Размещено на http://allbest.ru

Электрический взрыв проводника как способ получения нанопорошков сплавов металлов

Томск - 2014



Оглавление

Ведение

Процесс взрыва проводников

История развития

Преимущества ЭВП-технологии

Метод электрического взрыва проводников

Получение сплавов методом ЭВП

Свойства нанопорошков

Применение

Заключение

Список литературы



Ведение

Электрическим взрывом проводников называют явление взрывообразного разрушения металлического проводника при прохождении через него импульса тока очень большой плотности. Под действием импульса тока проволока разрушается на мельчайшие частички и пар. Разлетаясь с большой скоростью, продукты разрушения быстро охлаждаются, и образуется нанодисперсный порошок. Эти нанопорошки находятся в аморфном состоянии.

Особый интерес к нанопорошкам связан с их применением в качестве исходного сырья при производстве керамических, магнитных и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, присадок к смазочным материалам, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др. Существенно расширяется использование нанопорошков в промышленности (технологии диффузионной сварки, создание защитных и антифрикционных покрытий, восстановление изношенных деталей механизмов). Электроника, оптика и обрабатывающая промышленность потребляют более 70% мирового производства нанопорошков.

С каждым годом увеличивается интенсивность использования нанопорошков в сельском хозяйстве и природоохранительной отрасли (включая добычу полезных ископаемых и их обработку, получение электроэнергии и водоочистку), а также медицине и косметологии.



Процесс взрыва проводников

Рис1. Этапы развития ЭВП: 1 - пробой с электрода на проводник; 2 - образование плазменного шнура; 3 - его расширение; 4 - разлёт расширяющихся продуктов взрыва.

Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы металла, которые в определенных условиях могут взаимодействовать с окружающей средой, образуя различные химические соединения.

В зависимости от рода газа, окружающего проводник, можно получать порошки металлов, сплавов, порошки химических соединений или порошки композиционных составов.

История развития

Электрический взрыв известен более 200 лет, первая публикация появилась в 1774 году задолго до открытия закона Ома. Одна интересная работа проведена известным физиком Майклом Фарадеем в 1857 году. Он получал очень тонкие металлические пленки на внутренних стенках колбы при разряде лейденской банки через золотую проволочку.

В последующем интерес к электрическому взрыву в разных областях науки и техники нарастает лавинообразно.

К 1966 году было опубликовано уже более 800 статей, охватывающих широкий круг фундаментальных и прикладных исследований.

Под электрическим взрывом понимается комплекс процессов, происходящих при быстром джоулевом нагреве металлического проводника до температур, превышающих температуру начала испарения металла. Эти процессы включают, как правило, фазовые переходы металл - жидкость - пары металла в начальной стадии, формирование плотной металлической плазмы при дальнейшем нагреве, образование мелких частиц при разлете продуктов взрыва и их остывании.

Явление сопровождается (или может сопровождаться) обрывом тока в контуре и генерированием импульсов высокого напряжения, мощными ударными волнами, химическими реакциями, яркой вспышкой света. Причем, условия осуществления электрического взрыва весьма разнообразны по энергетике, набору металлов, окружающей среде и т.д. Весьма разнообразны, соответственно, достигаемые при этом физические состояния и получаемые эффекты. Многогранность и необычность явления стимулировали его детальные исследования с самых различных точек зрения. В первую очередь это относится к изучению теплофизичееких свойств металлов в высокотемпературной области.

Электрический взрыв используется как источник высокотемпературной плазмы в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу, в работах по созданию источников света, в исследованиях генерации мощных импульсов мягкого рентгеновского излучения.

Взрывающиеся проволочки изучаются и применяются в качестве мощных быстродействующих прерывателей тока, предохранителей, для создания активной среды импульсных лазеров, а также во многих электрофизических установках.

Интенсивно исследуется и развивается, раскрывая новые возможности, электровзрывной метод получения микро -и наноразмерных металлических порошков, химических соединений и различных нанофазных материалов, начиная с упомянутых экспериментов М. Фарадея. Это далеко не полный перечень основных направлений работ по электрическому взрыву. В ходе исследований выяснилось, что электрический взрыв затрагивает мало изученные области взаимодействия между металлами и электрическими и магнитными полями.

Электропроводность металлов, например, хорошо изучена только в области конденсированного состояния (в том числе, и с помощью метода импульсного джоулева нагрева) и в области идеальной плазмы при температуре ~ 104 К.

Промежуточные состояния, в особенности окрестность критической точки, область плотной пространственно неоднородной плазмоподобной среды, до сих пор являются предметом изучения, происходит накопление экспериментальных данных по поведению металлов при высокоэнергетическом воздействии и развиваются различные физические модели для их интерпретации.

Было ясно, что имеется обширное белое пятно между теорией и практической необходимостью в реализации электрического взрыва в новых, в том числе и технологических, установках. Заполнить указанный пробел, свести к минимуму время между исследованиями и использованием взрывающихся проводников можно с помощью физического моделирования явления с применением методов подобия и имеющихся теоретических предпосылок.

Планомерное экспериментальное исследование электрического взрыва, было начато в Томске в семидесятые годы под руководством академика РАН Г.А. Месяца и чл.-корр. РАН Ю.А. Котова.

Работы проводились в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете, в Институте сильноточной электроники СО РАН и позднее - в Институте электрофизики УрО РАН.

Начало исследований во многом определялось перспективой использования взрывающихся проволочек для коммутации тока в индуктивных накопителях энергии и в качестве обострителей мощности при создании импульсных источников питания мегавольтного уровня напряжений, необходимых для многих областей физических и инженерных исследований: для формирования сильноточных пучков релятивистских электронов, импульсной накачки лазеров и т.д.

Отдельный интерес представляли аэрозоли, образующиеся при электрическом взрыве.

Изучение физических механизмов, реализующихся и превалирующих в тех или иных условиях электрического взрыва методами физического моделирования и подобия, поиске и создании полуэмпирических моделей основных характеристик взрывающегося проводника и электрического контура, изучении и оптимизации возможностей их научного и технологического использования.

При достижении поставленной цели решались следующие конкретные задачи:

- разработка методик и схем физического моделирования, установление соотношений подобия на базе имеющихся теоретических представлений и их экспериментальная проверка;

- проведение экспериментальных исследований и изучение основных характеристик электрического взрыва с применением критериев подобия,

- изучение электрического взрыва при высоких плотностях тока,

- выявление наиболее существенных факторов и создание методик расчета взрыва проводников из различных металлов,

- применение результатов моделирования при разработке новых электрофизических установок и технологий, использующих электрический взрыв и, наконец,

- создание феноменологической модели электрического взрыва.



Преимущества ЭВП-технологии

Основными достоинствами ЭВП-технологии по отношению к другим методам получения нанопорошков металлов являются:

1. Возможность получения частиц металлов с высокой физико-химической активностью, которую невозможно обеспечить другими технологиями.

2. Формирование частиц сферической формы наноструктурированных по объему, что обеспечивает их высокую химическую активность.

3. Энергозатраты ниже, чем в других известных нам методах получения сферических металлических наночастиц. Это связано с тем, что в ЭВП-технологии энергия вводится в металл импульсно и объёмно, а не с поверхности, поэтому расход энергии на нагрев окружающей среды относительно низок.

4. Возможность тонкого и гибкого управления параметрами технологического процесса и соответственно свойствами получаемых порошков.

5. Получение широкой гаммы нанопорошков любых металлов и сплавов, которые выпускаются или могут быть изготовлены в виде проволоки или фольги.

В некоторых случаях можно взрывать и струи расплавленного металла.

Метод электрического взрыва проводников

По своей природе ЭВП как метод получения нанопорошков сочетает в себе признаки диспергационных методов - проводник разрушается под действием электрического тока, и методов испарения-конденсации - значительная часть материала проводника в процессе электровзрыва переходит в газообразное состояние.

Причем доля металла, перешедшего в пар, зависит от величины введенной в проводник энергии.

ЭВП как метод диспергирования металлов характеризуется следующими особенностями:

время взрыва составляет 10^-10 с;

величина развиваемой мощности превышает 10 Вт/кг;

температура в момент взрыва может достигать значения 10⁴ К и выше, давление -- 10⁹ Па;

скорость разлета продуктов составляет от 1 до 5 км/с;

одной из важнейших характеристик ЭВП является введенная в проводник энергия;

частицы формируются как за счет конденсации паровой фазы, так и за счет диспергирования жидкого металла;

увеличение вводимой в проводник энергии приводит к возрастанию доли металла, перешедшего в парообразное состояние, но получение чисто паровой фазы считается невозможным.

Достоинством электровзрывной технологии является ее универсальность -- возможность получения нанопорошков металлов, сплавов, интерметаллидов и химических соединений с неметаллами на одном и том же оборудовании.

Максимальный выход порошков по алюминию составляет 50 г/ч, по вольфраму -- до 300 г/ч при производстве на одной установке.

Принципиальная схема установки для производства НП показана на рис. 1.1.

Установка работает следующим образом. От высоковольтного источника питания (1) заряжается емкостной накопитель энергии (2). Механизм подачи проволоки (3) обеспечивает автоматическую подачу взрываемого отрезка проволоки (4) в межэлектродный промежуток.



Рис. 2. Принципиальная схема установки для производства нанопорошков методом ЭВП: 1 - высоковольтный источник питания; 2 - емкостной накопитель энергии; 3 - механизм подачи проволоки; 4 - взрываемый проводник; 5 - высоковольтный электрод; 6 - коммутатор; 7 - накопитель нанопорошка; 8 - вентилятор; 9 - взрывная камера; 10 - система газового снабжения; 11 - заземленный электрод

При достижении проволокой высоковольтного электрода (5) срабатывает коммутатор (6), происходит разряд накопителя на отрезок проволоки между высоковольтным и заземленным (11) электродами -- и он взрывается. Образовавшийся порошок собирается в накопителе (7). Очищенный от порошка газ с помощью вентилятора (8) подается обратно в камеру. Объем камеры (9) перед работой вакуумируется, а затем заполняется требуемой газовой атмосферой. Эти функции выполняет система газового снабжения (10).

В качестве газовой атмосферы при производстве порошков металлов, сплавов и интерметаллидов используются инертные газы, преимущественно аргон. Порошки, полученные в инертной среде, являются пирофорными, то есть воспламеняются при контакте с воздухом. Их пассивацию проводят медленным окислением компонентами воздуха или нанесением специального покрытия на поверхность частиц. Следует отметить, что свойства электровзрывных НП в сильной степени зависят не только от электрических параметров их получения, но и от условий пассивирования.

Для получения порошков соединений металлов с неметаллами (оксидов, нитридов, карбидов и др.) взрывная камера заполняется химически активным газом. Выход химических соединений регулируется в широком диапазоне значений, что дает возможность получать композиционные нанопорошки со сложным составом отдельных частиц.

Анализ реализованных возможностей получения нанопорошков методом ЭВП позволил выделить следующие процессы:

Получение нанопорошков металлов с пониженной рентгеновской плотностью. При электровзрыве металлов, не обладающих полиморфизмом (алюминий, медь), происходит смещение атомов в кристаллической решетке относительно их положения равновесия. Например, для алюминия рентгеновская плотность понижена в среднем на 0,2 %, что соответствует нагреву массивного алюминия на 70 °С. При ЭВП из металлов, обладающих полиморфизмом (вольфрам, титан, железо), формируются высокотемпературные модификации, имеющие пониженную рентгеновскую плотность.

Получение нанопорошков сплавов Fe-Ni, Pb-Sn, Cu-Zn. Нанопорошки при этом имеют сложный фазовый состав, зависящий от величины введенной в проводник энергии. Наблюдается обогащение поверхностных и приповерхностных слоев частиц более легколетучим компонентом.

Получение интерметаллидов. При совместном электровзрыве алюминиевых и медных проводников формируются интерметаллиды Cu₉Al₄ и CuAl₂. Максимальный выход интерметаллидов наблюдается при нулевом расстоянии между проводниками. При электровзрыве алюминиевых и железных проводников были получены интерметаллиды FeAl, Fe3Al.

Получение карбидов металлов при ЭВП из вольфрама, титана, тантала в углеводородсодержащих средах.

Получение нанопорошков оксидов и нитридов металлов при ЭВП (алюминий, титан, медь) в химически активных средах, содержащих кислород и азот, соответственно, а также нанопорошков композитов, например AlN-Y₂O₃-Al.

Порошки, получаемые электрическим взрывом проводников, как правило, имеют сферическую форму частиц и являются полидисперсными системами. Для оценки степени дисперсности электровзрывных порошков обычно используют такие характеристики, как среднеповерх-ностный (d_s), среднечисленный (а₀) и среднемассовый (d_m) диаметры частиц, удельная площадь поверхности (Ј_уд), функция распределения частиц по размерам.

Дисперсный состав порошков является одной из важнейших характеристик, определяющих их технические характеристики (насыпную плотность, сыпучесть, угол откоса, реакционную способность и др.), а, следовательно, и области применения. С повышением дисперсности НП металлов, как правило, увеличивается их активность, но при этом снижается и содержание металлов в частицах. Кроме того, получение НП с размерами меньше 30 нм нецелесообразно в связи с их нестабильностью к окислению, спеканию и агломерации. В инертных средах порошки таких размеров спекаются по диффузионному механизму, а в химически активных средах - взаимодействуют с взрывом. Поэтому актуальной является задача поиска условий получения НП, обеспечивающих высокую дисперсность и узкое распределение частиц по размерам в области 30-100 нм.

Важным достоинством электровзрывной технологии является возможность регулирования свойств конечных продуктов электровзрыва: дисперсного, фазового и химического состава нанопорошков и других характеристик с помощью электрических параметров. Очень низкие затраты энергии (менее 10 кВт-час/кг) обусловлены прямым нагревом проводника электрическим током без участия теплоносителей и высокой скоростью нагрева (более 10 К/с), обеспечивающей практически адиабатические условия передачи энергии проводнику.

Электровзрывная технология является экологически безопасной: процесс наработки нанопорошков проводится в замкнутой камере, технологические выбросы отсутствуют.

Получение сплавов методом ЭВП

Сущность метода получения НП сплавов и ИМС при использовании проводников из разнородных металлов (пары медь и алюминий, железо и алюминий) заключается в том, что во взрывную камеру подаются заготовки из металлов, соединения которых предполагается получить, и проводится их совместный электрический взрыв в инертной среде.

В процессе разлета продукты взрыва смешиваются и реагируют между собой. Совместные взрывы проводников одинаковой длины проводились при их параллельном расположении.

В случае разных длин проводников взрывался «жгут», когда на одну или несколько проволочек из одного металла наматывались остальные с равномерным шагом намотки. В экспериментах изменялись: расстояние между проводниками при их параллельном расположении, соотношение масс взрываемых заготовок, энергия, введенная в систему проводников, и энергия дуговой стадии электрического взрыва.

Для исследования возможности образования интерметаллидов в условиях ЭВП из сплавов CuNi использовались проводники диаметром 0,3 мм с содержанием никеля 45, 23, 12 и 6 мас. %.

Образцы порошков получали при одном и том же зарядном напряжении, равном 24 кВ. Взрывы проводились в среде аргона при давлении 200 кПа на опытно-промышленной установке, структурная схема которой показана на рис. 5.1. Анализу подвергали порошок, осевший в специальном сборнике и прошедший пассивацию в среде аргона с контролируемым напуском воздуха. При этом не допускалось разогрева образца.

Процесс пассивации обычно заканчивался через 10 сут.

Свойства нанопорошков

При получении наночастиц проявляется особенность -- склонность к образованию объединений частиц. Такие объединения называют агрегатами и агломератами.

В результате, при определении размеров наночастиц, необходимо различать размеры отдельных частиц (кристаллитов) и размеры объединений частиц. электровзрывной металлический проводник нанопорошок

Различие между агрегатами и агломератами не является четко определенным. Считается, что в агрегатах кристаллиты более прочно связаны и имеют меньшую межкристаллитную пористость, чем в агломератах.

Проблема, связанная с агрегированием наночастиц, возникает при их компактировании.

Например, при компактировании агрегированного порошка путем спекания, для достижения определенной плотности материала требуются температуры тем выше, чем более крупные объединения наночастиц имеются в порошке.

В этой связи при разработке методов получения нанопорошков продолжаются поиски мер для исключения или уменьшения степени образования объединений наночастиц.

Так, в методах получения нанопорошков путем конденсации из паровой фазы оказалось целесообразным точное регулирование температуры образования наночастиц.

В химических методах оказывается эффективным исключение воды из некоторых стадий синтеза для уменьшения степени агломерирования.

Используются также методы уменьшения контакта между частицами путем их покрытия (капсулирования), которое затем, перед компактированием, удаляется.

Тем не менее агрегирование и агломерирование наночастиц осложняет получение компактных материалов.

Требуются большие механические усилия или повышение температуры (при спекании), чтобы преодолеть силы агломерирования.

Применение

Освоение наноматериалов в последние годы уверенно выходит на промышленный уровень. Некоторые страны и объединения (США, Япония, НАТО и др.) вкладывают сотни миллионов долларов в разработку способов синтеза, исследования свойств, производство наноматериалов, изготовление приборов и конструкций с использованием наноматериалов.

Уже в конце 80-х годов XX века США и Япония ежегодно тратили на исследования в области наноматериалов порядка 110...120 млн долларов.

Только в США более трех десятков компаний ведут на различном уровне работу по их производству. Многие наноматериалы уже доступны на рынке.

В настоящее время они широко используются в микроэлектронике, способствуя дальнейшей миниатюризации электронных приборов, в защитных системах поглощения ВЧ- и рентгеновского излучений, в качестве катализаторов (чему способствует огромная, порядка 5 * 10⁷ м^-1 удельная поверхность на но порошков).

В атомной энергетике таблетки ТВЭЛов изготавливаются из УДП UO2, в термоядерной технике из УДП бериллия изготавливают мишени для лазерно- термоядерного синтеза.

Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей.

Наноматериалы используют в качестве сверхпрочных конструкционных материалов и износостойких покрытий.

Пленочные наноматериалы плоской и сложной формы из магнито-мягких сплавов используются для видеоголовок видеомагнитофонов, существенно превосходя по служебным свойства традиционные материалы.

Полученные плазмохимическим способом УДП металлов с включениями карбидов используются в качестве шлифующего и полирующего материала при «финишинге» полупроводников и диэлектриков.

В медицине УДП применяют для защиты персонала от рентгеновского излучения (перчатки, фартуки и т. п. из резины с УДП свинцовым наполнителем в четыре раза легче обычных), а также для лекарств быстрою усвоения и действия, используемых в экстремальных условиях (ранения в катастрофах, боевых действиях и т. п.).

В военном деле УДП применяются в качестве радиопоглощающего покрытия самолетов-невидимок «Стелc», в новых видах взрывного оружия.

В «графитовой бомбе» используются углеродные нановолокна, выводящие из строя энергосистемы противника. Трубчатые углеродные нановолокна и фуллерены перспективны для армирования композиционной «суперброни» для танков и бронежилетов.

Необычность свойств наноматериалов такова, что смело можно сказать: начиная с 90-х годов XX века научно-технический прогресс человечества стал определяться наноматериалами и нанотехнологиями. На коммерческий рынок давно уже вышли не только металлические, но и неметаллические наноматериалы, такие, как оксиды кремния и железа, а оксиды алюминия, титана, сурьмы и др.

Стали уже доступны некоторые карбиды с размером частиц 20...200 нм.



Заключение

Особый интерес к нанопорошкам связан с их применением в качестве исходного сырья при производстве керамических, магнитных и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, присадок к смазочным материалам, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и так далее.

Основной способ получения нанопорошков - электрический взрыв проводников. При использовании этого метода можно получить сферические частицы, при довольно низких энергозатратах, причем из любых металлов и сплавов. Так же можно тонко управлять параметрами процесса и соответственно свойствами материалов. Так же эта технология развивается и в перспективе возможно открытие новых свойств материалов.



Список литературы

1. А.П. Ильин, О.Б. Назаренко, А.В. Коршунов, Л.О. Толбанов. Особенности физико-химических свойств нанопорошков и наноматериалов.

2. Исследование электрического взрыва проводников и его применение в электрофизических установках [Электронный ресурс] / Седой В.С. Режим доступа http://www.dissercat.com/content/issledovanie-elektricheskogo-vzryva-provodnikov-i-ego-primenenie-v-elektrofizicheskikh-ustan свободный. -- Загл. с экрана.

3. Получение и свойства электровзрывных нанопорошков сплавов и интерметаллидов / [Электронный ресурс] А.П. Ильин, О.Б. Назаренко, Д.В. Тихонов, Г.В. Яблуновский Режим доступа [http://portal.tpu.ru/SHARED/o/OLGANAZ/science/Tab1/Interme.pdf] свободный. -- Загл. с экрана.

Размещено на Allbest.ru

...