АО «НИИЭФА»
Акционерное общество
«НИИЭФА им. Д.В. Ефремова»
О компании Контакты Вакансии Новости Противодействие коррупции и хищениям Поставщикам Диссертационный совет Экологическая безопасность Охрана труда Торги имущества
 

ПРОИЗВОДСТВО НАНОПОРОШКОВ

Вакуумная дуга уникальна тем, что весь достаточно высокий (100А и более) разрядный ток концентрируется на катоде в микроскопических (~10 мкм) катодных пятнах (КП), в которых плотности тока и мощности, концентрация и давление образующейся плазмы может достигать супервысоких значений: 100 МА/см2 и 109 Вт/см2, 1020 см-3 и 1010 Па соответственно при длительности существования КП ~10-7 c. Формирование таких микроразрядов происходит в результате взрывной электронной эмиссии из микронеоднородностей поверхности катода под воздействием сильного (~10 МВ/м) локального электрического поля. При завершении микровзрыва из одного участка поверхности катода (КП) напряжение в прикатодной области восстанавливается, и микроразряд инициируется на другом участке поверхности катода (другом КП).

Таким образом, отдельное КП представляет собой мощный микроскопический и короткоживущий микрореактор, обеспечивающий мощную генерацию как ионизированного пара материала катода, так и генерацию сопутствующих микрокапель из области супервысоких давлений и температур в вакуум. Подобные условия являются чрезвычайно благоприятными для производства нанопорошков. В отличие от других способов их производства, где обеспечение приемлемых условий является одной из самых основных и труднореализуемых задач, в случае вакуумной дуги эти условия предоставлены самой природой.

Предложены два возможных механизма производства нанопорошков в вакуумной дуге:

Первый механизм предполагает образование наночастиц из генерируемых катодным пятном вакуумной дуги жидких микрокапель (с размерами в диапазоне 0,1 – 1 мкм) путём их электродиспергирования в результате развития Рэлеевской (капиллярной) неустойчивости относительно процесса деления при достижении электрического заряда микрокапель некоторой критической величины. Условия накопления каплями этого заряда могут задаваться параметрами плазмы межэлектродного промежутка, удовлетворяющими определённым соотношениям. В условиях вакуумной дуги скорость охлаждения сформированных при делении нанокапель (не менее 107 К/с) достаточна для аморфизации материала при их затвердевании, что препятствует дальнейшему укрупнению частиц за счёт их коалесценции. Учитывая, что количество генерируемых катодным пятном микрокапель может достигать 105, а частота формирования катодных пятен до 107 с-1, скорость генерации микрокапель может достигать 1011 с-1. Это значение на 4-5 порядков превышает производительность лазерной дисперсии (при частоте повторения около 10 Гц).

Второй механизм предполагает синтез наночастиц из генерируемых катодным пятном вакуумной дуги паров материала катода. Синтез осуществляется путём естественного расширения пара из катодных пятен в вакуум, его охлаждения и нуклеации. Важным обстоятельством при этом является малый характерный размер КП (~10 мкм), что резко ограничивает длительность нахождения синтезированных наночастиц в зоне нуклеации и роста. В сочетании с однородным по объёму интенсивным охлаждением пара (что также является следствием малости размеров КП) это позволяет достигать предельно низких значений размеров и дисперсии размеров синтезируемых наночастиц. Непровзаимодействовавшая при естественном расширении в вакуум ионизированная часть пара может быть транспортирована при помощи электромагнитных полей в зону вторичного взаимодействия, где может быть реализован вторичный синтез наночастиц. В этом случае диапазон материалов синтезируемых наночастиц может быть существенно расширен при введении в зону вторичного взаимодействия реактивных газов (кислорода, азота, ацетилена и др.) с образованием наночастиц оксидов, нитридов или карбидов металлов в результате взаимодействия реактивных газов с потоком транспортируемой плазмы.

Предложенный способ производства нанопорошков в вакуумной дуге обладает большей технологичностью и производительностью (которая может увеличиваться неограниченно при увеличении тока дуги), а также не требует использования потоков газа-прекурсора и охлаждающего газа в сравнении с другими плазменными и лазерными методами производства. Кроме того, процесс производства нанопорошков происходит в вакуумных условиях, что гарантирует высокое качество продукта.

Публикации:

1. Патент РФ № 2380195 "Способ получения осаждённых на носителе наночастиц металла или полупроводника", Опубликован 27.01.2010, Бюл. № 3.

2. Д.А. Карпов, В.Н. Литуновский "Многослойные наноструктуры и нанокомпозиты - новое поколение покрытий для модификации поверхностных свойств материалов", Обзор ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова» О-103, 93 стр. с ил., Санкт-Петербург, 2008.

3. Д.А. Карпов, В.Н. Литуновский "Наноматериалы", Обзор ФГУП «НИИЭФА им. Д.В. Ефремова»О-102, 83 стр. с ил., Санкт-Петербург, 2007.

 
© 2004-2016, НИИЭФА им. Д.В.Ефремова, ОИТ. CMS English version Яндекс.Метрика