СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОПОРОШКОВ МЕТАЛЛОВ С ПОВЫШЕННОЙ ЗАПАСЕННОЙ ЭНЕРГИЕЙ
METHOD FOR OBTAINING NANOPOWDERS OF METALS WITH INCREASED STORED ENERGY

Изобретение относится к технологии получения нанопорошков с повышенной запасенной энергией, в частности нанопорошков металлов, и может использоваться для повышения реакционной способности нанопорошков металлов при спекании, горении, в энергосберегающих технологиях.
Известен способ запасания энергии нанопорошком алюминия при его пассивировании небольшими добавками воздуха (Ильин А.П. Особенности энергонасыщенной структуры малых металлических частиц, сформированных в сильнонеравновесных условиях // Физика и химия обработки материалов. 1997. №4. С.93-97).
Недостатком данного способа является низкая запасенная энергия, не превышающая 80-100 кДж/моль, что в 2-3 раза ниже энергии химической связи.
Наиболее близким по техническому эффекту является «Способ повышения запасенной энергии в нанопорошках металлов» (Патент РФ №2461445, опубл. 20.09.2012, бюл. №26) путем облучения нанопорошков металлов (железа, никеля, молибдена и меди) потоком ускоренных электронов с энергией не более 6 МэВ в вакууме, причем толщина образца превышает длину пробега электронов в нанопорошке.
Недостатком данного способа является относительно невысокая запасенная энергия: при пробеге электронов менее толщины слоя образца нанопорошка часть нанопорошка остается необлученной и это снижает запасенную энергию в нанопорошке (фиг.).
Основной технической задачей изобретения является повышение запасенной энергии в нанопорошках металлов за счет уменьшения толщины образца, при которой облучение электронами происходит «на прострел».
Основная техническая задача достигается тем, что в заявленном способе повышения запасенной энергии в нанопорошках металлов, согласно которому, так же как и в прототипе, энергия повышается за счет положительного заряда внутренней части частицы металла, в соответствии с предложенным решением нанопорошки металлов облучают потоком ускоренных электронов с энергией не более 6 МэВ в вакууме (без доступа воздуха), причем толщина образца нанопорошка не превышает длину пробега электронов в нанопорошке.
В таблице приведена зависимость запасенной энергии в нанопорошках железа, никеля, молибдена и меди от дозы облучения потоком ускоренных электронов (4 МэВ) при толщине образца менее пробега электронов.
На фиг. представлена схема облучения нанопорошка металла (1 - нанопорошок металла, подвергающийся действию потока электронов, при толщине образца более длины пробега электронов; 2 - нанопорошок металла, не подвергающийся действию потока электронов, при толщине образца более длины пробега электронов; 3 - образец нанопорошка металла с толщиной менее длины пробега электронов, полностью подвергающийся действию потока электронов): а) толщина образца нанопорошка металла превышает длину пробега электронов; б) толщина образца нанопорошка металла не превышает длину пробега электронов.
Пример исполнения. Образцы нанопорошка железа получают с помощью распыления железного проводника диаметром 0,3 мм мощными импульсами электрического тока (500 кА). Распределение частиц по диаметру соответствует нормально-логарифмическому. Максимум в распределении соответствует диаметру частиц, равному 100 нм.
После получения нанопорошков металлов распылением в аргоне металлических проводников при пропускании мощных импульсов электрического тока (500 кА) все металлические нанопорошки пирофорны и требуют нанесения защитных покрытий: оксидно-гидроксидных или других функциональных. При облучении потоком электронов частиц металлов в них происходит ионизация, вследствие чего повышается положительный заряд, за счет которого в частице увеличивается энергия.
Для повышения запасенной энергии две навески нанопорошка железа помещают в алюминиевую фольгу толщиной 40 мкм, придавая образцам плоскую форму. Толщина первого образца в фольге (5000 мкм) больше длины пробега электронов (2768 мкм), второго - меньше длины пробега электронов (2000 мкм). Образцы помещают в охлаждаемую ячейку и облучают потоком ускоренных электронов с энергией 4 МэВ (без доступа воздуха). Учитывая мощность ускорителя для получения образцами доз 1, 5, 10 Мрад, время облучения составляет 14, 70, 140 с, соответственно. При большей энергии ускоренных электронов возможно протекание ядерных реакций и появление наведенной радиоактивности.
При облучении потоком электронов образцов нанопорошков металлов с толщиной слоя более длины пробега электронов в образце не весь нанопорошок подвергается облучению (фиг., а), в связи с чем не весь нанопорошок запасает энергию.
После облучения образцы подвергают термическому анализу с помощью термоанализатора Q 600 SDT: масса навески 10 мг, скорость нагрева 10 град/мин, диапазон температур 20-1000°C. Результаты экспериментов приведены в таблице. При нагревании необлученного образца тепловой эффект слагается из теплоты окисления и из запасенной энергии, величину которой принимают за единицу. При нагревании облученных образцов фиксируют теплоту окисления и запасенную энергию. Учитывая, что степень окисленности необлученных и облученных нанопорошков одинакова, теплота окисления металлов также примерно одинакова. Повышение теплоты, выделившейся при окислении облученных образцов, составляет запасенную энергию.
Аналогичным образом облучают и анализируют нанопорошки никеля, молибдена, меди (таблица). После облучения потоком электронов, в соответствии с результатами термического анализа запасенная энергия повышается в нанопорошках: железа - на 15%; никеля - на 12%; молибдена - на 10%; меди - на 14%. Таким образом, заявленный способ дает существенно более высокую энергию, превышающую прототип на 10-15%.
Таблица
№ п/п
Нанопорошок
Доза облучения, Мрад
Энергия, выделяющаяся при окислении, Дж/г
Запасенная энергия, отн. ед.
Примечание
Толщина образца больше длины пробега электронов
Толщина образца меньше длины пробега электронов
Толщина образца больше длины пробега электронов
Толщина образца меньше длины пробега электронов
1
Fe
1
14474
16645
2,13
2,44
2
Ni
10
12358
13841
1,50
1,68
3
Mo
10
7798
8577
1,18
1,30
4
Cu
1
3324
3789
2,27
2,59