ГЕТТЕРНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ОТКАЧКИ МОЛЕКУЛЯРНОГО ВОДОРОДА

Известно устройство, представляющее собой пористый геттер из титана, применяемый для реализации двух функциональных свойств - разложение на поверхности геттера молекул водорода на атомы и химическое сильно энергетическое связывание атомов водорода объемом металла пористого титана. Пористый геттер из титана проявляет селективность по отношению к поглощению водорода только при относительно низких температурах. Известное устройство не в полной мере удовлетворяет требованиям по селективности откачки молекулярного водорода из-за работы в интервале температур, технически сложном для использования в газоразрядных приборах. В этом случае при наличие в среде кислородосордержыших компонентов происходит пассивация поверхности титана, что приводит к снижению его сорбционных характеристик по водороду. (Кореновский Н.Л. и др. Композитный материал на основе пористого титана для селективного поглощения водорода из газовых смесей. Известия вузов. ЭЛЕКТРОНИКА №2(100), 2013 г, с 9-16)
Наиболее близким к предполагаемому устройству является устройство, для откачки молекулярного водорода, содержащее формообразующее тело из пористого титана, связывающего водород, в виде пластины или цилиндра, и нанесенную на него поглощающую пленку из палладия, причем пленка из палладия покрывает поверхность пористого тела во всем его объеме.
В данном устройстве для создания эффекта селективной откачки водорода поверхность титана модифицируется нанесением пленки палладия для реализации эффекта избирательной диффузионной прозрачности к атомам водорода, что обеспечивает проникновение потока водорода через палладиевую пленку без химического связывания, а необходимая удельная сорбционная емкость геттера достигается за счет высокоэнергетического химического связывания титана с водородом на межфазной границе палладий-титан. (Кореновский Н.Л. и др. Геттерное устройство для селективной откачки молекулярного водорода. Патент РФ на полезную модель №81488. Опубл. 20.03.2009 г. Бюл. №8)
Недостатком данного устройства является низкая механическая прочность и пластичность формообразующего пористого материала (титана) даже с поверхностным тонким покрытием из палладия, не позволяющая использовать данный геттер в условиях вибрационных нагрузок (до 10 g).
В основу разработки предполагаемого устройства положена задача создания эффективного селективного геттера на водород с высокими значением удельной сорбционной емкости и одновременно с высокими прочностными характеристиками.
Данная задача решается созданием геттерного устройства для селективной откачки молекулярного водорода, включающее формообразующее тело в виде пластины или цилиндра из металла и поглощающий слой из палладия, покрывающий всю поверхность металла, связующего водород, отличающееся тем, что микрочастицы металла, связующего водород, распределены в объеме беспористого формообразующего тела (матрице), выполненного из металлического палладия, одновременно осуществляющего поглощение водорода.
В двухслойном устройстве термодинамическая неустойчивость системы палладий-водород является положительным фактором, способствующим созданию эффекта диффузионно-прозрачной среды для атомов водорода, которые проникают без химического связывания сквозь слой палладия и на межфазной границе палладий-гидридообразующий металл химически связываются объемом последнего.
В заявляемом варианте имеем дисперсную матричную структуру композиционного материала (в прототипе - сендвич структура), который способен последовательно выполнять две сорбционные функции - селективно захватывать атомы водорода из смеси газов и эффективно их связывать в объеме гидридообразующего металла. При этом формообразующим телом является монолитная (в прототипе - пористая) матрица из палладия (в прототипе- из гидридообразующего титана), покрывающая всю поверхность распределенных в ней гидридообразующих микрочастиц геттера с высокоразвитой поверхностью. Таким образом одновременно имеем дисперсионно упрочненный композиционный материал, обеспечивающий механическую прочность устройства.
Селективность по отношению связывания атомов водорода происходит в относительно широком интервале температур, технически пригодном для работы газоразрядного прибора, при этом атомы других газов или адсорбируются на поверхности мембраны (каркаса) или испытывают газодинамическое отражение от поверхности, не проникая в объем металла мембраны.
Это достигается тем, что предполагаемое устройство выполняется в несколько последовательных технологических стадий. Для примера - на первом этапе на поверхности микрочастиц титана, выбранного в качестве связующего водород металла, методом магнетронного напыления в условиях виброкипящего слоя микорочастиц гидридообразующего титана покрывается слоем палладия. На следующем этапе покрытые частицы прессуются в конкретную форму изделия и спекаются в условиях изостатического прессования для образования монолитного палладиевой матирицы с диспергированными в ней микрочастицами титана.
При этом получали композиционную ленту с геометрическими размерами длина 20 мм, толщина 0,2 мм, ширина 2 мм
Аналогичные операции проводили с порошком титан-ниобиевого сплава (50/50) с получением компактного геттерного устройства выше названной геометрии.
По результатам сравнительных испытаний предложенного устройства и прототипа в той же геометрической форме на основе термогравиметрического анализа образец пористого селективного геттера на водород при 200°C и при давлении водорода 0,1 Па характеризуется следующими параметрами геттерирования и прочности.
Результаты сравнительных испытаний
Предложенное устройство
Прототип
титан
титан-ниобий
титан
поток поглощения водорода (л/с)
5.1
5.7
3.9
максимальная удельная сорбционная емкость (м3 Па/ г)
0,3
0.3
0.1
виброиспытания
образцы сохранили целостность
осыпание
Из представленных результатов следует, что предложенное устройство позволяет достигнуть поставленной цели.