Плазмовий реактор металевих наночастинок

Реферат: Плазмовий реактор металевих наночастинок містить аксіальну електротермічну гармату, оснащену електричною блок-схемою і утворену стрижневим і кільцевим електродами, виконаними з матеріалу одержуваних наночастинок, співвісно встановлених в корпусі. Корпус електротермічної гармати виконаний у вигляді паперово-бакелітового циліндра. UA 110124 U (12) UA 110124 U UA 110124 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до пристроїв отримання металевих наночастинок і може бути використана в різних областях нанотехнологій: наноплазмоніці, медицині, біології, а також для виготовлення наноструктурованих речовин, що використовуються в машинобудуванні. Відомо пристрій для здобуття наночастинок за вибуховою технологією, коли відрізки металевого дроту діаметром 7,5-25 мкм поміщають в камеру і пропускають через них електричний струм від генератора імпульсів з робочим струмом 450 кА і тривалістю одиничного імпульсу 100 нс (див. p. Sen "Preparation of Сі, Ag, Fe and Al nanoparticles by the exploding wire technique", Proc. Indian Sci; Chem. Sci Vol. 115, Nos 5/6, October-December 2003, p. 499-508, Indian Academy of Sciences). Недоліком даного технічного рішення є недопустимо великий розкид частинок, які отримані, по їх розмірах від 1 до 100 нм, виявлені також окремі фрагменти дроту розміром більше 10 мкм. Крім цього, отримання наночастинок вимагає наявності дуже міцної камери, потужного спеціального генератора, причому процес украй складно автоматизувати в режимі безперервної роботи. Вказані недоліки відсутні при використанні імпульсного дугового розряду в газовому або повітряному середовищі. Відомий пристрій "Радіальна імпульсна дугова розрядна гармата для синтезування нанопорошків", United States Patent 6777639 B22F9/14(219/121.59), Aug, 17, 2004. Синтез нанопорошків забезпечується за рахунок утворення щільної плазми при здійсненні імпульсного дугового розряду між стрижневими електродами в повітряному середовищі. Наявність атмосфери і щільної плазми сприяють синтезу нанопорошків стабільних розмірів. Проте, рух наночастинок, які формуються, відбувається в радіальному напрямі, що ускладнює їх збір. При цьому неминучі втрати отриманого матеріалу. Найбільш близьким за технічною суттю є "Пристрій і спосіб прямого електротермічного перетворення кераміки в нанопорошок", United States Patent 6472632 B22F 9/14(219/121.59), October 29, 2002. Пристрій являє собою аксіальну електротермічну гармату, що складається з керамічного циліндра, всередині якого співвісно розміщені два електроди - стрижневий і торцевій з отвором (кільцевий). У цьому пристрої синтез нанопорошків здійснюється під впливом імпульсного електричного дугового розряду між стрижневим і кільцевим електродами, що знаходяться в повітряному середовищі, утворення щільної плазми, що приводить до випаровування матеріалу стінки гармати і ерозії електродів з подальшою конденсацією газоплазменного згустку. Витікання продуктів горіння дуги і утворився нанопорошку відбувається в аксіальному напрямку через отвір торцевого електрода, що дозволяє зменшити втрати синтезованого матеріалу. Параметри одержуваного нанопорошку стабільні. Пристрій відрізняється простотою і надійністю роботи вузлів і елементів. Однак, для отримання чистих металевих наночастинок без домішок кераміки необхідно поділ металевої і керамічної фракцій, що вимагає додаткової технологічної операції і ускладнення конструкції пристрою. При цьому також неминучі втрати одержуваного матеріалу, порушується технологічність і безперервність процесу. Пристрій важко використовувати для отримання чистого металевого нанопорошку. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити плазмовий реактор металевих наночастинок, в якому заміна одного з вузлів дозволяє отримати чисто металевий нанопорошок і повністю усунути неметалеві домішки. Для вирішення поставленої задачі в плазмовому реакторі металевих наночастинок, що містить аксіальну електротермічну гармату, оснащену електричною блок-схемою і утворену стрижневим і кільцевим електродами, виконаними з матеріалу одержуваних наночастинок, співвісно встановлених в корпусі, відповідно з корисною моделлю корпус електротермічної гармати виконаний у вигляді паперово-бакелітового циліндра. У запропонованому плазмовому реакторі формування розряду між електродами супроводжується не тільки ерозією електродів гармати, але і випаровуванням стінок розрядної камери аксіальної електротермічної гармати, основним компонентом якої є бакеліт. Ступінь 4 розкладання його на атоми і молекули в плазмі при температурі 1,5•10 °C досягає 99 % [1]. При цьому до 80 % продуктів розкладання представляють молекули СО 2, які утворюються при охолодженні плазми. Таким чином, формування металевих наночастинок відбувається в інертній атмосфері вуглекислого газу без домішки неметалічних матеріалів. Це підтверджується дослідженням хімічного складу отриманих на скляних підкладках наночастинок методом рентгенофлуоресцентного спектрального аналізу (RFA). Використовувався хвильової рентгенофлуоресцентний спектрометр ARL ОРТІМ'Х-0335; спектральний дозвіл 15 еВ для ліній випромінювання Кα і Кβ. У таблиці представлені результати такого дослідження для бронзового катода. 1 UA 110124 U Таблиця Елементний склад наночастинок бронзи на склі (перші три елементи таблиці: Si, Са і Na відповідають хімічному складі скла). El Si Са Na Al Сu Fe Mg K Ті Рх Sx Мn Nі Cl Cr Zr Ar Rb Sr 5 10 15 20 25 30 m/m%: 55,19000 11,29000 10,64000 6,30000 5,56000 4,27000 3,34000 1,32000 0,54700 0,48800 0,33200 0,30700 0,16700 0,09970 0,09470 0,01640 0,01470 0,01250 0,00580 99,99480 StdErr% 0,25000 0,16000 0,15000 0,12000 0,11000 0,10000 0,09000 0,06000 0,02700 0,02400 0,01700 0,01500 0,00800 0,00870 0,00470 0,00200 0,00610 0,00240 0,00260 Суть корисної моделі плазмового отримання металевих наночастинок пояснюється кресленням, де представлені електрична блок-схема і плазмовий реактор металевих наночастинок. Плазмовий реактор складається з аксіальної електротермічної гармати, виконаної з паперово-бакелітового циліндра 1, краї якого опресовані металевими стаканами. Змінний стрижневий електрод 2 діаметром 6 мм, що виконує роль катода, за допомогою різьбового з'єднання кріпиться до стакана 3. Анодом є торцевий стакан 4 з отвором 5 (кільцевий електрод) в нижній частині паперово-бакелітового циліндра. Змінні катод 2 і анод 4 виготовлені з матеріалу одержуваних наночастинок. Довжина паперово-бакелітового циліндра гармати 40 см, внутрішній діаметр - 8 мм, товщина стінки 1 см. Відстань між катодом і кільцевим електродом анодом регулювалася в межах від 8 до 15 см. Анод 4 - заземлений, а до стрижневого катода прикладалася напруга від ємнісного накопичувана енергії. Початковий тиск в міжелектродному проміжку атмосферний, робочий газ - повітря. Електрична блок-схема гармати, що складається з ємнісного накопичувана і схеми запуску -3 зображена на кресленні. Ємність накопичувача СІ=(1,5-3,0)•10 Ф, робоча напруга до 5 кВ, максимальна енергія, що запасається, змінювалася в межах (18,75-37) кДж. Схема запуску включає конденсатори С2 і С3, індуктивність L, імпульсний трансформатор IT, а також запускаючий розрядник Р. Пристрій працює наступним чином. Між катодом 2 і кільцевим анодом 4 ініціювався потужнострумовий імпульсний дуговий розряд високого тиску, який був обмежений вузьким паперово-бакелітових циліндром 1. Тривалість розряду складала 1,4 мс, максимальний струм досягав 4 кА. Надходження робочої речовини в канал розряду відбувається за рахунок інтенсивного випару електродів і речовини стінки циліндра, внаслідок чого тиск в каналі короткочасно підвищується до (100-150) атм. Виділення газоплазмового згустку через кільцевий анод в довкілля відбувається в адіабатичному режимі з надзвуковою швидкістю, у цьому режимі відбувається нерівноважна конденсація перегрітої пари, що є причиною синтезу нанорозмірних частинок. Продукти ерозії і розкладання стінки паперово-бакелітового циліндра призводять до утворення молекул СО2 і, таким чином, формування наночастинок відбувається в інертному середовищі вуглекислого газу. Режим роботи гармати газодинамічний. 2 UA 110124 U 16 По отриманих оцінках параметри плазми складають: щільність і температура приблизно 10 см і (1-2)еВ, відповідно. Найважливішим позитивним ефектом запропонованої корисної моделі є отримання металевого нанопорошку без домішок з використанням електротермічної гармати. Хімічний склад наночастинок аналізувався методом рентгенофлуоресцентного спектрального аналізу (RFA). Результати аналізу наведені в таблиці, з якої видно, що неметалеві домішки повністю відсутні. -3 5 10 Джерело інформації: 1. Бубном А.Г., Гриневич В.И., Кувыкин Н.А. Закономерности деструкции фенола в водных растворах под воздействием поверхностно-барьерного разряда//Химия высоких энергий. 2004. - Т. 38, № 5. - С. 380-384. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Плазмовий реактор металевих наночастинок, що містить аксіальну електротермічну гармату, оснащену електричною блок-схемою і утворену стрижневим і кільцевим електродами, виконаними з матеріалу одержуваних наночастинок, співвісно встановлених в корпусі, який відрізняється тим, що корпус електротермічної гармати виконаний у вигляді паперовобакелітового циліндра. Комп’ютерна верстка О. Гергіль Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3