СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТКРЫТОПОРИСТОГО НАНОСТРУКТУРНОГО МЕТАЛЛА
METHOD OF PRODUCING OPEN-PORE NANOSTRUCTURED METAL

Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению пористого никеля, и может использоваться при изготовлении воздушных и жидкостных фильтров, основы нейтрализаторов, электродов, составных элементов катализаторов и носителей катализаторов.
Известен в качестве наиболее близкого по технической сущности к заявляемому способ получения пористого никеля методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) (патент РФ №02320456, МПК B22F 3/23, публ. 27.03.2008 г.), включающий предварительную подготовку компонентов шихты, содержащей порошки фенолоформальдегидной смолы и высушенного реагента (нитрата никеля), многосложную и длительную осушку органического реагента, соли никеля, перемешивание смеси.
К недостаткам известного способа относится отсутствие возможности получения достаточно однородной наноструктуры без включений непрореагировавших реагентов, т.к. избыток смолы или соли никеля приводит к появлению в металле углерода или оксида никеля соответственно.
Задачей авторов предлагаемого изобретения является разработка простого и эффективного способа получения открытопористого наноструктурного металла.
Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в улучшении качества пористого наноструктурного металла за счет обеспечения получения достаточно однородной наноструктуры без включений непрореагировавших реагентов вследствие испарения в процессе синтеза, по крайней мере, одного из компонентов исходной смеси, обеспечении упрощения способа, а также возможности непрерывного формования сложнопрофильных изделий.
Дополнительный технический результат заключается в обеспечении оптимальной равнопористости готового наноструктурного металла.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе получения открытопористого наноструктурного металла, включающем предварительную подготовку компонентов смеси на основе порошкообразного нитрата металла и реагента в виде газообразующего восстановителя, их смешение, последующее проведение реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) при постоянном отводе образующихся в результате горения газообразных продуктов, согласно изобретению в качестве реагента в виде газообразующего восстановителя в составе смеси используют жидкое органическое соединение из группы гидроксисодержащих соединений, например многоатомный спирт, а в составе нитрата металла, инертного к продуктам горения, выбирают металл из побочной подгруппы металлов 1 группы периодической системы элементов, или металл из группы железа, при следующем мольном соотношении компонентов смеси:
- жидкое органическое соединение / нитрат металла соответственно 1:(2÷3), перед смешением компонентов исходной смеси осуществляют сушку порошкообразного кислородсодержащего соединения металла (нитрата металла) при 130-150°С, подготовленную смесь тщательно перемешивают, помещают в ячейку и осуществляют локальное инициирование процесса горения смеси.
Кроме того, в предлагаемом способе в качестве жидкого органического восстановителя из группы гидроксисодержащих соединений используют глицерин.
Предлагаемый способ поясняется следующим образом.
Предварительно готовят исходную смесь, в качестве компонентов смеси используют порошкообразное соединения металла, инертного к продуктам горения (например, никеля), в виде нитрата металла и жидкого органического реагента как газообразующего восстановителя, в качестве последнего в составе смеси используют органический восстановитель из группы гидроксисодержащих соединений, например многоатомный спирт (глицерин), а в составе нитрата металла, инертного к продуктам горения, выбирают металл из побочной подгруппы металлов 1 группы периодической системы элементов, или металл из группы железа при следующем мольном соотношении компонентов смеси:
- жидкое гидроксисодержащее органическое соединение / нитрат металла соответственно 1:(2÷3).
Перед смешением компонентов смеси осуществляют сушку порошкообразного кислородсодержащего соединения (нитрата) металла при 130-150°С, подготовленную пластичную смесь помещают в ячейку и осуществляют локальное инициирование процесса горения смеси.
Размер частиц порошкообразного компонента смеси, обеспечивающий равномерно протекающий процесс СВС, не должен превышать 200-300 мкм.
Органический реагент - восстановитель из группы гидроксисодержащих соединений, например многоатомный спирт, перед взаимодействием с порошкообразным материалом не подвергают какой-либо предварительной подготовке, за счет чего предлагаемый способ характеризуется меньшей трудоемкостью, чем прототип. Многоатомные спирты характеризуются высоким влагопоглощением, в связи с чем перемешивание проводят быстро и в закрытой емкости.
В ходе экспериментов были выявлены заявляемые соотношения компонентов смеси, которые обеспечивают максимально доступную степень чистоты получаемого наноструктурного никеля и максимальную степень разрешения параметров структуры за счет повышения его пористости и удельной поверхности.
Указанные компоненты соединяют с последующим смешением их и помещением в ячейку из термостойкого материала, к которой подводят источник локального термоимпульса, в качестве которого используют электрический нагреватель, а проведение высокотемпературной термообработки осуществляют при температурах ~1000-1500°С, при постоянном отводе образующихся газов.
Предлагаемый способ осуществляют в режиме СВС, в основе которого лежит реакция окисления углеродсодержащего компонента смеси нитрогруппой при одновременном восстановлении химического соединения металла до металла (например, никеля).
На фиг.1 (фото) представлен электронный микроснимок образца готового материала, полученного в условиях способа прототипа, на фиг.2 (фото) представлен электронный микроснимок образца готового материала, полученного в условиях предлагаемого способа.
Из представленных фото видно, что в прототипе структура готового материала в макромасштабе имеет волокнистое строение, тогда как в полученном предлагаемым способом материале выявляются рыхлые микропленочные структуры. На наноуровне оба вида материала очень похожи.
При использовании предлагаемого способа наноструктура получаемого металла близка к структуре прототипа, но в готовом металле исключено появление углеродных включений и возможна реализация экструзионной технологии получения изделий.
Образцы полученного готового материала подвергают контрольным испытаниям.
Таким образом, при использовании предлагаемого способа обеспечивается улучшение качества металла за счет обеспечения достаточно однородной наноструктуры готового материала без включений непрореагировавших реагентов вследствие испарения в процессе синтеза, по крайней мере, одного из компонентов исходной смеси, упрощение способа, а также возможность непрерывного формования сложнопрофильных изделий.
Возможность промышленной реализации предлагаемого способа подтверждается следующими примерами конкретного исполнения.
Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый способ получения открытопористого наноструктурного металла (никеля) был опробован с использованием следующих условий и реагентов.
Первоначально проведена подготовка исходного порошкообразного нитрата металла, инертного к продуктам горения, для чего брали нитрат никеля в виде его 6-водного кристаллогидрата, подвергали его сушке в сушильном электрическом шкафу при температуре 130°С до потери 30% массы. Затем просушенный порошок измельчали до размера частиц не более 200 мкм в барабанной мельнице. В качестве органического реагента (газообразующего восстановителя) использовали многоатомный спирт - глицерин. Компоненты исходной смеси в соотношении 1:(2-3) соответственно тщательно перемешивали в емкости с последующим помещением в пробирку из кварцевого стекла диаметром 10 мм таким образом, чтобы пробирка была заполнена не более чем на 1/3 длины. Через открытый конец пробирки реакционную смесь поджигают кратковременным тепловым импульсом электрической спирали, нагретой до 370-800°С. В точке контакта смеси с искрой возникает фронт реакции горения (СВС), распространяющийся по смеси со скоростью ~1 м/с с выделением большого количества тепла и газообразных продуктов горения.
В условиях примера 1 опробован предлагаемый способ с использованием нитрата серебра в качестве компонента исходной смеси реагентов.
Полученный твердофазный продукт имеет структуру, состоящую из взаимосвязанных рыхло упакованных пористых пленок. Каждая пленка обладает нанокристаллической структурой со средним размером отдельных кристаллитов 75 нм. В кристаллитах представлены как наноструктурированные, так и нанофрагментированные области. Размер микроблоков составляет 10-30 нм. Анализ полученного материала показал, что он содержит 99,6 никеля (углерода 0,2%, оксида никеля 0,2%), обладает пористостью 98%. Полученный предлагаемым способом пористый наноструктурный никель обладает улучшенными параметрами структуры без включений непрореагировавших компонентов (фиг.2, фото). Таким образом, примеры показали, что реализация предлагаемого способа обеспечивает улучшение качества металла за счет обеспечения достаточно однородной наноструктуры готового материала без включений непрореагировавших реагентов вследствие испарения в процессе синтеза, по крайней мере, одного из компонентов исходной смеси, упрощение способа, а также возможность непрерывного формования сложнопрофильных изделий.