НИЗКОВОЛЬТНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО НАНОПОРОШКА В ЖИДКОЙ СРЕДЕ
LOW-VOLTAGE PULSE ELECTRIC ARC METHOD OF PRODUCING METAL NANOPOWDER IN LIQUID MEDIUM

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к физико-химическим способам получения ультрадисперсных порошков (нанопорошков) и покрытий из материалов входящих в состав электропроводящих электродов, основанным на газофазном синтезе нанопорошка. Предлагаемый способ может применяться в различных отраслях промышленности: машиностроительной, авиационной, радиоэлектронной, энергетике, косметической и др. Применение данного способа может иметь большой практический интерес при получении нанопорошков на основе тугоплавких и имеющих высокую твердость материалов.
-3
3
Низкое энергопотребление и высокая производительность в сочетании с относительной простотой конструкции позволяют использовать способ в промышленных условиях в автоматическом режиме и в лабораторных, домашних условиях в ручном режиме. Производительность нанопорошка оксида меди в ручном режиме 20*10 килограмм в час, при энергопотреблении 0.7·10 Вт/ч.
Уровень техники
Физико-химические методы получения ультрадисперсных порошков включают три последовательные стадии: испарение вещества, транспортировка и конденсация порошка. В большинстве этих методов образование ультрадисперсного порошка происходит, когда исходный материал находится в газовой фазе.
Общей проблемой химических методов получения коллоидных частиц (ультрадисперсных порошков) является их загрязнение продуктами реакции, что значительно сужает область их использования. Эта проблема может быть решена при использовании физических методов диспергирования, таких как лазерная абляция массивного металла, а также электродуговая эрозия электродов, выполненных из соответствующих металлов.
Наиболее близким к заявленному способу является следующее решение. Высоковольтный импульсный электродуговой способ получения наночастиц металлов в жидких средах (Церулев М.В., Тянгинский А.Ю., Слепцов В.В. http://www.5laboratory.com/material/articles/1/) выбран нами в качестве прототипа.
В отличие от традиционных методов изготовления высокодисперсных растворов металлов (в частности, Ag) в жидких средах, основанных на химических реакциях соединений, содержащих металлы, в данном способе применяется электродуговой импульсный метод диспергирования металлов в дистиллированной воде.
Импульсный электрический разряд в жидкости представляет собой процесс кратковременного выделения большой энергии в ограниченном объеме канала под действием высокого электрического потенциала между противостоящими электродами, погруженными в жидкость. Данный способ позволяет синтезировать в жидких средах наночастицы металлов с размерами от 5 нм до 250 нм.
Основными элементами реактора для генерации наночастиц в жидкой среде электродуговым импульсным методом являются:
- высоковольтный блок питания диапазон рабочих напряжений 4÷10 кВ;
- зарядный конденсатор;
- высоковольтный коммутатор;
- разрядный конденсатор;
- электроды, погруженные в жидкость;
- генератор импульсов (им может служить высоковольтный коммутатор).
Недостатками данного способа являются:
- выделения большой энергии в значительном объеме канала между противостоящими электродами под действием высокого электрического потенциала;
- загрязнение продуктами реакции;
- наличие высоковольтного блока питания;
- наличие генератора высоковольтных импульсов;
- высокое энергопотребление оборудования;
- повышенные требования техники безопасности при работе с высоким напряжением.
Раскрытие изобретения
В основу изобретения положена задача разработать способ, обеспечивающий получение следующего результата:
- уменьшение загрязнения нанопорошка;
- исключение из оборудования высоковольтного блока питания;
- замена генератора высоковольтных импульсов низковольтным генератором;
- увеличение напряженности электрического поля между электродами до значений, обеспечивающих надежный пробой всех существующих в природе жидкостей;
- низкое энергопотребление применяемого оборудования, малая занимаемая им площадь;
- повышенный выход нанопорошка на 1 кВт/ч потребляемой энергии.
3
9
2
7
-4
-9
-6
3
Для решения поставленной задачи в известном способе «Высоковольтный импульсный электродуговой способ получения наночастиц металлов в жидких средах», включающем установку электродов в жидкой среде, формирование и подачу на электроды импульсного напряжения для генерации сильноточного разряда между электродами, образование плазмы в жидкости, формирование наночастиц из материала электродов и выпадение их в осадок, отличающийся тем, что один электрод устанавливают на механическом вибраторе частотой (2-20)10 Гц, вибрирующие электроды осуществляют принудительное замыкание и разрыв электрической цепи; на электроды подаются двухполярные импульсы от генератора низкого напряжения (10-30) В, обеспечивающие в момент разрыва сильноточной электрической цепи (с плотностью тока свыше 10 А/м), высокую напряженность электрического поля (свыше 10 В/м). Предельно высокая напряженность электрического поля между электродами создается генератором низковольтных импульсов за счет синусоидально изменяющегося разрядного промежутка между электродами от 0 до 10 м и принимающего значения в единицы нанометров (10) м. Десятивольтовое напряжение генератора импульсов, приложенное к электродам, расстояние между которыми составляет единицы нанометров, намного превышает электрический пробой всех существующих в природе изоляторов и жидкостей. Указанные параметры импульсов обеспечивают надежный пробой всех существующих в природе жидкостей. При этом залипание электродов при размыкании, устраняется следующими параметрами импульсов низковольтного генератора: длительность импульса - (20-250)10 с, частота следования импульсов - (2-6)10 Гц.
Уменьшение загрязнения нанопорошков происходит за счет использования дистиллированной воды без подкисления, а также за счет исключения из процесса макроразмерных объемов плазмы с последующим испарением и разрушением элементов рабочей камеры;
3
9
10
-8
-9
- замена высоковольтного генератора (4-10)10 В на низковольтный (10-30) В при значительном увеличении напряженности электрического поля (10-10) В/м в зазоре между электродами, что является следствием малого расстояния в зазоре (10-10) м в момент размыкания сильноточной электрической цепи;
- повышенный выход нанопорошка на один киловатт/час потребляемой энергии является следствием исключения из процесса получения наночастиц фазы температурного испарения, в микроскопическом объеме, электропроводящих электродов и парообразования жидкости в плазме электрического разряда. Доказательством этому служит отсутствие нагрева жидкости при работе установки.
Осуществление изобретения
Автором был изготовлен действующий макет установки для реализации описанного способа, состоящий из:
3
- тирристорного генератора низковольтных двух полярных импульсов, форма которых близка к прямоугольной. Выходное напряжение генератора (10-30) вольт снимается со вторичной обмотки импульсного трансформатора, обеспечивающего: ток в нагрузке до 1500А, скважность импульсов равна или больше двух, частота следования импульсов (2-6)10 Гц;
-2
-3
3
- в качестве механического вибратора применялся подмагниченный ферритовый стержень диаметром 10 м и длиной 200·10 м, закрепленный к каркасу катушки по центру стержня, с частотой колебаний до 20·10Гц. В верхней части ферритового стержня установлено крепление для одного электрода с гибким медным токоотводом;
- маломощный (2-5) Вт генератор синусоидального напряжения с плавной регулировкой частоты для возбуждения резонансных механических колебаний в ферритовом стержне;
- второй электрод представляет собой полосу из того же материала, что и первый электрод, закрепленный у дна стеклянной емкости с жидкостью. Во время работы установки один электрод совершает медленные возвратно-поступательные движения по всей длине второго электрода.
6
-9
-9
-3
Заливка в рабочую емкость дистиллированной воды обеспечивает в осадок нанопорошок гидратов и окислов различных металлов. Напряженность электрического поля в зазоре между электродами при работе макета превышала напряжение пробоя в дистиллированной и диионизированной воде с сопротивлением 5·10 Ом. Жидкости, не содержащие кислород, например трансформаторное масло, четыреххлористый углерод или жидкий азот, приводят к получению нанопорошков различных металлов. Размер нанопорошков, получаемых данным способом, зависит от режимов работы низковольтного генератора импульсов, температуры и химического состава жидкости и электродов и составляет 90% нанопорошка с линейными размерами от (5 до 100)10 м, 10% - от (100 до 250) 10 м. Производительность действующего макета нанопорошка меди и никеля составляет 20·10 кг/ч при потребляемой электрической мощности 700 Вт.