Спосіб одержання нановуглецевого покриття металевих поверхонь

Реферат: Винахід належить до галузі металургії, а саме - до способу одержання нановуглецевого покриття металевих поверхонь, зокрема до способів одержання нановуглецевого покриття металевих поверхонь у результаті перетворення вуглецевмісної сировини у технічний вуглець (вуглецевмісну сажу) або інші вуглецеві матеріали, що мають задану наноструктуру. Спосіб включає синтез наночастинок речовини за допомогою плазми, яку утворюють при здійсненні електричного розряду між електродами в камері, заповненій робочим газом, та осадження їх на металеву поверхню, металеву поверхню використовують як електрод, як робочий газ використовують вуглецевмісний газ з ряду алканів, а синтез наночастинок та осадження їх на металеву поверхню здійснюють одночасно при дії електричних розрядів на вуглецевмісний газ з частотою від 1 до 100 кГц. Винахід забезпечує локалізацію місця нанесення покриття, за допомогою використання плазми з газової вуглеводневої сировини, отримують енергію, необхідну для синтезу вуглецевих матеріалів заданої наноструктури безпосередньо на металевій поверхні, що оброблюється, суттєво спрощують спосіб нанесення вуглецевого UA 111898 C2 (12) UA 111898 C2 покриття, зменшують енерговитрати на його одержання, розширюють номенклатуру функціональних використань цих покриттів, як захисних, механічно стійких або маркувальних. UA 111898 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до галузі металургії, а саме - до способів одержання нановуглецевого покриття металевих поверхонь у результаті перетворення вуглецевмісної сировини у технічний вуглець (вуглецевмісну сажу) або інші вуглецеві матеріали, зокрема, що мають задану наноструктуру. Отримані покриття можуть бути використані як захисні, для поверхонь електромагнітних екранів або для створення захисного, стійкого до механічних ушкоджень, перманентного маркування для ідентифікації металовиробів. Відомо спосіб нанесення твердого покриття (Пат. на изобретение № 2197556 Российская Федерация. Способ нанесения твердых покрытий. МПК7 С23С 4/10, 4/12. Опубл. 27.01.2003), що включає попереднє насичення поверхні вуглецем, гартування і відпуск та подальше насичення карбідоутворюючими елементами, яке здійснюють імпульсами плазми, в яку вводять 2 легуючі елементи при пропусканні електричного струму густиною 2000-8000 А/см крізь плазму і ударно-стиснений шар, який утворюють на робочій поверхні виробу з, переважно, азоту та вуглецю. Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками способу, який заявляється, є такі: одержання вуглецевого покриття поверхонь за допомогою плазми, що утворюють при здійсненні електричного розряду в камері, заповненій робочим газом, та осадження його на металеву поверхню (насичення поверхні вуглецем і елементами здійснюють імпульсами плазми при пропусканні електричного струму крізь плазму і шар газу). Причиною, що перешкоджає отриманню очікуваного технічного результату, є те, що матеріал, з якого отримують покриття, потрібно додатково вносити в камеру, що ускладнює реалізацію способу. Спосіб здійснюють із значними енерговитратами. Найбільш близьким по технічною суттю до винаходу, що заявляється, є спосіб нанесення нанопокриттів ("Способ нанесения нанопокрытий и устройство для его осуществления". RU 2371379 C1, МПК В82В 3/00, С23С 14/34. Опубл. 27.10.2009), що включає осадження на підкладку наночастинок речовини, що наноситься плазмовим розпиленням у вакуумній камері, заповненій робочим газом, наночастинки отримують шляхом випаровування мішені речовини, що наноситься, в плазмі імпульсного потужного струминного розряду, який пінчується під дією власного магнітного поля, при цьому мішень формують шляхом подавання в зону випаровування вільно падаючого дрібнодисперсного порошку. Пристрій для нанесення нанопокриття складається з вакуумної камери, анода і катода та ін. Ознаками, що збігаються з суттєвими ознаками способу, який заявляється, є такі: синтез наночастинок речовини за допомогою плазми, що утворюють при здійсненні електричного розряду між електродами в камері (наночастинки отримують в плазмі імпульсного розряду, пристрій для нанесення нанопокриття складається з вакуумної камери, анода і катода), заповненій робочим газом, та осадження їх на металеву поверхню. Причиною, що перешкоджає отриманню очікуваного технічного результату, є те, що матеріал, з якого отримують наночастинки, потрібно додатково вносити в камеру, що ускладнює реалізацію способу. Синтез наночастинок і їх осадження на поверхню здійснюється як дві окремі технологічні операції, що потребує збільшення енерговитрат на їх проведення. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу одержання нановуглецевого покриття металевих поверхонь шляхом використання нової технологічної схеми, тобто комбінації заданого режиму і способу вводу енергії та використання заданого складу сировини і способу її подачі, що дозволить локалізувати місце нанесення покриття, в якому, за допомогою використання плазми з газової вуглеводневої сировини, отримувати енергію, необхідну для синтезу вуглецевих матеріалів заданої наноструктури безпосередньо на металевій поверхні, що оброблюється, і за рахунок цього суттєво спростити спосіб і зменшити енерговитрати на одержання нановуглецевого покриття. Суть винаходу, що заявляється, полягає в тому, що в способі одержання нановуглецевого покриття металевих поверхонь, що включає синтез наночастинок речовини за допомогою плазми, яку утворюють при здійсненні електричного розряду між електродами в камері, заповненій робочим газом, та осадження їх на металеву поверхню, згідно з винаходом, металеву поверхню використовують як електрод, як робочий газ використовують вуглецевмісний газ з ряду алканів, а синтез наночастинок та осадження їх на металеву поверхню здійснюють одночасно при дії електричних розрядів на вуглецевмісний газ з частотою від 1 до 100 кГц. Розкриваючи причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю ознак способу, що заявляється, і технічним результатом, якого можна досягти, необхідно відзначити наступне. Ознака "металеву поверхню використовують як електрод", дозволяє локалізувати місце нанесення покриття. Ознаки "як робочий газ використовують вуглецевмісний газ з ряду алканів, а синтез наночастинок та осадження їх на металеву поверхню здійснюють одночасно при дії 1 UA 111898 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 електричних розрядів на вуглецевмісний газ з частотою від 1 до 100 кГц", що дозволяє за допомогою використання плазми з газової вуглеводневої сировини, отримувати енергію, необхідну для синтезу вуглецевих матеріалів заданої наноструктури безпосередньо на металевій поверхні, що оброблюється. Суть винаходу пояснюється кресленням, на якому на Фіг. 1 схематично представлено приклад пристрою для реалізації способу одержання вуглецевих наноматеріалів, а на Фіг. 2, 3 показано зображення структури зразка покриття. Пристрій для реалізації способу (Фіг. 1) містить високовольтний ізолятор 1, крізь який проведено електрод 2, камеру 3, канали 4 підводу і відводу робочого газу, металеву поверхню 5, яку використовують, як електрод. Спосіб одержання нановуглецевого покриття металевих поверхонь реалізують таким чином. У камеру 3 крізь канали 4 подають робочий газ, за який використовують вуглецевмісний газ з ряду алканів. Синтез наночастинок нановуглецю здійснюють за допомогою плазми електричного розряду, яку утворюють між проведеним крізь високовольтний ізолятор 1 електродом 2 і металевою поверхнею 5, яку використовують як електрод. Синтез наночастинок та осадження їх на металеву поверхню 5 здійснюють одночасно при дії електричних розрядів на вуглецевмісний газ з частотою від 1 до 100 кГц. Для отримання розрядних імпульсів використовують генератор імпульсів напруги прямокутної або синусоїдної форми з рівнем напруги від одиниць до десятків кіловольт і частотою від 1 до 100 кГц. В процесі одержання нановуглецевого покриття металеву поверхню 5 переміщують відносно камери 3 із заданими швидкістю і напрямком, формуючі тим самим шар покриття необхідної товщини за заданою траєкторією. Наприклад, при обробці поверхні міді знакозмінними імпульсами розрядного струму частотою 56 кГц за допомогою запропонованого способу на металевій поверхні формується шар нановуглецю із структурою, показаною на фіг. 2, отриманою за допомогою скануючого електронного мікроскопу JSM-6700F. На фіг. 3 показано зображення того ж зразка покриття при більшому збільшенні мікроскопу. Отримане покриття є стійким до органічних розчинників Рентгеноструктурний аналіз оброблюваної поверхні мідної пластини, який проводився до і після обробки на дифрактометрі ДРОН-3, не виявив зміни фазового складу матеріалу. На дифрактограмах присутні чіткі піки, які належать міді (інших кристалічних фаз не виявлено). Однак, після обробки спостерігається зниження рівня інтенсивності піків від 2 до 3 разів, залежно від товщини шару покриття. Це свідчить про появу нової аморфної фази (шару нановуглецю) на поверхні металу. Розміри глобул покриття залежать від параметрів імпульсів генератора. Таким чином, запропонований спосіб одержання нановуглецевого покриття металевих поверхонь дозволить локалізувати місце нанесення покриття, в якому, за допомогою використання плазми з газової вуглеводневої сировини, отримувати енергію, необхідну для синтезу вуглецевих матеріалів заданої наноструктури безпосередньо на металевій поверхні, що оброблюється, і за рахунок цього суттєво спростити спосіб і зменшити енерговитрати на одержання нановуглецевого покриття. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 45 50 Спосіб одержання нановуглецевого покриття металевих поверхонь, що включає синтез наночастинок речовини за допомогою плазми, яку утворюють при здійсненні електричного розряду між електродами в камері, заповненій робочим газом, та осадження їх на металеву поверхню, який відрізняється тим, що металеву поверхню використовують як електрод, як робочий газ використовують вуглецевмісний газ з ряду алканів, а синтез наночастинок та осадження їх на металеву поверхню здійснюють одночасно при дії електричних розрядів на вуглецевмісний газ з частотою від 1 до 100 кГц. 2 UA 111898 C2 3 UA 111898 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова 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 4