УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСАЖДЕНИЯ ПОКРЫТИЙ В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ
DEVICE FOR PRECIPITATION OF COATINGS IN FLUIDISED BED

Изобретение относится к области получения пироуглеродных и карбидных покрытий в псевдоожиженном слое (ПС) частиц полифракционного состава, изменяющегося в процессе осаждения покрытий, и может быть использовано в атомной и электронной технике.
При получении покрытий в ПС основная трудность заключается в разрушении ПС по мере изменения масс частиц, их плотности и диаметра.
Стабильность псевдоожиженного слоя (отсутствие расслоения слоя по размерам и плотности частиц, отсутствие застойных зон и уноса мелкой фракции) обеспечивает равнотолщинность осаждаемых покрытий, а также однородность других характеристик (анизотропия, микроструктура) покрытий.
Стабильность ПС при изменении характеристик покрываемых частиц можно повысить, изменяя давление в зоне ПС. Известно устройство для осаждения покрытий, описанное в способе осаждения покрытий из карбида кремния, включающее узел регулирования давления в пределах 0,1-200 торр (заявка на патент Японии №03130366 А от 21.01.97, МПК С04В 38/00). Недостаток устройства заключается в том, что увеличение давления способно стабилизировать ПС только при увеличении массы частиц не выше, чем на 50%.
Известен аппарат для осаждения покрытий в ПС, включающий химический реактор цилиндрической формы, блок нагрева и систему подачи газов (патент США №3 399 969 А, С01В 31/00, 1968 г.).
Недостаток данного устройства заключается в малом значении диапазона изменения масс покрываемых частиц при условии сохранения стабильности ПС.
Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является устройство для осаждения покрытий в псевдоожиженном слое из углерода и карбидов, содержащее реактор цилиндрической формы и систему подачи газов и исходных частиц, причем внутренняя поверхность цилиндрического реактора выполнена с вертикальными пазами (патент РФ №2 274 498, МПК В05D 1/22 В05D 3/04, С23С 16/26, опубл. 20.04.2006).
Известное устройство обеспечивает повышенную устойчивость псевдосжиженного слоя при изменении его массы в 10 раз. Однако к недостаткам описанного устройства следует отнести отсутствие возможности обеспечить стабильную работу реактора при осаждении покрытий на частицы, отличающиеся по эквивалентному диаметру в 5 и более раз. Действительно, при оптимальной скорости ожижения крупных частиц мелкие частицы будут унесены из реактора.
В основу предлагаемого изобретения положена задача предотвращения уноса частиц, на которые наносятся покрытия.
Согласно изобретению, эта задача решается тем, что в устройстве для осаждения покрытий в псевдоожиженном слое, содержащем химический реактор и систему подачи сжижающего газа, химический реактор выполнен в виде прямого параллелепипеда с закругленными ребрами и основанием в виде прямоугольника, при этом одна боковая грань реактора имеет форму квадрата, а другая боковая грань - форму прямоугольника, площадь которого равна площади основания, соотношение между площадями боковых граней составляет 1: (1,8-2), а прямоугольные грани в местах пересечения диагоналей снабжены выпуклостями, например в виде купола диаметром и высотой, составляющими соответственно 0,2-0,3 и 0,1-0,2 стороны квадрата.
Предложенное устройство схематически показано на чертеже, где: 1 - большая грань в форме прямоугольника, 2 - меньшая грань в форме квадрата, 3 - выпуклости, 4 - вход сжижающего газа, 5 - переходник.
Устройство работает следующим образом. При небольшой скорости сжижающего газа частицы располагаются в переходнике 5, а далее с ростом скорости поднимаются в реактор, причем образуют не стандартный режим ожижения (вверх-вниз), а вращательное движение тороида («жгута», собирающего всю совокупность мелких и крупных частиц).
Предложенное устройство обеспечивает устойчивость режима ожижения для частиц с размерами, отличающимися в 2-3 раза, и совокупностей масс частиц, отличающихся в 3-4 раза.
Конструктивными особенностями предложенного устройства являются:
- выполнение реактора в виде прямого параллелепипеда, что позволяет обеспечить плавное вращение тороида с частицами. Выполнение реактора в виде куба не позволяет обеспечить вращение частиц, выполнение реактора с отклонением площадей граней более 2,0 приводит к замедлению скорости вращения тороида (с 1 оборота/сек до 0,2-0,4 оборота/сек) с соответствующим расслоением тороида на мелкую и крупную фракции и уносом мелкой фракции;
- закругление на местах контакта граней радиусом 0,02-0,04 размера ребра квадратной грани позволяет устранить биение (перемещение по вертикальной оси) всего тороида;
- наличие выпуклостей на больших гранях обусловлено тем обстоятельством, что тороид при вращении не касается малых граней (расстояние между ними велико), но касается больших граней (расстояние между ними меньше). Экспериментально показано, что для совокупности микротвэлов (диаметр керна ядерного топлива - 0,2 мм, диаметр микротвэла с наружной оболочкой из пироуглерода - 0,5 мм) массой 150 г за время вращения 2 мин (характерное время осаждения покрытия из пироуглерода) уменьшение массы микротвэлов составило 0,4 г для реактора в виде параллелепипеда, истирание микротвэлов визуально наблюдается в виде черного пятна пироуглерода в месте пересечения диагоналей больших граней.
При наличии выпуклостей за 2 мин эксперимента черных пятен не обнаружено, а уменьшение массы навески составило менее 0,1 г (предела чувствительности весов). Следует добавить, что все эксперименты проводились в реакторах, выполненных из оргстекла при комнатной температуре с аргоном в качестве сжижающего газа. Добавим, что уменьшение размеров выпуклостей приводит к слабому истиранию частиц, а увеличение - к нарушению стабильности вращения тороида.
Таким образом, предложенное устройство позволяет повысить стабильность совокупности частиц в химическом реакторе и, тем самым, предотвратить унос частиц, на которые наносятся покрытия.