Спосіб одержання порошкових нанорозмірних матеріалів та пристрій для його здійснення

Реферат: Винаходи належать до способу та пристрою одержання порошкових нанорозмірних матеріалів, які можуть бути використані в нанотехнологіях мікроелектронної та напівпровідникової техніки, сонячної енергетики, медицини тощо. У способі одержання порошкових нанорозмірних матеріалів, згідно з винаходом, матеріал роздрібнюють в помольній камері при надходженні до неї повітря від компресора і включенні електростатичної або електромагнітної відхильної системи, під тиском доцентрових сил зарядів іонізованого повітря та зарядів відхильної системи. Розмір роздрібнених частинок матеріалу регулюють напруженістю електростатичного або електромагнітного поля та тиском повітря в камері. Пристрій для одержання порошкових нанорозмірних матеріалів містить помольну камеру, компресор та джерело енергії. Згідно з винаходом, всередині помольної камери розміщена електростатична або електромагнітна відхильна система, а зовні камери розміщений компресор, механічно з'єднаний з камерою, та джерело енергії, підключене до відхильної вистеми. Винаходи дозволяють одержати чистий нанорозмірний порошок матеріалів, підвищити ефективність та економічність процесу UA 98873 C2 (12) UA 98873 C2 роздрібнення матеріалів та значно спростити технологію виготовлення пристрою для його здійснення. UA 98873 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Взаємозв'язана група винаходів належить до способу та пристрою одержання порошкових нанорозмірних матеріалів, які можуть бути використані в нанотехнологіях мікроелектронної та напівпровідникової техніки, сонячної енергетики, медицини тощо. З розвитком нанотехнології надзвичайно актуальною проблемою є одержання порошкових високочистих нанорозмірних матеріалів. Відомі різні способи та пристрої одержання порошкових матеріалів [1-6]. До їх недоліків належить те, що вони, як правило, мають низьку ефективність та складну конструкцію пристроїв для їх одержання. Відомий спосіб, вибраний як прототип, роздрібнення матеріалів в потоці енергоносія [7]. Спосіб включає подачу в циліндричну помольну камеру струменя енергоносія, утворення зон звукових або ультразвукових коливань, поперечних до обертового потоку, в яких коливання другої гармоніки основної частоти посилені додатковими резонансними коливаннями, завантаження та подрібнення початкового матеріалу, відбір одержаного порошку. Однак, здійснити цим способом роздрібнення матеріалів до нанорозмірів дуже важко. Відомий пристрій вихрового помелу матеріалів, вибраний як прототип [7]. Цей пристрій містить камеру, всередині якої є порожнини, орієнтовані уздовж хорди перерізу її внутрішньої поверхні, напрям нахилу яких відносно до радіуса циліндричної помольної камери збігається з напрямом нахилу сопла, причому кожна із перших порожнин сполучена з меншою другою порожниною, нахиленою до першої. Однак, він має надзвичайно складну технологію виготовлення пристрою. Особливо важко виконати із заданою точністю порожнини всередині камери пристрою. В основу першого із групи винаходів поставлено задачу одержання порошкових нанорозмірних матеріалів більш простим, ефективним та економічним способом. Поставлена задача вирішується тим, що у способі одержання порошкових нанорозмірних матеріалів, згідно з винаходом, матеріал роздрібнюють під тиском доцентрових сил зарядів іонізованого повітря і відхильної системи. В основу другого із групи винаходів поставлено задачу значно спростити конструкцію пристрою для одержання порошкових нанорозмірних матеріалів, підвищити ефективність та економічність процесу роздрібнення матеріалів. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для одержання порошкових нанорозмірних матеріалів, згідно з винаходом, містить камеру, всередині якої розміщена відхильна електростатична система, а зовні камери розміщені компресор та джерело енергії, які з'єднані з нею. Всередині камери може бути розміщена електромагнітна та/або магнітна, та/або статична відхильна система, яка може бути з'єднана з джерелом енергії. Спосіб здійснюють таким чином. При включенні компресора повітря надходить в камеру, в якій іонізується електростатичними та/або статичними зарядами. При електростатичній та/або електромагнітній відхильній системі включають джерело енергії до відповідних відхильних систем. Потім через вхід камери подають матеріал, який підлягає роздрібненню. Під тиском доцентрових сил зарядів іонізованого повітря і відхильної системи поданий матеріал роздрібнюється. При цьому відбуваються складні електродинамічні процеси, які зумовлюють роздрібнення. У випадку розміщення всередині камери електростатичної відхильної системи, швидкість руху електронів між пластинами, при наявності між ними однорідного електричного поля, задається тиском повітря Pi а рівняння руху електрона у напряму осі " y" має вигляд: m 45 d2y dt2  eEy , де: m - маса електрона; d - відстань між пластинами; t - час руху; E y – енергія електронів. Після деяких перетворень із рівняння дістаємо залежність відхилення " y" від величини E y та Pi : y 50 E2y 2 z 4Pi , де: z - вісь руху.   P 2 /(4dP ) i i . Відхилення електронів пластинами завдовжки  має вигляд: D електронів між пластинами визначається через кут нахилу дотичної до Повне відхилення траєкторії електрона, яке можна описати рівнянням: 1 UA 98873 C2 D  u   / 2Pid , де: u - прикладена до пластин напруга. 5 S Чутливість до відхилення відх визначається відношенням повного відхилення електронів D u , тобто: до прикладеної напруги Sвідх  D / u  l  u /(2du) , де: l - довжина пластини. Із наведеної формули видно, що при збільшенні довжини пластин l чутливість відхилення 10 Sвідх. буде зростати. Слід мати на увазі, що фактична чутливість відхилення дещо вища розрахункової, оскільки на краю пластин, за рахунок зменшення напруженості поля, створюється ніби додаткова відхильна сила, яка підсилює відхилення електронів. Через те, у формулу розрахунку чутливості, вводиться додатковий коефіцієнт K(K  1) , тобто: Sвідх.  K  l  u /(2d  u) 15 20 25 30 35 40 45 50 55 . Із наведеної формули випливає, що чутливість відхилення обернено пропорційна прискорюючій напрузі й та віддалі між пластинами і не залежить від маси і заряду частинок. Наведений розрахунок не дає повного уявлення про електродинамічні процеси, які відбуваються в камері пристрою, а є лише поясненням дії електростатичної системи відхилення. Слід відзначити, що електростатичні відхильні системи, у порівнянні з магнітними, не такі інерційні, що дає можливість використовувати їх у камері пристрою для роздрібнення матеріалів з частотою сигналу до сотень мегагерц. При магнітних відхильних системах інерційність відчувається вже на частотах в кілька десятків кілогерц. На кресленні наведена блок-схема пристрою для здійснення способу. Пристрій містить камеру 1 з входом і виходом, джерело енергії 2. Камера з'єднана з компресором 3 і відхильною системою 4. Компресор електрично з'єднаний з джерелом енергії 2. Відхильна система також може бути з'єднана з джерелом енергії 2. Пристрій працює таким чином. При включенні компресора 3 і відхильної системи 4, повітря подається в камеру 1, в якій іонізується електростатичними та/або електромагнітними зарядами відхильної системи 4. Через вхід камери 1 подають матеріал, який під тиском доцентрових сил зарядів відхильної системи 4 та іонізованого повітря роздрібнюється. Якщо в камері 1 пристрою розміщена електромагнітна та/або магнітна відхильна система, то при вході в магнітне поле на електрони іонізованого повітря діє доцентрова сила F , яка змінює напрям руху електрона. Радіус кривизни траєкторії R  mV /(eH) , де: H - напруженість магнітного поля; m та V - маса і швидкість електрона. Аналогічно з електростатичним чутливість магнітного відхилення визначається відношенням D / H , тобто відхилення електрона залежить від маси і заряду частинки. Конструктивно магнітні відхильні системи можуть бути виготовлені, в залежності від конструкції камери пристрою, у трьох модифікаціях: без магнітопроводу, із зовнішнім та з внутрішнім магнітопроводами (тороїдального типу). Розмір роздрібнених частинок матеріалу регулюється тиском повітря та напруженістю електростатичного та/або електромагнітного поля відхильної системи 4 та може досягати нанорозмірів. При виключенні компресора 3 і відхильної системи 4 роздрібнений нанорозмірний порошок матеріалу висипається через вихід камери 1 в тару. Запропонована група винаходів дозволяє одержати чистий нанорозмірний порошок матеріалів, підвищити ефективність та економічність процесу роздрібнення матеріалів та значно спростити технологію виготовлення пристрою для його здійснення. Таким чином, наведені дані підтверджують досягнення технічного результату при здійсненні заявленої групи винаходів. Джерела інформації: 1. Гийо Р. Проблема измельчения и ее развитие. Пер. с франц. М. 1964. 2. Ходаков Г.С. Физика измельчения. М.: Наука, 1972. 3. Патент US № 3648936, МПК В02С 19/06, 1970. 4. Патент SU № 1282894, МПК В02С 19/00, 1987. 5. Патент ЕА № 0004, МПК В02С 19/06, 19/08, 1997. 6. Патент РФ № 2166993, МПК В02С 19/06, 2001. 2 UA 98873 C2 7. Патент РФ № 2100082, МПК В02С 19/06, 2000. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 15 1. Спосіб одержання порошкових нанорозмірних матеріалів, що включає подачу в циліндричну помольну камеру струменя енергоносія, завантаження та подрібнення початкового матеріалу, відбір одержаного порошку, який відрізняється тим, що матеріал роздрібнюють в помольній камері при надходженні до неї повітря від компресора і включенні електростатичної або електромагнітної відхильної системи, під тиском доцентрових сил зарядів іонізованого повітря та зарядів відхильної системи, при цьому розмір роздрібнених частинок матеріалу регулюють напруженістю електростатичного або електромагнітного поля та тиском повітря в камері. 2. Пристрій для одержання порошкових нанорозмірних матеріалів, що включає помольну камеру, компресор та джерело енергії, який відрізняється тим, всередині помольної камери розміщена електростатична або електромагнітна відхильна система, а зовні камери розміщений компресор, механічно з'єднаний з камерою, та джерело енергії, підключене до відхильної вистеми. Комп’ютерна верстка Л. Купенко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3