Спосіб отримання металевих наночасток

1. Спосіб отримання металевих наночасток, що включає ерозійно-вибухове диспергування металевих вістряних електродів в полі електричних розрядів з тривалістю імпульсу не менше 10мкс і напруженістю поля в вершинах вістер не менше 107В/см, прискорення отриманих рідких металевих крапель і подачу їх в плазму електричних розрядів, охолоджування до твердіння рідких наночасток, що утворилися в згаданій плазмі, який відрізняється тим, що вістряними електродами є безліч 3 25164 Недоліком цього способу є його низька продуктивність і порівняно велика дисперсія розмірів наночасток. Крім того, даний метод не дозволяє сформувати металеві структури з високою щільністю упаковки частинок, оскільки частинки не аморфні, а кристалічні, і при збільшенні щільності здійснюється коагуляція кристалічних наночасток. Відомий також спосіб отримання частинок в аморфному стані шляхом швидкого твердіння розплавлених мікрокрапель у вільному польоті. [Steiberg J. at al. Productuon of bulk amophous P77, 5Si16, 5Cu6 in containerless lonogravity en vironment Appl. Phys. Zett, 1981, vol.38, N3, p.l35-137]. Недоліком відомого способу є низька продуктивність. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб отримання металевих наночасток, що включає диспергування матеріалу шляхом прикладення до вістряного катода з провідного матеріалу з радіусом кривизни вістря не більше 10мкм електричного поля з напруженістю поля в вершинах вістря не менше 107В/см, подачу отриманих рідких крапель цього матеріалу в плазму електричного розряду з тривалістю імпульсу не менше 10мкс, що створюється в інертному газі при тиску 10-3...10-1Па між електродами при різниці потенціалів не менше 2кВ і одночасній дії магнітним полем напруженістю не менше 600Гc, нормальним до згаданого електричного поля, що створює згадану плазму, охолоджування до твердіння в інертному газі рідких наночасток, що утворилися в згаданій плазмі, і нанесення отриманих твердих наночасток на носій [Патент России №2265076. Способ получения наночастиц. МПК7 С23С4/00, МПК B01J2/02, МПК B22F9/00. Опубл. 2005.11.27]. Недоліком способу є низька продуктивність, оскільки генерація частинок здійснюється тільки в одному розрядному проміжку, а також мала частка наночасток в аморфному стані, обумовлена тим, що високу швидкість охолоджування частинок (не менше 106град/с) неможливо забезпечити в газовому середовищі для більшості розмірів частинок, що генеруються. Це обмежує можливість застосування способу-прототипу в промислових масштабах. У способі-найближчому аналозі висока швидкість охолоджування, необхідна для аморфізації частинок, реалізується тільки для найдрібніших частинок, тоді як крупніші частинки залишаються кристалічними. У основу корисної моделі поставлена задача підвищення продуктивності способу отримання металевих наночасток в аморфному стані. Запропонований, як і відомий спосіб отримання металевих наночасток, включає ерозійновибухове диспергування металевих вістряних електродів в полі електричних розрядів з тривалістю імпульсу не менше 10мкс і напруженістю поля в вершинах вістер не менше 107В/см, прискорення отриманих рідких металевих крапель і подачу їх в плазму електричних розрядів, охолоджування до твердіння рідких наночасток, що утворилися в згаданій плазмі, і, відповідно до цієї пропозиції, вістряними електродами є безліч металевих гранул, в яких вістрями є ерозійні мікронерівності і мікровиступи на поверхні гранул, а охолоджування до тве 4 рдіння рідких наночасток, що летять, здійснюють при їх гальмуванні в діелектричній рідині, при цьому радіуси кривизни мікронерівностей і мікровиступів на поверхні гранул знаходяться в діапазоні 1...100мкм, напруженість поля в вершинах вістер встановлюють в діапазоні 107...109В/см, імпульсні електричні розряди мають тривалість 10...1000мкс, і їх здійснюють в послідовних ланцюжках розрядних проміжків, утворених металевими гранулами. Використання безлічі металевих гранул як вістряних електродів, в яких вістрями є ерозійні мікронерівності і мікровиступи на поверхні гранул, виключає етап спеціальної підготовки вістряних електродів, оскільки вістря автоматично створюються в процесі диспергування гранул на їх поверхні, що значно підвищує продуктивність способу і відкриває можливість його застосування в промислових масштабах. Охолоджування до твердіння рідких наночасток, що летять, здійснюють при їх гальмуванні в діелектричній рідині, що забезпечує умови для швидкого охолоджування з швидкістю не менше 106град/с і аморфізацію наночасток. Радіуси кривизни мікронерівностей і мікровиступів на поверхні гранул знаходяться в діапазоні 1...100мкм, що забезпечує високу напруженість електричного поля в зоні мікровиступів і сприяє електричному пробою розрядних проміжків. При значенні величини радіусів кривизни мікронерівностей і мікровиступів більше 100мкм погіршуються умови пробою розрядних проміжків. Напруженість поля в вершинах вістер встановлюють в діапазоні 107...109В/см, задаючи відповідну величину напруги на електродах для забезпечення надійного пробою розрядних проміжків. Імпульсні електричні розряди мають тривалість 10...1000мкс, що створює умови для капілярної нестійкості мікрокрапель в плазмі електричного розряду і забезпечує, тим самим, ефективне дроблення розплавлених мікрокрапель до нанорозмірних частинок. Для дроблення мікрокрапель необхідно щоб тривалість імпульсів була не менше 10мкс. Збільшення тривалості імпульсних електричних розрядів більше 1000мкс недоцільно, оскільки це приводить до оплавлення вістряних мікровиступів на поверхні гранул і збільшення радіусів кривизни вістер, що, в свою чергу, погіршує умови пробою розрядних проміжків. Імпульсні електричні розряди здійснюють в послідовних ланцюжках розрядних проміжків, утворених металевими гранулами, що збільшує кількість розрядних проміжків, в яких одночасно генеруються наночастки, і підвищує тим самим продуктивність способу. Спосіб отримання наночасток, що заявляється, ілюструється кресленням, де зображена схема пристрою, яка реалізовує спосіб, що заявляється. Пристрій включає реактор 1, в якому розміщені анод 2, катод 3, металеві гранули 4 з ерозійними мікронерівностями і мікровиступами 5, наночастки 6, краплі металу 7. Під днищем реактора 1 встановлений вібратор 8. Спосіб отримання наночасток, що заявляється, здійснюють таким чином. Реактор 1 заповнюють діелектричною рідиною. При хаотичній вібрації 5 25164 і хаотичному русі металевих гранул 4 під дією вібратора 8 ланцюжки цих гранул утворюють розрядні проміжки. При подачі від генератора імпульсів (на малюнку не показаний) різниці потенціалів на анод 2 і катод 3 в розрядних проміжках між металевими гранулами 4 виникають іскрові розряди, що приводять до електричної ерозії поверхні гранул 4. На поверхні гранул 4 утворюються мікронерівності і мікровиступи 5. На ерозійних мікронерівностях і мікровиступах 5 на поверхні гранул 4 з радіусами кривизни вістер 1...100мкм виникає електричне поле з напруженістю поля в вершинах вістер не менше 107В/см. Отримані з вістер 5 рідкі краплі 7 потрапляють в плазму електричного розряду з тривалістю імпульсу не менше 10мкс. В плазмі електричного розряду рідкі краплі 7, що інжектуються з поверхні гранул 4, заряджаються до критичної величини - порогу капілярної нестійкості, при досягнені якого краплі починають ділитися, породжуючи безліч дрібніших (дочірніх) крапель. Дочірні краплі робляться зарядженими вище за поріг нестійкості Релея, так що процес ділення, що почався, носить каскадний характер [див. А.И. Григорьев, С.О. Ширяева, ЖТФ, 1991 т. 61, вип.3, стор.19]. Комп’ютерна в ерстка М. Ломалова 6 Цей процес зупиняється при послідовному зменшенні розміру заряджених крапель до зростання струму автоемісії з їх поверхні, що, зрештою, веде до зниження заряду крапель нижче за поріг нестійкості. Для цього необхідний час не менше 10мкс. При цьому для більшості металів розмір крапель 6, що є кінцевим продуктом ділення, робиться близько декількох нанометрів. Таким чином, в результаті ділення рідких мікронних і субмікронних крапель 7 в плазмі електричного розряду формується велика кількість нанометрових частинок 6 з вузькою дисперсією розміру. Для того, щоб зформовані наночастки 6 мали аморфну структур у, необхідно забезпечити їх о холодження у момент твердіння з швидкістю не менше 106град/с. Ділянки поверхні металевих гранул 4 в зонах іскрових розрядів плавляться і вибухоподібно руйнуються на найдрібніші частинки. 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. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601