СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ЗАПАСЕННОЙ ЭНЕРГИИ В НАНОПОРОШКАХ МЕТАЛЛОВ
METHOD OF INCREASING STORED POWER IN METAL NANOPOWDERS

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 получения энергоаккумулирущих веществ и их смесей в виде химической энергии («Способ аккумулирования энергии», Патент РФ №2336606 С1, МПК Н01М 10/42, Н01М 14/00, приор. 08.05.2007). Изобретение относится к области разработки вторичных химических источников постоянного тока, а именно к области преобразования химической энергии в электрическую и обратно. Техническим результатом изобретения является расширение области аккумулирования и преобразования химической энергии при обеспечении доступности и экономичности способа. Согласно изобретению способ аккумулирования энергии, в котором в качестве восстановителя используется водород, а в качестве окислителя - хлор, включает стадию электролиза.
Недостатком способа является ограничение по величине запасенной энергии, которое определяется емкостью аккумулятора, а также использование в качестве окислителя газообразного хлора, который является токсичным веществом, и в случае разгерметизации аккумулятора представляет опасность для окружающей среды.
Наиболее близким по техническому эффекту являются способ запасания энергии нанопорошком алюминия при его пассивировании небольшими добавками воздуха (Ильин А.П. Особенности энергонасыщенной структуры малых металлических частиц, сформированных в сильно неравновесных условиях. // Физика и химия обработки материалов. 1997. №4. С.93-97).
Недостатками данного способа является низкая запасенная энергия, не превышающая 80-100 кДж/моль, что в 2-3 раза ниже энергии химической связи.
Основной технической задачей изобретения является повышение запасенной энергии в нанопорошках металлов за счет увеличения положительного заряда внутренней части наночастиц.
Основная техническая задача достигается тем, что в заявленном способе повышения запасенной энергии в нанопорошках металлов, согласно которому, так же как и в прототипе, энергия запасается 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 превышает длину пробега электронов в нанопорошке.
В таблице 1 приведена зависимость запасенной энергии в нанопорошке железа от дозы облучения потоком ускоренных электронов.
В таблице 2 приведена зависимость запасенной энергии в нанопорошке никеля от дозы облучения потоком ускоренных электронов.
В таблице 3 приведена зависимость запасенной энергии в нанопорошке молибдена от дозы облучения потоком ускоренных электронов.
В таблице 4 приведена зависимость запасенной энергии в нанопорошке меди от дозы облучения потоком ускоренных электронов.
На фиг.1 представлена структура поверхности наночастицы металла: а) до пассивирования; б) после пассивирования.
На фиг.2 представлена структура наночастицы металла: а) при облучении потоком ускоренных электронов; б) после облучения потоком ускоренных 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 пассивировании частиц металлов, стоящих в ряду напряжений до водорода, они, как правило, заряжаются положительно, т.е. формируется двойной электрический слой, обладающий псевдоемкостью, за счет которого частица запасает энергию (фиг.1). При нагревании нанопорошка происходит разрушение двойного электрического слоя и пробой, в результате чего выделяется энергия в виде теплоты.
Для повышения запасенной энергии три навески нанопорошка железа помещают в алюминиевую фольгу толщиной 40 мкм, придавая образцам плоскую форму. Толщина каждого образца в фольге меньше 1,5 мм. Образцы помещают в охлаждаемую ячейку и облучают потоком ускоренных электронов с энергией 6 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 нанопорошков металлов потоком электронов с энергией, превышающей их пробег в образце нанопорошка, происходит ионизация металлической составляющей внутренней части наночастиц (фиг.2). При этом повышается положительный заряд наночастиц, рекомбинации которого препятствует оксидно-гидроксидный слой, сформировавшийся при пассивировании нанопорошков после их получения.
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°С. Результаты экспериментов приведены в таблице 1. 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 нанопорошков необлученных и облученных примерно одинакова, теплота окисления металлов также примерно одинакова. Повышение теплоты выделившейся энергии облученных образцов составляет запасенную энергию.
Аналогичным образом облучают и анализируют нанопорошки никеля (таблица 2), молибдена (таблица 3), меди (таблица 4). После облучения потоком электронов, в соответствии с результатами термического анализа, запасенная энергия повышается в нанопорошках: железа - в 2,5 раза; никеля - в 1,5 раза; молибдена - в 1,18 раза; меди - в 2,27 раза. Таким образом, заявленный способ дает существенно более высокую энергию, превышающую прототип в 2-2,5 раза.
Таблица 1
№ п/п
Доза облучения, Мрад
Энергия, выделяющаяся при окислении, Дж/г
Запасенная энергия, отн. ед.
Примечание
1
0
6796
1,00
2
1
14474
2,13
3
5
12842
1,89
4
10
14448
2,13
Таблица 2
№ п/п
Доза облучения, Мрад
Энергия, выделяющаяся при окислении, Дж/г
Запасенная энергия, отн. ед.
Примечание
1
0
8236
1,00
2
1
9120
1,11
3
5
8497
1,03
4
10
12358
1,50
Таблица 3
№ п/п
Доза облучения, Мрад
Энергия, выделяющаяся при окислении, Дж/г
Запасенная энергия, отн. ед.
Примечание
1
0
6589
1,00
2
1
6815
1,03
3
5
6885
1,05
4
10
7798
1,18
Таблица 4
№ п/п
Доза облучения, Мрад
Энергия, выделяющаяся при окислении, Дж/г
Запасенная энергия, отн. ед.
Примечание
1
0
1464
1,00
2
1
3324
2,27
3
5
1580
1,08
4
10
2976
2,03