НАНОКОМПОЗИТНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Полезная модель относится к энергетике, и более конкретно к основным конструктивным элементам устройств для аккумулирования электрической энергии (электрическим конденсаторам), а также устройств для генерации химически аккумулированной тепловой энергии.
Энергия заряженного конденсатора пропорциональна его емкости, которая, в свою очередь, прямо пропорциональна площади обкладок конденсатора и обратно пропорциональна расстоянию между обкладками, иными словами, обратно пропорциональна толщине слоя диэлектрика между обкладками. Таким образом, увеличение емкости конденсатора может быть достигнуто как за счет уменьшения толщины слоя диэлектрика, так и за счет увеличения площади обкладок конденсатора.
Из достигнутого уровня техники известно, что увеличение более чем на порядок реальной площади поверхности обкладок (электродов электролитического конденсатора) при неизменных их геометрических размерах в плане достигается за счет выполнения из графитовых пластин с открытыми порами, иными словами, с сильно развитой поверхностью (см. патент US-A-N3648126, 1972).
Недостаток описанного выше конструктивного элемента для электролитических конденсаторов заключается в его высокой материалоемкости.
Необходимость организации производства больших объемов продукции привела к созданию нанокомпозитных элементов для электролитических конденсаторов, конструктивные особенности которых позволили использовать для их изготовления высокопроизводительную рулонную технологию нанесения на подложку с развитой поверхностью наноструктурированных покрытий.
Так в патенте US-A-N6865071, 2002 описан нанокомпозитный элемент (анодный электрод электролитического конденсатора), взятый в качестве прототипа и содержащий токопроводящую подложку из алюминиевой фольги и наноструктурированное оксидное покрытие с включениями пористого вентильного металла, которое нанесено методом осаждения из паровой фазы в вакууме на сформированную ионной бомбардировкой развитую поверхность алюминиевой подложки.
Выполнение подложки известного нанокомпозитного элемента из алюминиевой фольги не только привело к существенному уменьшению его материалоемкости, но и позволило использовать для его изготовления высокопроизводительную рулонную технологию нанесения покрытий на гибкую подложку. Благодаря включениям пористого вентильного материала обеспечивается дополнительное развитие рабочей поверхности анодного электрода. Это приводит к увеличению площади взаимодействия с электролитом и, как следствие, к увеличению удельной емкости электролитического конденсатора.
Недостаток прототипа заключается в том, что он имеет ограниченную область использования, а именно, только в электролитических конденсаторах. Здесь необходимо отметить также, что из уровня техники не известно использование увеличения фактора развития (иными словами, увеличения соотношения между реальной площадью поверхности подложки с высокой открытой пористостью и площадью, соответствующей ее геометрическим размерам) для увеличения удельной емкости конденсаторов с твердым диэлектриком.
Настоящая полезная модель направлена на решение технической задачи по созданию нанокомпозитного элемента, имеющего многослойную структуру в виде конформных развитой поверхности электропроводящей подложки и расположенных в чередующейся последовательности слоев металла и оксида металла нанометровой толщины, который предназначен в качестве основного конструктивного элемента как для конденсаторов с твердым диэлектриком, так и для генераторов тепловой энергии, основанных на протекании термитных реакций.
Поставленная задача решена тем, что в нанокомпозитном элементе, содержащем электропроводящую подложку из фольги и покрытие, которое нанесено на развитую поверхность подложки, согласно полезной модели, использована графитовая фольга из расширенного термографита, а покрытие выполнено в виде многослойной структуры из расположенных в чередующейся последовательности и конформных развитой поверхности подложки слоев алюминия и оксида меди нанометровой толщины, которые сформированы путем последовательного ионного нанесения слоев методом магнетронного распыления.
Достигаемый при этом технический результат, с одной стороны, заключается в существенном увеличении площади обкладок постоянного конденсатора с диэлектриком из оксида меди по сравнению с площадью подложки в плане, при одновременно достаточно небольшой толщине от 10 до 100 нм слоя диэлектрика между обкладками, а с другой стороны, заключается в снижении до 450°С температуры реакции и до 150°С температуры активации термитной реакции взаимодействия между последовательно расположенными на развитой поверхности тонкой гибкой подложки (графитовой фольги из расширенного термографита) металлом (слоем алюминия) и оксидом металла (слоем оксида меди) с сильно отличающимися друг от друга значениями электрохимического потенциала.
Таким образом, преимущество патентуемого нанокомпозитного элемента перед прототипом заключается в расширении области его использования, а именно, не только в качестве основного конструктивного элемента конденсаторов с диэлектриком из оксида металла с увеличенной (по сравнению с площадью подложки в плане) площадью обкладок, но и в качестве основного конструктивного элемента генераторов тепловой энергии, основанных на протекании термитных реакций между компонентами в виде расположенных последовательно на подложке слоев алюминия и оксида меди нанометровой толщины.
В дальнейшем патентуемая полезная модель поясняется конкретным примером, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения приведенной выше совокупностью существенных признаков упомянутых выше технических результатов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично показана структура патентуемого нанокомпозитного элемента (фрагмент в сечении).
Нанокомпозитный элемент содержит подложку 1 с развитой поверхностью, на которую нанесено покрытие в виде многослойной структуры из расположенных в чередующейся последовательности слоев 2 алюминия и слоев 3 оксида меди нанометровой толщины (от 10 до 100 нм).
3
Подложка 1 выполнена из электропроводящего материала, а именно, графитовой фольги из расширенного термографита (ТУ 5728-003-12058737-2000). Гибкая графитовая фольга из расширенного термографита производится по технологии, включающей в себя специальные методы очистки, химической и термической обработки природного графита с последующим прессованием без связующего материала, и поставляется потребителю в рулонах шириной до 1,5 м. Следовательно, патентуемый нанокомпозитный элемент может быть изготовлен с использованием рулонной технологии. Высокая теплопроводность упомянутого выше материала подложки обеспечивает, с одной стороны, эффективный отвод тепла при формировании на ней многослойной структуры, а с другой стороны, обеспечивает равномерный нагрев подложки по всей ее площади при протекании термитной реакции, а также эффективную передачу тепла из зоны протекания термитной реакции к нагреваемому объекту, находящемуся в тепловом контакте с противоположной стороной подложки. В большинстве практически важных случаев используется графитовая фольга из расширенного термографита толщиной от 0,1 до 1,0 мм и с плотностью от 0,6 до 1,0 г/см.
Выполнение слоев 2 и 3 конформными развитой (обусловленной наличием на ней открытых пор) поверхности подложки 1 (иными словами, имеющими форму, подобную рельефу развитой поверхности подложки 1) обеспечивает (с точки зрения выполнения патентуемым нанокомпозитным элементом функции конструктивного элемента конденсатора) увеличение площади обкладок конденсатора с диэлектриком из оксида меди по сравнению с площадью подложки в плане, а также достаточно высокую однородность электрического поля в каждом диэлектрическом слое из оксида меди. С точки зрения выполнения патентуемым нанокомпозитным элементом функции гибкого нагревательного элемента для генераторов тепловой энергии, основанных на протекании термитных реакций, то выполнение слоев 2 и 3 конформными развитой поверхности подложки 1 обеспечивает стехиометрическое соотношение компонент термитной реакции в единице объема многослойной структуры за счет соответствующего выбора толщины слоя алюминия и толщины слоя оксида меди.
Проведенные исследования возможностей известных из уровня техники методов нанесения многослойных покрытий в вакууме (Промышленные технологии, вып.4, 2008, с.54) показали, что получение многослойной структуры из расположенных в чередующейся последовательности и конформных развитой поверхности подложки слоев алюминия и оксида меди возможно при использовании только метода магнетронного распыления с использованием несбалансированного магнетрона (см. патент RU N2308538). За счет особой конфигурации магнитного поля несбалансированного магнетрона при нанесении слоев обеспечивается воздействие на поверхность растущего слоя потока ионов плазмы, генерируемой магнетронным разрядом. Эта технология нанесения покрытий получило название - ионного нанесения покрытий (слоев) методом магнетронного распыления. Ионная бомбардировка растущего слоя позволяет регулировать характеристики зародышеобразования, морфологию, химический состав, микроструктуру и механическое напряжение в слое. Эти возможности обусловлены высокой энергией бомбардирующих ионов, приводящей к увеличению мобильности адсорбированных атомов или повторному распылению слабо связанных частиц. Благодаря эффекту «атомной проковки» ионная бомбардировка позволяет получать плотные беспористые слои с высокими напряжениями сжатия, имеющие гладкую блестящую поверхность. Для характеристики условий ионной бомбардировки основным используемым параметром является величина - ν, равная отношению падающего потока ионов к потоку осаждаемых атомов. Для получения плотных беспористых пленок алюминия в состоянии сжатия предпочтительны низкие уровни ионного воздействия (ν=0,1-1.0), так как при более интенсивной ионной бомбардировки возрастают сжимающие напряжения в растущем слое. Это может привести к разрушению растущего слоя. Для получения слоев оксида меди предпочтительны умеренные уровни ионного воздействия ν=1-2. Здесь необходимо отметить, что ионное нанесение слоев методом магнетронного распыления характеризуется:
- Полным отсутствием микрокапель (микрочастиц) в генерируемой плазме и, соответственно, в формируемом слое;
- Высокой, сравнимой с дуговым методом, скоростью нанесения слоев;
- Высокой степенью ионизации плазмы, обеспечивающей требуемый уровень ионной бомбардировки;
- Возможностью формирования нанокомпозитных структур при относительно низких температурах - 200÷300°С;
- Высокой степенью контроля и возможностью тонкой настройки параметров магнетронного разряда;
- Более высокой (по сравнению с обычными магнетронами) производительностью за счет увеличения размеров «эффективной» зоны нанесения слоев;
- Возможностью нанесения слоев на изделия больших размеров и, самое главное, сложной конфигурации.
3
Примеры. Для изготовления патентуемого нанокомпозитного элемента использовалась установка «НаноМет 200» производства «НПФ «Элан-Практик». В качестве подложки использовалась графитовая фольга из расширенного термографита (ТУ 5728-003-12058737-2000) марки ГФ-1, толщиной 0,3 мм, плотностью 1 г/см.
-3
Мишени изготавливались из листового проката алюминия (ГОСТ 618-73) и меди (марки M1) толщиной 6 мм. Процесс нанесения многослойного покрытия производили в следующей последовательности. В установку «НаноМет 200» загружали 20 подложек из графитовой фольги из расширенного термографита размером 150×200 мм, разметив их на вращающейся центральной консоли. В магнетронные источники, расположенные по периметру цилиндрической камеры помещали мишени из алюминия и меди, имеющие круглую форму и вырубленные из упомянутых выше прокатов. Затем производили откачку воздуха из вакуумной камеры до давления 10 Па. После чего сначала осуществляли напуск в вакуумную камеру нейтрального рабочего газа - аргона, а затем - ионную очистку подложек. В результате бомбардировки ионами аргона поверхности подложек происходит не только их очистка, но и частичное развитие их рельефа (иными словами, увеличение удельной поверхности подложек).
На следующем этапе производили распыление алюминиевой мишени в атмосфере аргона. После напыления слоя алюминия толщиной 10 нм, источник с алюминиевой мишенью отключался, а после создания в вакуумной камере кислородно-аргоновой атмосферы производят распыление медной мишени. Упомянутое выше изменение состава рабочего газа в вакуумной камере обусловлено тем, что процесс распыления меди является реактивным и сопровождается нанесением на подложки слоя оксида меди. Для обеспечения стехиометрического соотношения алюминия и оксида меди толщина слоя оксида меди должна быть 19 нм.
2
Полученные образцы нанокомпозитного элемента имели толщину слоя алюминия, равной 10 нм, а толщину слоя оксида меди, равной 19 нм, а также следующие механические свойства: твердость по Виккерсу - 670 кГ/мм, пластическую твердость - 23 ГПа, приведенный модуль упругости - 321 ГПа, упругое восстановление - 87%, стойкость к пластической деформации - 0,62 ГПа, термостойкость на воздухе - 115°С.
Из сравнения полученных данных с характеристиками существующих материалов можно сделать вывод, что по механическим свойствам полученные образцы близки к обычным макрофазным керамическим материалам.
Исследования полученных образцов показали, что на границе раздела алюминий - оксид меди образуется переходная область, которая, как показали эксперименты, не дает термитной реакции самораспространяться.
Для обеспечения выполнения функции генератора тепловой энергии, полученные образцы нанокомпозитного элемента были снабжены воспламенителем - нихромовой нитью накаливания. Активизация реакции имела место при нагреве нити накаливания до 140-150°С, что существенно меньше температуры воспламенения тех же компонент в виде смеси частиц обычной дисперсности. Здесь необходимо отметить, что в описываемом случае слой алюминия защищен от окисления кислородом воздуха.
Для обеспечения выполнения функции электрического конденсатора патентуемый нанокомпозитный элемент должен быть снабжен выводами и помещен в термический корпус. Аналогично тому, как было описано выше, были изготовлены образцы, имеющие структуру: электропроводящая графитовая подложка - слой оксида меди (19 нм) - слой алюминия (12 нм). Слои были однородными по толщине и не имели видимых пор. Емкость полученной структуры на подложке размером 150×200 мм составила 0,75-0,81 Ф.
Промышленная применимость патентуемого нанокомпозитного элемента подтверждается возможностью его реализации с помощью известных средств.