УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА ОКСИДА АЛЮМИНИЯ

Полезная модель относится к плазменной технологии получения нанодисперсного порошка оксида алюминия. Полезная модель относится к области нанотехнологии. Получаемый нанодисперсный порошок оксида алюминия находит применение в химии, физике, энергетике, электронике, биологии, медицине.
Наибольшее распространение и промышленное применение получили нанодисперсные порошки оксидов кремния, алюминия, и некоторых других элементов. Физико-химические свойства порошков, строение наночастиц и, как следствие, область их применения, во многом зависят от способа их получения. Поэтому интенсивно совершенствуют известные способы получения порошков, разрабатывают новые, такие как, лазерные, механохимические, плазмохимические, золь-гель метод, метод электрического взрыва проводников и др.
Существенным недостатком существующих промышленных технологий получения порошков, является использование хлора, фтора, кислот и других химически активных, опасных и ядовитых жидких и газообразных веществ, неконтролируемые условия получения, проведение синтеза в несколько стадий.
Известно устройство для осуществления способа производства фуллеренсодержащей сажи [RU 2341451, 30.03.2007, С01В 31/00, В82В 3/00], включающее горизонтальную цилиндрическую герметичную разрядную камеру с охлаждаемыми стенками, со смотровым окном, расположенным напротив зоны электрической дуги,, с размещенными по оси камеры двумя установленными в охлаждаемых токовводах графитовыми стержневыми электродами, систему циркуляции инертного газа со средством улавливания фуллеренсодержащей сажи и сборником остатков. Один из электродов установлен с возможностью осевого возвратно-поступательного перемещения, которая осуществляется устройством подачи электрода в разрядную камеру. Система циркуляции инертного газа снабжена двумя соплами, установленными у торцовых стенок цилиндрической разрядной камеры по касательной к ее боковой стенке и лежащими в плоскостях, перпендикулярных оси электродов. Средство улавливания фуллеренсодержащей сажи выполнено в виде циклона с тангенциальным вводом газа, установленного на входе системы циркуляции инертного газа.
Устройство имеет высокую производительность по саже и фуллеренам при минимальных затратах энергии, исключены срыв дуги и прожигание стенки разрядной камеры. Электроды графитовые.
Известно устройство для синтеза углеродных материалов [RU80837, 13.06.2007, С01В 31/02], включающее герметичный корпус с окном для визуального наблюдения дугового разряда, размещенные в корпусе подвижный и неподвижный соосно расположенные электроды, из которых подвижный электрод выполнен с возможностью поступательного движения к неподвижному. Электроды расположены в корпусе в горизонтальной плоскости, а корпус устройства выполнен с трапецеобразной формой сечения в вертикальной плоскости и снабжен расположенной в нижней узкой части сечения вакуумной шлюзовой камерой с шибером, отделяющим корпус от вакуумной шлюзовой камеры, и патрубком для подвода и откачивания атмосферы. Подвижный электрод, являющийся анодом, снабжен резьбовыми соединениями для наращивания электрода вне корпуса. Неподвижный электрод, являющийся катодом, выполнен на рабочей поверхности, обращенной к аноду, со скосом с углом наклона в сторону шибера.
Устройство обеспечивает высокую производительность процесса синтеза углеродных материалов за счет непрерывности процесса. Электроды графитовые.
Известно устройство [патент US2002179428, 2002.12.05, МПК B01J 3/00; B01J 19/08; С01В 31/02; С01В 31/00] включающее разрядную камеру, в которой размещают два соосных графитовых электрода, источник мощности для поддержания между электродами напряжения, генератор магнитного поля.
Высокопроизводительное устройство для синтеза углеродных наноструктур в среде инертного газа за счет распыления графитового анода. Использование генератора магнитного поля усложняет конструкцию.
Известны изобретения [US5783263, 21.07.1998, B22F 1/00, B22F 1/02, B22F 9/14, B22F 9/20, С01В 31/30, H01F 1/00, H01F 1/055, B22F 9/02, B22F 9/16, С01В 31/00, H01F 1/032; US5549973, 1996-08-27, С01В 31/02, B22F 1/00, B22F 1/02, B22F 9/14, B22F 9/20, С01В 31/30, С22С 45/08, D06M 11/00, H01F 1/00, B22F 9/02, B22F 9/16]. Способ синтеза покрытых углеродом наночастиц ферромагнитных или парамагнитных соединений диаметром 5-60 нм, включающий следующие шаги: а. изготовление графитового стержня, полость которого наполняют металлом или сплавом или оксидом металла или сплава; б. распыление под действием дугового разряда графитового стержня, наполненного магнитным металлом или оксидом металла, с целью получения сажи с наночастицами металла, оксида металла и немагнитными частицами; в. выделение из сажи наночастиц с помощью градиента магнитного поля.
Изобретения направлены на получение покрытых элементарным углеродом наночастиц ферро- и парамагнетиков, с распределением по размерам, 5-60 нм. Для реализации способа используют устройство с композитным электродом.
Указанные устройства-аналоги имеют конструкцию подобную конструкции предлагаемого устройства, но предназначены для получения другого вещества.
Наиболее близким из известных по своей технической сущности является выбранное в качестве прототипа выбрано устройство [JP61068306, 1986-04-08, С01В 13/32; C01F 7/42; C01G 49/00; C01G 49/02; C01G 49/06; С01В 13/32; C01F 7/00; C01G 49/00; C01G 49/02] для синтеза наночастиц оксидов различных металлов в дуговом разряде в среде газа, содержащего кислород., включающее, разрядную камеру, в которой расположены металлические электроды, узел подачи кислорода из емкости и узел подачи воздуха, насос для прокачки газа с наночастицами через фильтр. Сбор частиц осуществляют при прокачке газа через фильтр. Получаемые наночастицы имеют кристаллическую структуру.
В указанном устройстве нет непрерывного подвода кислорода. Вследствие расходования кислорода на синтез оксидных наночастиц изменяется парциальное давление кислорода, что, в свою очередь, приводит к изменению условий синтеза. В этих условиях функция распределения оксидных наночастиц и их кристаллическая структура будет изменяться по мере расходования кислорода.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка установки с катодным распылением алюминия в среду инертного газа с примесью кислорода для получения нового продукта - нанодисперсного порошка оксида алюминия с частицами диаметром 10-50 нм, обладающими кристаллической структурой γ-фазы с примесью δ-фазы. Наличие редкой δ-фазы свидетельствует о том, что полученное вещество имеет отличную от известных кристаллическую структуру и, следовательно, другие свойства.
Для достижения поставленной задачи предлагается установка, для получения нанодисперсного порошка оксида алюминия, включающая горизонтальную цилиндрическую герметичную разрядную камеру с охлаждаемыми стенками, с размещенными по оси камеры подвижным электродом и неподвижным электродом, каждый из которых установлен в охлаждаемых токовводах, устройство перемещения электрода и источник питания постоянного тока, обеспечивающий ток разряда 10 А. Разрядная камера снабжена съемным фланцем вакуумного уплотнения, закрывающим ее торцевую стенку, расположенным на противоположной съемному фланцу торцевой стенке разрядной камеры, для поддержания постоянного уровня давления 150 торр в ней, узлом непрерывной подачи газа в виде 50% смеси кислорода с аргоном. Неподвижный электрод выполнен в форме цилиндрического стержня, конец которого имеет форму полусферы, а подвижный электрод выполнен в форме таблетки с диаметром, превышающим диаметр неподвижного электрода. Неподвижный электрод и подвижный электрод выполнены из алюминия и имеют соотношение диаметров от 1:6 до 1:10 соответственно. При изменении соотношений диаметров электродов менее 1:6 и выше 1:10 режим синтеза становится неустойчивым. Внутри разрядной камеры соосно с ней установлен медный водоохлаждаемый цилиндр, по внутренней стороне которого плотно установлен съемный экран из нержавеющей стали. Осаждение наночастиц оксида алюминия происходит непосредственно на съемном экране.
Предлагаемую установку для получения нанопорошка оксида алюминия иллюстрируют чертежом, представленным на фиг.1, где все элементы показывают схематично и в произвольном масштабе.
Установка для получения нанодисперсного порошка оксида алюминия включает горизонтальную цилиндрическую герметичную разрядную камеру 1 с охлаждаемыми стенками, в которой по ее оси размещены два алюминиевых электрода 2, 3, установленных в охлаждаемых токовводах (на схеме не показано). Неподвижный электрод 3 представляет собой стержень, диаметр которого определяется мощностью разряда. Подвижный электрод 2 имеет форму таблетки, диаметр которой больше диаметра электрода 3, что позволяет улучшить теплоотвод и предусмотреть возможные смещения электродов 2 и 3 относительно общей оси, на которой они изначально находятся. Перемещение электрода 2 осуществляют с помощью сильфонного узла передачи поступательного движения 6. Вокруг электродов установлен медный водоохлаждаемый цилиндр 4. Плотно по цилиндру внутри расположен съемный экран 5 из нержавеющей стали для осаждения и сбора наночастиц, образовавшихся в процессе испарения и последующей гетерогенной конденсации паров алюминия с кислородом.
Через узел 8 осуществляют подачу в разрядную камеру аргона и непрерывную подачу кислорода. Источником питания является генератор постоянного напряжения (на схеме не обозначен). Герметичный электрический ввод 7. Вакуумное уплотнение съемного фланца 9 осуществляется только за счет перепада давления между окружающим воздухом и давлением в реакторе.
2
3
2
3
Установка работает следующим образом. Вакуумную камеру 1 реактора заполняют аргоном через узел 8, зажигают электрическую дугу между электродами 2 и 3. Перемещая электрод 2, между электродами устанавливают зазор, необходимый для поддержки оптимального тока, порядка 10 А. Затем через узел 8 подают кислород. Высокотемпературный пиролиз осуществляют в 50% смеси аргона и кислорода, при давлении 150 торр и токе разряда 10 А. Вследствие расходования кислорода на.синтез наночастиц оксида алюминия давление уменьшается. Уменьшение давления приводит к падению выхода целевого продукта, т.к. быстро уменьшается зона горения из-за зарастания электродов оксидом алюминия, АlО. Увеличение давления также приводит к падению выхода продукта (нанопорошка оксида алюминия), т.к. за счет диффузии частицы не доходят до экрана, а осаждаются на других частях установки. Для поддержания постоянного уровня давления кислород в камеру реактора подают непрерывно. В процессе пиролиза происходит распыление алюминия в газовую среду. Для компенсации изменения зазора между электродами по мере распыления катода и, следовательно, поддержания величины тока постоянной электрод 2 перемещают до достижения нужной величины зазора. Уменьшение тока не желательно, т.к. приводит к ускорению образования на электродах оксида алюминия, АlО, и быстрому прекращению разряда. Осаждение наночастиц оксида алюминия происходит непосредственно на съемном экране 5.
Поддержание заданных условий синтеза (ток разряда, соотношение диаметров электродов, давление и состав газа) позволяет достичь постоянства функции распределения оксидных наночастиц по размерам и их кристаллической структуры, а также достичь максимального выхода продукта. Изменение условий синтеза приводит к изменению скорости протекания реакции и функции распределения частиц по размерам.
Практическая реализация.
Проведены экспериментальные исследования на лабораторной установке для получения нанодисперсного порошка оксида алюминия. В экспериментах контролировался ток, напряжение на дуге и давление в камере. В экспериментах использовалась 50% смесь кислорода с аргоном.
Исходные параметры: диаметр неподвижного электрода 15 мм, ток разряда 10 А и давление 150 торр.
Для анализа размеров и структуры полученных наночастиц оксида алюминия использовали электронный просвечивающий микроскоп и электронный дифрактометр.
Эксперименты показали, что при данных исходных параметрах происходит образование частиц оксида алюминия нанометрового диапазона размерами от 5 до 50 нм, фиг.2.
На фиг.3 приведено изображение с большим увеличением. Видна огранка малых частиц неоднородности границы, свидетельствующие о выходе кристаллических плоскостей на поверхность.
На фиг.4 приведена дифрактограмма на одиночной частице, которая соответствует определенной кристаллической структуре при некоторой ориентации. При дифракции широкого пучка электронов на наборе наночастиц наблюдался набор дифракционных колец, соответствующих определенным характеристикам кристаллической структуры. Анализ этих дифрактограмм позволяет определить кристаллографическую структуру частиц оксида алюминия.
В таблице приведены количественные данные обработки дифрактограмм. Межплоскостные расстояния и наблюдаемые интенсивности линий наиболее точно соответствуют γ-фазе оксида алюминия. Однако, имеются сверхструктурные рефлексы, которые могут быть отнесены к δ-фазе.
Таблица.
Количественные данные обработки дифрактограмм.
Диаметр кольца, мм
Интенсивность
Межплоскостное расстояние, А°
Идентификация
9.45
Очень слабая
4.1
δ
13.5
Сильная
2.85
220
14.9
Очень слабая
2.6
δ
15.9
Очень слабая
2.4
311
16.8
Очень слабая
2.3
222
19.3
Сильная
2.0
400
23.7
Слабая
1.6
δ
24.9
Средняя
1.55
511, 333
27.3
Очень сильная
1.4
440
Полученное вещество имеет отличную от известных кристаллическую структуру, о чем свидетельствует наличие редкой δ-фазы. Определить области применения полученного порошка позволит изучение его физико-химических характеристик и структурных особенностей.