велику напруженість в рідині, що приводить до локального розриву суцільного середовища і створення в ній кавітаційних пузирів, заповнених водяною парою і розплавленими нанокраплями металу. Через півперіоду під дією стискаючою ефекту ультразвука і сил поверхневого натягнення ці пузирі схлопуються. При цьому з великою швидкістю здійснюється охолоджування розплавлених нанокралель. Різке зниження тиску у фазі розрядки ударної хвилі і різке охолоджування наиокрапель переводить метал в аморфний стан. Аморфний стан металу, з якого складаються наночастки, додає наночасткам нові фізичні властивості. Кристалічний і аморфний стани тіла різняться за такими своїми фізичними властивостями, як розчинність, температура плавлення, твердість, питома вага. Тіла в аморфному стані мають нижчі точки плавлення, меншу питому вагу, меншу твердість, більшу розчинність і доступніші дії хімічних агентів. Металеві нанопорошки в аморфному стані спалахують на повітрі без будь-якого нагріву, в той час як кристалічні аналогічні метали при таких же розмірів спалахують лише при достатньо високому нагріві - до 300...400°С, а грубозернисті частинки металу, наприклад, молібдену, в кристалічному стані на повітрі практично не спалахують до 1000°С. Нанорозмірні кристалічні метали по своїй активності різко поступаються активності нанорозмірних безструктурних аморфних металів. Наприклад, застосування добавок аморфних нанорозмірних порошків молібдену в процесі полімеризації поліфеніл сульфідів дозволяє збільшити їх зносостійкість на порядок, тоді як добавки нанокристалічних порошків молібдену приблизно таких же розмірів підвищують зносостійкість всього лише на 20-30% (Malkhasyan R. Т., Pogosian А., Makaryan V., Isajanyan A. - Proceedings of MRS FALL MEETING. 2003. V. 795, p. 273-279.) При зворотному переході речовини з аморфного стану в кристалічний виділяється багато тепла, а також спостерігаються світлові явища. Наприклад, температура переходу в кристалічний стан для аморфних порошків вольфраму і молібдену знижується до 1000...1100К (Р.Т. Малхасян Доклады национальной Академии Наук Армении, 2004, Том 104, №4). Спосіб отримання металевих нанопорошків в аморфному стані здійснюють таким чином. Нанопорошок в аморфному стані отримують вибуховим диспергуванням металевих гранул, що знаходяться в реакторі в деіонізованій воді, шляхом дії на них імпульсами електричного струму. При проходженні через ланцюжки металевих гранул імпульсів електричного струму, в яких енергія імпульсів перевищує енергію сублімації випарованого металу, в точках контактів металевих гранул один з одним виникають іскрові розряди, в яких здійснюється вибухоподібне диспергування металу. В каналах розряду температура досягає 10 тис. градусів, і виникають ударні хвилі, на фронтах яких різко збільшується тиск. Ділянки поверхні металевих гранул в зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші наночастки і пару. Продукти руйнування розлітаються з швидкостями, що перевищують 1км/с, і дуже швидко охолоджуються в рідині. В результаті в рідині накопичується нанодисперсний металевий порошок в аморфному стані. Таким чином, виконуються всі умови для отримання нанопорошків металів в аморфному стані: підвищення температури до 10000°С, високий тиск в моменти електричних вибухів локальних ділянок поверхні металевих гранул, різке зниження тиску на зворотних фронтах ударних хвиль і швидке охолоджування нанокрапель металів в рідині з швидкостями близько 106 град/с і більш. При цьому, висока швидкість охолоджування рідкофазного зразка обумовлює фіксацію його рідкофазної структури, перешкоджає розміщенню молекул речовини в місцях можливої кристалічної решітки, тобто обумовлює аморфізацію наночасток.

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Method for obtaining of metallic nanopowders in amorphous state

Автори англійською

Kosinov Mykola Vasyliovych, Kaplunenko Volodymyr Heorhiiovych, Kaplunenko Volodymyr Heorhiovych

Назва патенту російською

Способ получения металлических нанопорошков в аморфном состоянии

Автори російською

Косинов Николай Васильевич, Каплуненко Владимир Георгиевич, Каплуненко Владимир Геориевич

МПК / Мітки

МПК: B22F 9/14, C21B 13/00

Мітки: стані, отримання, спосіб, металевих, аморфному, нанопорошків

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/2-23958-sposib-otrimannya-metalevikh-nanoporoshkiv-v-amorfnomu-stani.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Спосіб отримання металевих нанопорошків в аморфному стані</a>

Подібні патенти