УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ ОКСИДОВ МЕТАЛЛОВ ПУТЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВЗРЫВА ПРОВОЛОКИ

Настоящая полезная модель относится к устройствам для получения наночастиц оксидов металлов путем электрического взрыва проволоки.
Известно устройство для получения металлического порошка (патент РФ 2699886, B22F 9/14, B82Y 30/00, опубл. 11.09.2019). В указанном патенте описан способ, при котором проводят электрический взрыв металлической проволоки во взрывной камере с принудительной циркуляцией азота в качестве рабочего газа. Электрический взрыв проволоки проводят при величине энергии, введенной в проволоку, в интервале от 0,6 до 0,9 энергии сублимации металла проволоки и постоянном охлаждении рабочего газа в камере до температуры не более 40°С путем непрерывной подачи жидкого азота, при этом давление во взрывной камере поддерживают не более 0,85 атм. Устройство содержит взрывную камеру, механизм подачи проволоки, установленные в камере и подключенные к источнику питания высоковольтный электрод и заземленный электрод для электрического взрыва проволоки с получением частиц порошка, систему сепарации частиц порошка по размерам, связанную с камерой посредством трубопровода, оснащенного вентилятором и выполненного с возможностью принудительной циркуляции азота в качестве рабочего газа в камере, и средства контроля давления рабочего газа в камере. Высоковольтный электрод выполнен с возможностью подачи через него в камеру жидкого азота для охлаждения рабочего газа. Обеспечивается предотвращение спекания частиц порошка.
Известна установка для получения порошков металлов, сплавов и химических соединений электрическим взрывом проволоки, обеспечивающая повышение качества получаемого продукта за счет уменьшения агломерации порошка (патент РФ 2247631, МПК B22F 9/14, опубл. 10.03.2005). В предложенной установке, содержащей реактор для электрического взрыва проволоки с высоковольтным и заземленным электродами, соединенными с источником импульсных токов, механизм подачи проволоки в реактор, систему циркуляции газа и порошка и узел отделения газа и сбора порошка, согласно изобретению система циркуляции газа и порошка выполнена в виде трубчатых газоотводов, подсоединенных одними концами к реактору напротив межэлектродного промежутка, а другими - к узлу отделения газа и сбора порошка, который выполнен в виде последовательно соединенных посредством патрубков расширителей, каждый из которых снабжен накопителем порошка, с обеспечением соотношения: Si/Si+1≥1,43, где i=1, 2... , S1 - суммарная площадь проходного сечения трубчатых газоотводов, S2, S3 ...- площадь сечений соединительных патрубков. Основным техническим результатом является повышение качества получаемого продукта за счет уменьшения агломерации порошков: содержание агломератов ≤6% мас. и диаметр ≤2,3 мкм. Применение данной установки позволяет в 19 раз снизить характерный размер агломератов и в 10 раз содержание агломератов в получаемом порошке по сравнению с прототипом. Предлагаемая в известном изобретении система газоотводов и расширителей позволяет более тщательно разделить получаемые частицы по размерам. Сначала отделить крупные агломераты, потом все мельче и мельче, чтобы в продукте остались частицы нужного размера, а именно ≤ 2,3 мкм.
Однако данный способ не предотвращает спекание частиц при их получении, а борется с последствиями, т.е. препятствует попаданию спеченных агломератов в товарный продукт.
Известно устройство для получения металлического порошка на основе нано- и микрочастиц (патент РФ 2675188, МПК B22F 9/14, B82Y 30/00, опубл. 17.12.2018), выбранное в качестве прототипа. В указанном патенте описывается способ, который включает электрический взрыв металлической проволоки в реакторе и сепарацию частиц по размерам. В реакторе обеспечивают принудительную циркуляцию газовой среды при скорости газового потока на входе в реактор в интервале от 1,5 м/с до 2,5 м/с. Электрический взрыв проволоки ведут при давлении газовой среды в реакторе от 1 до 3 атм и величине энергии, введенной в проволоку, в интервале от 0,6 до 0,9 энергии сублимации металла проволоки, а сепарацию полученных частиц порошка ведут с выделением мелкой фракции с размерами частиц менее 5 мкм. Обеспечивается эффективное разделение частиц в газовом потоке на две фракции.
В известных установках для получения наночастиц металлов распылением металлической проволоки диаметр реактора равен диаметру остальных частей установки (диаметру камеры механизма подачи и диаметру камеры, в которой расположен разрядник). Однако такая конструкция установки непригодна для получения наночастиц оксидов металлов, так как не обеспечивает стабильность химического состава получаемых порошков. При работе оборудования наблюдаются электрические пробои на стенку реактора, которые приводят к снижению энергии, вводимой в проволоку.
Кроме того, вследствие относительно небольшого диаметра реактора, наночастицы быстро достигают его стенок и охлаждаются, не успев окислиться.
Указанные эффекты являются негативными и могут нарушать стабильность химического и дисперсного состава получаемых наночастиц. Для ослабления негативного влияния указанных эффектов предложено изменить конструкцию узла диспергирования проволок, а именно увеличить размер реактора.
Задачей, на решение которой направлена заявленная полезная модель, является разработка установки для получения наночастиц оксидов металлов путем электрического взрыва проволоки, использование которой позволяет предотвратить электрические пробои на стенку реактора, приводящие к снижению вводимой в проволоку энергии, вследствие чего увеличивается выход основного продукта – наночастиц оксидов металлов.
Технический результат – получение порошков оксидов металлов стабильного дисперсного и химического состава.
Поставленная задача решается тем, что устройство для получения наночастиц оксидов металлов путем электрического взрыва проволоки содержит реактор, механизм подачи проволоки, установленные в реакторе высоковольтный и заземленный электроды для электрического взрыва металлической проволоки, сепаратор с контейнером для сбора и выгрузки крупных частиц, циклон с контейнером для сбора и выгрузки наночастиц, трубопровод и центробежный вентилятор для принудительной циркуляции рабочего газа внутри устройства. В качестве реактора используют конструкцию цилиндрической формы с диаметром большим, чем диаметр камеры коммутатора и диаметр камеры механизма подачи проволоки, а диаметр расположенного в реакторе высоковольтного электрода равен диаметру рабочего изолятора реактора, отделяющего камеру коммутатора от реактора. Увеличение диаметра реактора увеличивает пробег образующихся частиц до стенок реактора, следовательно, снижается наплавка диспергируемого металла на стенках реактора и увеличивается выход наночастиц оксидов металлов. Электрод большего диаметра защищает рабочий изолятор реактор (предотвращает загрязнение изолятора каплями диспергируемого металла), следовательно, увеличивается межочистной период и срок службы изолятора.
Реактор представляет собой конструкцию цилиндрической формы, т.к. при повышенном давлении рабочего газа и знакопеременных ударных нагрузках, возникающих при диспергировании проволоки, такая конструкция является наиболее устойчивой. Диаметр реактора и высоковольтного электрода выбирали исходя из следующих соображений. При обрыве тока в момент разрушения проволоки, на ней возникает импульс напряжения (т.н. импульс перенапряжения), который в несколько раз превышает напряжение, которое было приложено к проводнику. Величину коэффициента k перенапряжения можно определить как:
k
0
k= U/U, (1),
k
0
где U – амплитуда импульса U(t) возникающего при взрыве проволоки, U – зарядное напряжение батареи конденсаторов С. Если величина k значительна, то с проволоки или деталей реактора, находящихся под высоким напряжением, может произойти пробой на стенку реактора. Таким образом, величина импульса перенапряжения определяет, согласно закону Пашена, минимальное расстояние от токоведущих частей реактора до его заземленной стенки.
пр
0
k
пр
Для получения порошков оксидов металлов предложено использовать проволоки из металлов с высокой электропроводностью, в частности, серебро и медь. Из литературных данных известно, что для металлов с высокой электропроводностью максимальная величина k≈4. Если принять, что между токоведущими частями реактора и его стенкой резко неоднородное поле, то в соответствие с кривой Пашена для аргона (наименее электропрочный газ из пары с кислородом), при давлении смеси газов 0,2 МПа пробивное напряжение составит U≈6 кВ на 1 см длины. Отсюда следует, что при k≈4, U=35 кВ, минимальное значение U=140 кВ. С учетом величины U, в предлагаемом техническом решении минимальное расстояние между стенкой реактора и токоведущими частями должно составлять не менее 233 мм.
Высоковольтный изолятор выполнен из листового полиметилметакрилата и имеет диаметр 230 мм. В предлагаемом техническом решении для предотвращения попадания расплавленных частиц на поверхность высоковольтного изолятора целесообразно использовать высоковольтный электрод, диаметр которого равен диаметру изолятора, что составляет 230 мм. Исходя из вышеприведенных расчетов, диаметр реактора составляет 696 мм.
На фиг. 1 приведена схема заявленной полезной модели.
Устройство содержит 1 – емкостной накопитель; 2 – камера коммутатора с разрядником R; 3 – реактор (взрывная камера); 4 – камера механизма подачи проволоки; 5 – рабочий изолятор реактора; 6 – высоковольтный электрод; 7 – низковольтный электрод; 8 – сепаратор с контейнером для сбора и выгрузки крупных частиц; 9 – циклон с контейнером для сбора и выгрузки наночастиц; 10 – центробежный вентилятор; 11 – трубопроводы, соединяющие отдельные элементы устройства.
Стрелками обозначено движение газа в элементах устройства.
R – разрядник;
Me – проволока;
d1 – диаметр камеры коммутатора c разрядником R;
d2 – диаметр высоковольтного электрода;
d3 – диаметр реактора;
Работа элементов устройства осуществляется следующим образом.
Предварительно, с помощью форвакуумного насоса удаляется воздух из реактора 3, сепаратора 8, циклона 9, вентилятора 10, трубопроводов 11, связанных между собой в единую газопроточную конструкцию. Затем указанные элементы установки заполняются смесью газов ‒ аргона и кислорода (рабочий газ). Включается центробежный вентилятор 10 и рабочий газ начинает циркуляцию в элементах установки.
Проволока, с помощью механизма подачи проволоки 4, подается к высоковольтному электроду 6. При касании высоковольтного электрода 6 происходит электрический пробой разрядника R по цепи: высоковольтный электрод 6 ‒ проволока Me ‒ низковольтный электрод 7. Под действием импульса тока происходит распыление проволоки с образованием микро- и наночастиц оксида металла, из которого сделана проволока.
Поток газа (на фиг. 1 указан стрелками) с микро- и наночастицами движется в сторону сепаратора с контейнером для сбора и выгрузки крупных частиц 8. Далее газ с наночастицами по трубопроводу 11 поступает в циклон с контейнером для сбора и выгрузки наночастиц 9. Далее очищенный газ с помощью вентилятора 10 поступает в реактор. Цикл получения наночастиц повторяется.
2
2
3
На фиг. 2 (а-д) представлены микрофотографии порошков оксидов металлов, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа: а – частицы ZnO, б – частицы ZnO-Ag, в – частицы ZnO-TiO, г – частицы ZnO-FeO, д – частицы ZnO-CuO.
Пример 1.
Порошок ZnO получают путем взрыва цинковой проволоки диаметром 0,4 мм в газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода. Перед заполнением газовой смесью устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10-1 Па. Устройство заполняется аргоном до давления 3×105 Па. Далее в установку подается кислород до достижения величины давления, раной 4×105 Па. Величина электрической емкости накопителя энергии составляют 1,6 мкФ, зарядное напряжение 22 кВ. Устанавливают межэлектродное расстояние 90 мм, скорость подачи проволоки 0,12 м/с, частота взрывов 10 Гц. Скорость подачи газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода составляет 2,5 м/c.
2
Наработано 100 г порошка ZnO, представляющего собой преимущественно ограненные наночастицы. Удельная поверхность наночастиц – 7 м/г, средний размер наночастиц – 68 нм.
Характерные изображения наночастиц ZnO приведены на фиг. 2а.
Пример 2.
Порошок ZnO-Ag получают путем взрыва скрутки цинковой проволоки диаметром 0,4 мм и серебряной проволоки диаметром 0,1 мм с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Электрический взрыв скрутки проволок проводят в газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода. Перед заполнением газовой смесью устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10-1 Па. Устройство заполняется аргоном до давления 3×105 Па. Далее в установку подается кислород до достижения величины давления, раной 4×105 Па. Величина электрической емкости накопителя энергии составляют 2,0 мкФ, зарядное напряжение 24 кВ. Устанавливают межэлектродное расстояние 90 мм, скорость подачи проволоки 0,12 м/с, частота взрывов 10 Гц. Скорость подачи газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода составляет 2,5 м/c.
2
Наработано 100 г порошка ZnO-Ag, представляющего собой преимущественно ограненные наночастицы. Удельная поверхность наночастиц – 9 м/г, средний размер наночастиц – 76 нм.
Характерные изображения наночастиц ZnO-Ag приведены на фиг. 2б.
Пример 3.
2
Порошок ZnО-TiO получают путем взрыва скрутки цинковой проволоки диаметром 0,4 мм и титановой проволоки диаметром 0,1 мм с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Электрический взрыв скрутки проволок проводят в газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода. Перед заполнением газовой смесью устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10-1 Па. Устройство заполняется аргоном до давления 3×105 Па. Далее в установку подается кислород до достижения величины давления, раной 4×105 Па. Величина электрической емкости накопителя энергии составляют 2,0 мкФ, зарядное напряжение 21 кВ. Устанавливают межэлектродное расстояние 90 мм, скорость подачи проволоки 0,12 м/с, частота взрывов 10 Гц. Скорость подачи газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода составляет 2,5 м/c.
2
2
Наработано 100 г порошка ZnO-TiO, представляющего собой преимущественно ограненные наночастицы. Удельная поверхность наночастиц – 6 м/г, средний размер наночастиц – 82 нм.
2
Характерные изображения наночастиц ZnO-TiO приведены на фиг.2в.
Пример 4.
2
3
Порошок ZnO-FeO получают путем взрыва скрутки цинковой проволоки диаметром 0,4 мм и титановой проволоки диаметром 0,1 мм с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Электрический взрыв скрутки проволок проводят в газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода. Перед заполнением газовой смесью устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10-1 Па. Устройство заполняется аргоном до давления 3×105 Па. Далее в установку подается кислород до достижения величины давления, раной 4×105 Па. Величина электрической емкости накопителя энергии составляют 2,0 мкФ, зарядное напряжение 22 кВ. Устанавливают межэлектродное расстояние 90 мм, скорость подачи проволоки 0,12 м/с, частота взрывов 10 Гц. Скорость подачи газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода составляет 2,5 м/c.
2
3
2
Наработано 100 г порошка ZnO-FeO, представляющего собой преимущественно ограненные наночастицы. Удельная поверхность наночастиц – 10 м/г, средний размер наночастиц – 55 нм.
2
3
Характерные изображения наночастиц ZnO-FeO приведены на фиг. 2г.
Пример 5.
Получение порошка ZnO-CuO
Порошок ZnO-CuO получают путем взрыва скрутки цинковой проволоки диаметром 0,4 мм и титановой проволоки диаметром 0,1 мм с шагом скрутки проволок 2-3 витка/оборота на сантиметр длины проволоки. Электрический взрыв скрутки проволок проводят в газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода. Перед заполнением газовой смесью устройство предварительно вакуумируется до остаточного давления 10-1 Па. Устройство заполняется аргоном до давления 3×105 Па. Далее в установку подается кислород до достижения величины давления, раной 4×105 Па. Величина электрической емкости накопителя энергии составляют 2,0 мкФ, зарядное напряжение 26 кВ. Устанавливают межэлектродное расстояние 90 мм, скорость подачи проволоки 0,12 м/с, частота взрывов 10 Гц. Скорость подачи газовой смеси 80% аргона и 20% кислорода составляет 2,5 м/c.
2
Наработано 100 г порошка ZnO-CuO, представляющего собой преимущественно ограненные наночастицы. Удельная поверхность наночастиц – 9 м/г, средний размер наночастиц – 74 нм.
Характерные изображения наночастиц ZnO-CuO приведены на фиг. 2д.