[go: up one dir, main page]

RU2465983C2 - Способ получения нанопорошка и устройство для его реализации - Google Patents

Способ получения нанопорошка и устройство для его реализации Download PDF

Info

Publication number
RU2465983C2
RU2465983C2 RU2010151578/02A RU2010151578A RU2465983C2 RU 2465983 C2 RU2465983 C2 RU 2465983C2 RU 2010151578/02 A RU2010151578/02 A RU 2010151578/02A RU 2010151578 A RU2010151578 A RU 2010151578A RU 2465983 C2 RU2465983 C2 RU 2465983C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
particles
reactor
nanopowder
synthesis
heating zone
Prior art date
Application number
RU2010151578/02A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2010151578A (ru
Inventor
Максим Геннадьевич Иванов (RU)
Максим Геннадьевич Иванов
Юрий Александрович Котов (RU)
Юрий Александрович Котов
Олег Мазгарович Саматов (RU)
Олег Мазгарович Саматов
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт электрофизики Уральского отделения РАН (ИЭФ УрО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт электрофизики Уральского отделения РАН (ИЭФ УрО РАН) filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт электрофизики Уральского отделения РАН (ИЭФ УрО РАН)
Priority to RU2010151578/02A priority Critical patent/RU2465983C2/ru
Publication of RU2010151578A publication Critical patent/RU2010151578A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2465983C2 publication Critical patent/RU2465983C2/ru

Links

Landscapes

  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области получения порошковых материалов, в частности к получению нанопорошков. Испаряемый материал размещают в испарительной камере и испаряют его излучением лазера с последующей конденсацией в потоке газа. На выходе потока газа из испарительной камеры установлен тепловой реактор, в котором поддерживают заданную температуру сконденсировавшихся в потоке газа частиц, с обеспечением синтеза соединения и формирования кристаллической структуры частиц при прохождении их через реактор. Геометрические размеры теплового реактора выбраны из условия: (Sr×lr)/Qgft, где Sr - сечение зоны нагрева, lr - длина зоны нагрева, Qg - расход газа, проходящего через реактор, τft - характерное время твердофазных реакций в частицах при синтезе соединения. Обеспечивается получение нанопорошков, в которых завершены процессы диффузии и твердофазных реакций, а также сформирована заданная кристаллическая структура. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области получения порошковых материалов, в том числе к способам и устройствам для получения нанопорошка.
Известен способ и реализующее его устройство для получения нанопорошков керамик путем испарения мишени лучом СO2-лазера и последующей конденсации паров материала мишени в потоке газов (Muller E., Oestreich Ch., Popp U., Michel G., Staupendahl G., Henneberg K.-H. Characterization of nanocrystalline oxide powders prepared by CO2 laser evaporation. J. KONA - Powder and Particle, 1995, №13, pp.79-90). На устройстве, реализующем данный способ, порошки ZrO2, Аl2О3, насыпанные в кювету, подвергали действию сфокусированного лазерного излучения. В зоне воздействия луча происходило испарение материала мишени. Пары мигрировали в холодную зону и конденсировались. Сконденсировавшиеся наночастицы переносились газовым потоком, направленным снизу из-под кюветы с порошком, и собирались путем осаждения в горизонтальной стеклянной трубке. При средней мощности излучения порядка 5 кВт максимальная производительность нанопорошка ZrO2 составляла 130 г/ч, размер частиц составлял dВЕТ=60 нм. Полученные наночастицы находились в метастабильном кристаллическом состоянии. В случае оксида циркония содержание метастабильного t-ZrO2 составляло 55% масс. В случае оксида алюминия содержание γ-Al2О3 составляло 33% масс., δ-Al2О3 - 67% масс.
Недостатком данного способа является то, что при воздействии на материал мишени непрерывного лазерного излучения образуется зона постоянно существующего расплава, за счет высокой теплопроводности которого происходит рассеяние поглощенной энергии лазерного излучения и снижение производительности процесса испарения материала мишени. Кроме того, так как процесс испарения непрерывный, над зоной расплава постоянно существует облако паров материала мишени, что создает условия для неограниченного роста в нем зерен нанопорошка. Для снижения размеров зерна вынужденно используют в качестве носителей чистые газы (гелий, кислород) при давлениях ниже атмосферного, что значительно усложняет конструкцию и эксплуатацию всей установки. При использовании же импульсного режима с высокой частотой следования импульсов излучения (т.е. когда поверхность мишень не успевает переместиться за время между импульсами на расстояние большее или равное диаметру фокусного пятна) процесс испарения - конденсации в данном случае аналогичен непрерывному и имеет все вышеперечисленные недостатки, а энергозатраты такого режима возрастают за счет модуляции излучения и роста доли энергии, вводимой при низкой плотности мощности (на фронте или спаде импульса излучения).
Существенным недостатком способа является то, что при конденсации из паровой фазы и последующем быстром охлаждении во время перемешивания с холодным буферным газом наночастицы образуются в метастабильном состоянии. При этом оказываются незавершенными как процессы диффузии химических элементов, так и формирования химических соединений и кристаллической структуры наночастиц. Возможность использования таких наночастиц сильно ограничена. Так, например, во время спекания керамики из метастабильных наночастиц при нагреве происходят фазовые переходы из метастабильных в стабильное состояние, сопровождающиеся выделением энергии и изменением удельного объема, что зачастую приводит к появлению дефектов или разрушению керамического образца.
Недостатком устройства, реализующего данный способ, является то, что поток газа направлен снизу из-под кюветы с порошком, скорость потока газа над поверхностью вещества мала, а это не позволяет быстро выносить частицы из облака паров над зоной расплава и получать частицы малого размера. Для снижения размеров зерна вынужденно используют в качестве носителей чистые газы (гелий, кислород) при давлениях ниже атмосферного, что значительно усложняет конструкцию и эксплуатацию всей установки. Так же недостатком устройства является то, что полученные частицы собирались путем осаждения в горизонтальной стеклянной трубке, а это усложняет процесс сбора нанопорошка.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу и реализующему его устройству (прототип) является способ получения ультрадисперсных порошков и устройство для его реализации (RU 2185931 С1, В22F 9/02, 9/12. Иванов М.Г., Котов Ю.А., Осипов В.В., Саматов О.М., 24.01.2001), в котором получение нанопорошков сложных соединений и смесевых составов осуществляют за счет испарения вещества излучением импульсно-периодического лазера с последующей конденсацией испаренного вещества в потоке газа, при этом поверхность испаряемого вещества перемещают в фокальной плоскости относительно точки фокуса лазерного излучения с постоянной скоростью Vп такой, что
vп≥d/τ,
где d - диаметр фокусного пятна,
τ - время между импульсами излучения;
поток газа направляют перпендикулярно поверхности испаряемого вещества, а скорость потока газа vг над поверхностью вещества выбирают из условия
vг≥2r/τ,
где r - радиус зоны разлета испаренного вещества в паровой фазе,
τ - время между импульсами излучения.
В реализующем данный способ устройстве, включающем испарительную камеру с испаряемым веществом, лазер и сопло для поступления потока газа, установлены: привод перемещения испаряемого вещества, выполненный с возможностью вращения и перемещения с постоянной линейной скоростью поверхности испаряемого вещества в фокальной плоскости относительно точки фокуса лазерного излучения, вентилятор для продувки потоком газа испарительной камеры, циклоны и фильтры для сбора нанопорошка, размещенные на выходе потока газа из испарительной камеры, лазер выполнен с возможностью работы в импульсно-периодическом режиме, а сопло для поступления потока газа выполнено с возможностью обеспечения одного направления потока газа и лазерного излучения и размещено над поверхностью испаряемого вещества. Недостатком данного способа является то, что, как и в случае аналога, при испарении материала под действием лазерного излучения происходит разложение сложных соединений, и при последующей конденсации и быстром охлаждении во время перемешивания с холодным буферным газом наночастицы образуются в метастабильном состоянии. Механизм формирования метастабильной структуры наночастиц в условиях быстропротекающего процесса охлаждения следующий:
- затвердевание наночастиц происходит из переохлажденного расплава, так как скорость процесса охлаждения паров при перемешивании с воздухом при атмосферном давлении очень высока (106 К/с);
- кристаллическая структура, первоначально формирующаяся в наночастицах, соответствует фазовой диаграмме данного материала и определяется температурой материала в момент появления критического зародыша новой фазы и избыточной поверхностной энергией частицы. В некоторых материалах из-за высокой степени переохлаждения кристаллическая решетка не образуется;
- во время охлаждения наночастиц переход в стабильное кристаллическое состояние не успевает произойти из-за высокой скорости процесса охлаждения, а также из-за совершенной структуры наночастиц, в которых дефекты, выступающие как возможные центры нуклеации, редки;
- после охлаждения до комнатной температуры реакция фазового перехода становится невозможной, так как минимум энергии, необходимой для формирования критического зародыша новой фазы в условиях гомогенной нуклеации, является непреодолимым энергетическим барьером.
Следует отметить, что в импульсно-периодическом режиме испарения скорость охлаждения наночастиц больше (размеры наночастиц меньше), и содержание метастабильных наночастиц, получаемых в таком режиме, существенно больше, чем в непрерывном (M.G. Ivanov, Yu.A. Kotov, A.I. Medvedev, A.M. Murzakaev, V.V. Osipov, A.K. Shtolz, V.I. Solomonov. Metastable states of laser synthesized oxide nanoparticles. Journal of Alloys and Compounds, vol.483, 2009, p.503-506).
Недостатком устройства, реализующего данный способ, является то, что, выходя вместе с потоком газа из испарительной камеры, сконденсировавшиеся метастабильные наночастицы попадают в циклон, где в турбулентном потоке сталкиваются друг с другом и образуют агрегаты. В последующем, собранные в фильтре агрегированные наночастицы могут быть отожжены в печи для завершения в них процессов диффузии, твердофазных реакций и перевода в стабильное кристаллическое состояние, но при этом происходит сильная агломерация, образование жестких связей между наночастицами, что снижает качество нанопорошка, делает его непригодным для многих технологических применений.
Технической задачей настоящего изобретения способа и реализующего его устройства является получение нанопорошка, в котором завершены процессы диффузии, твердофазных реакций, синтеза соединений и сформирована заданная кристаллическая структура.
Решение технической задачи достигается тем, что в способе получения нанопорошков при испарении вещества под действием лазерного излучения с последующей конденсацией испаренного вещества в потоке газа, синтез соединений и формирование кристаллической структуры частиц нанопорошка, взвешенных в потоке несущего их газа, происходит при прохождении их через тепловой реактор, геометрические размеры и температуру которого выбирают из условия
Figure 00000001
где Sr - сечение зоны нагрева, lr - длина зоны нагрева, Qg - расход газа, проходящего через реактор, τft - характерное время твердофазных реакций в частицах при синтезе соединения.
Заявляемый способ отличается от известного тем, что сконденсировавшиеся в потоке газа частицы попадают в тепловой реактор, в котором поддерживают заданную температуру частиц, с обеспечением синтеза соединения и формирования кристаллической структуры частиц при прохождении их через реактор, геометрические размеры которого выбирают из условия
Figure 00000002
где Sr - сечение зоны нагрева, lr - длина зоны нагрева, Qg - расход газа, проходящего через реактор, τft - характерное время твердофазных реакций в частицах при синтезе соединения.
Решение указанной технической задачи достигается, если в устройстве для получения нанопорошков на выходе потока газа из испарительной камеры установлен тепловой реактор для поддержания заданной температуры частиц нанопорошка, обеспечивающий синтез соединения и формирование кристаллической структуры частиц при прохождении их через реактор, при этом геометрические размеры теплового реактора выбраны из условия
Figure 00000001
где Sr - сечение зоны нагрева, lr - длина зоны нагрева, Qg - расход газа, проходящего через реактор, τft - характерное время твердофазных реакций в частицах при синтезе соединения.
Заявляемое устройство отличается тем, что на выходе потока газа из испарительной камеры установлен тепловой реактор для поддержания заданной температуры частиц нанопорошка, обеспечивающий синтез соединения и формирование кристаллической структуры частиц при прохождении их через реактор, при этом геометрические размеры теплового реактора выбраны из условия
Figure 00000002
где Sr - сечение зоны нагрева, lr - длина зоны нагрева, Qg - расход газа, проходящего через реактор, τft - характерное время твердофазных реакций в частицах при синтезе соединения.
Новый технический результат обусловлен тем, что
- сконденсировавшиеся в испарительной камере частицы нанопорошка, находящиеся в метастабильном состоянии, с потоком несущего их газа проходят через тепловой реактор, где нагреваются до температуры, необходимой для протекания твердофазных реакций. Нахождение наночастиц внутри теплового реактора при заданной температуре в течение времени τft позволяет завершить процессы диффузии химических элементов, формирование химических соединений и заданной кристаллической структуры наночастиц;
- тепловой реактор, в котором обеспечивается заданная температура частиц нанопорошка и происходят твердофазные реакции, установлен на выходе потока газа из испарительной камеры. Наночастицы, взвешенные в потоке несущего их газа, на этом участке газового тракта еще слабоагрегированы. Их агрегации происходит, в основном, на стадии турбулентного перемешивания потока в циклоне и улавливания в фильтрах. Протекание твердофазных реакций в слабоагрегированных наночастицах позволяет избежать агломерации, образования жестких связей между наночастицами, что повышает качество нанопорошка и увеличивает диапазон его возможного применения в технологических процессах.
Предложенный способ и реализующее его устройство по сравнению с прототипом обеспечивают получение нанопорошка, в котором завершены процессы диффузии, твердофазных реакций, синтеза соединений и сформирована заданная кристаллическая структура.
На рисунке показана блок-схема установки по получению нанопорошка.
В испарительной камере 3 привод 1 служит для вращения и перемещения мишени 2. Излучение лазера сквозь окно 8 фокусируется на мишени. Вентилятор 4 предназначен для продувки рабочим газом (воздухом) испарительной камеры 3. Установленные последовательно по ходу потока рабочего газа из испарительной камеры 3 тепловой реактор 9, циклон 5 и фильтр 6 предназначены для улавливания образовавшихся при испарении крупных частиц и нанопорошка. Фильтр 7 служит для очистки рабочего газа.
Устройство, приведенное на рисунке, работает следующим образом.
В испарительной герметичной камере 3 приводом 1 мишень 2 вращается и перемещается линейно в горизонтальной плоскости так, что скорость перемещения лазерного луча по ее поверхности остается постоянной. Излучение лазера сквозь окно 8 фокусируется на мишени 2. В зоне воздействия излучения происходит испарение и образование облака паров материала мишени. Испарительная камера 3 продувается очищенным от механических примесей рабочим газом (воздухом), нагнетаемым вентилятором 4. Рабочий газ переносит образовавшиеся при испарении частицы, которые улавливаются циклоном 5 и фильтром 6. Рабочий газ (воздух) выбрасывается в атмосферу через механический фильтр 7. По мере срабатывания мишень перемещается в осевом направлении так, чтобы ее поверхность оставалась в фокальной плоскости.
Частицы нанопорошка, взвешенные в потоке несущего их газа, проходят через тепловой реактор 9, геометрические размеры которого выбирают из условия
Figure 00000001
где Sr - сечение зоны нагрева, lr - длина зоны нагрева, Qg - расход газа, проходящего через реактор, τft - характерное время твердофазных реакций в частицах при синтезе соединения.
Во время нахождения наночастиц в реакторе происходит завершение процессов твердофазных реакций и формирование заданной кристаллической структуры частиц. Характерное время твердофазных реакций в частицах зависит от материала, размера наночастиц и необходимой кристаллической структуры и находится экспериментально.
Работоспособность предлагаемых способа и устройства проверена на примере установки по получению нанопорошка, где для испарения материала мишени использовался волоконный иттербиевый лазер. Средняя мощность излучения до 1 кВт. Диаметр пятна фокусировки составлял 0,2 мм. Средняя плотность мощности излучения на мишени - 3·106 Вт/см2. В качестве рабочего газа использовался азот при атмосферном давлении. Расход газа составлял 3 л/мин. В качестве теплового реактора использовалась кварцевая трубка с нихромовым нагревателем. Длина трубки составляла 1 м, диаметр 25 мм. Температура внутри теплового реактора поддерживалась 1000°С. В описанных условиях получали нитрид алюминия. Удельная поверхность полученного нанопорошка составляла 40 м2/г.

Claims (2)

1. Способ получения нанопорошка, включающий испарение материала излучением лазера с последующей его конденсацией в потоке газа, отличающийся тем, что сконденсировавшиеся в потоке газа частицы попадают в тепловой реактор, в котором поддерживают заданную температуру частиц, с обеспечением синтеза соединения и формирования кристаллической структуры частиц при прохождении их через реактор, геометрические размеры которого выбирают из условия:
Figure 00000003

где Sr - сечение зоны нагрева, lr - длина зоны нагрева, Qg - расход газа, проходящего через реактор, τft - характерное время твердофазных реакций в частицах при синтезе соединения.
2. Устройство для получения нанопорошка, содержащее испарительную камеру с испаряемым материалом, лазер, привод перемещения испаряемого материала, вентилятор для продувки потоком газа испарительной камеры, циклоны и фильтры для сбора нанопорошка, отличающееся тем, что на выходе потока газа из испарительной камеры установлен тепловой реактор для поддержания заданной температуры частиц нанопорошка, обеспечивающий синтез соединения и формирования кристаллической структуры частиц при прохождении их через реактор, при этом геометрические размеры теплового реактора выбраны из условия:
Figure 00000004

где Sr - сечение зоны нагрева, lr - длина зоны нагрева, Qg - расход газа, проходящего через реактор, tft - характерное время твердофазных реакций в частицах при синтезе соединения.
RU2010151578/02A 2010-12-15 2010-12-15 Способ получения нанопорошка и устройство для его реализации RU2465983C2 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010151578/02A RU2465983C2 (ru) 2010-12-15 2010-12-15 Способ получения нанопорошка и устройство для его реализации

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010151578/02A RU2465983C2 (ru) 2010-12-15 2010-12-15 Способ получения нанопорошка и устройство для его реализации

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010151578A RU2010151578A (ru) 2012-06-20
RU2465983C2 true RU2465983C2 (ru) 2012-11-10

Family

ID=46680778

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010151578/02A RU2465983C2 (ru) 2010-12-15 2010-12-15 Способ получения нанопорошка и устройство для его реализации

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2465983C2 (ru)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2684540C1 (ru) * 2018-06-13 2019-04-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Способ допирования MgO-nAl2O3 керамик ионами железа
RU2685564C1 (ru) * 2018-01-09 2019-04-22 Всеволод Германович Кизнер Способ синтеза наночастиц металлов осаждением на пористый углеродный материал

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2170647C1 (ru) * 2000-11-02 2001-07-20 Закрытое акционерное общество "ИНВЕСТ-Технологии" Способ получения ультрадисперсного металлического порошка
RU2185931C1 (ru) * 2001-01-24 2002-07-27 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Способ получения нанопорошков сложных соединений и смесевых составов и устройство для его реализации
RU2404880C2 (ru) * 2004-06-21 2010-11-27 Х.К. Штарк Инк. Металлотермическое восстановление оксидов тугоплавких металлов

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2170647C1 (ru) * 2000-11-02 2001-07-20 Закрытое акционерное общество "ИНВЕСТ-Технологии" Способ получения ультрадисперсного металлического порошка
RU2185931C1 (ru) * 2001-01-24 2002-07-27 Институт электрофизики Уральского отделения РАН Способ получения нанопорошков сложных соединений и смесевых составов и устройство для его реализации
RU2404880C2 (ru) * 2004-06-21 2010-11-27 Х.К. Штарк Инк. Металлотермическое восстановление оксидов тугоплавких металлов

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2685564C1 (ru) * 2018-01-09 2019-04-22 Всеволод Германович Кизнер Способ синтеза наночастиц металлов осаждением на пористый углеродный материал
RU2684540C1 (ru) * 2018-06-13 2019-04-09 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) Способ допирования MgO-nAl2O3 керамик ионами железа

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010151578A (ru) 2012-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Semaltianos Nanoparticles by laser ablation
Semaltianos et al. II–VI semiconductor nanoparticles synthesized by laser ablation
CN106395843B (zh) 六硼化镧纳米粉体的制备方法及应用
RU2465983C2 (ru) Способ получения нанопорошка и устройство для его реализации
RU2185931C1 (ru) Способ получения нанопорошков сложных соединений и смесевых составов и устройство для его реализации
Subramanian et al. A novel technique for synthesis of silver nanoparticles by laser-liquid interaction
CN1330560C (zh) 制造金属氧化物粉末或半导体氧化物粉末,氧化物粉末,固体的方法及其应用
Osipov et al. Laser synthesis of nanopowders based on zinc selenide for production of highly transparent ceramics
Chen et al. Low–power plasma torch method for the production of crystalline spherical ceramic particles
JPS6320573B2 (ru)
Gnedovets et al. Particles synthesis in erosive laser plasma in a high pressure atmosphere
RU2643287C2 (ru) Способ получения нанопорошка соединений и смесевых составов и устройство для его реализации
JP5892671B2 (ja) 立方体形又は四角柱形を有する岩塩型酸化物ナノ粒子と微細金属粒子との接合構造体、及び、その製造方法
Rajan et al. Laser plasma induced Cu2O nanoparticle synthesis in ethanol and nanofluid particle characterization
Siegel et al. Synthesis, characterization, and properties of nanophase ceramics
Osipov et al. Laser ablation synthesis and properties of nanocrystalline oxide powders
Voropai et al. Synthesis of precursors for the production of nanoceramics of the CuAlO2 type under the influence of double laser pulses on AD1 and M2 alloys in air
Trufanov et al. Synthesis of yttrium oxide Y2O3 nanopowder through evaporation using a high-energy electron beam
RU2808903C1 (ru) Способ получения нанопорошка триоксида молибдена MoО3 в реакторе
Chkalov et al. Synthesis of highly dispersed spherical metal granules by laser ablation method
Tissue et al. Synthesis and characterization of metal‐oxide nanocrystals prepared by CO2‐laser‐heated vaporization/condensation
Osipov et al. Synthesis of Fe: MgAl2O4 nanopowders into laser plum
Maksimov et al. Production of optical Yb3+: Lu2O3 ceramic by spark plasma sintering
JP2002326816A (ja) レーザーアブレーション法による二酸化チタン微粒子の合成方法及び合成装置
JPS6395101A (ja) 超微粒子の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181216