|
Параметры работы высокочастотных индукционных плазмотронах (ВЧ-плазмотрон) большой мощности (до 1 МВт) позволяют испарить любой элемент таблицы Менделеева, что может способствовать созданию технологии промышленного получения углеродных (фуллеренов, металлофуллеренов, нанотрубок) и неуглеродных (нанопорошков металлов и их оксидов, нитридов, карбидов и т.п.) материалов, а также технологию нанесения наноразмерных покрытий из этих материалов. К настоящему времени на основе математического моделирования исследованы различные факторы, влияющие на выход конечного продукта и качество наносимого покрытия (или конденсата): давление и температура плазмообразующего газа, при получении углеродных нанотрубок, дисперсность исходного материала, для формирования потока с оптимальными для проведения технологического процесса параметрами, температура подложки при нанесении покрытий. Без финансовой поддержки было проведено несколько тестовых запусков действующей установки с ВЧ-плазмотроном с аргоном в качестве плазмообразующего газа, различными вариантами подачи частиц графита в поток. Микрофотографии сажи показали наличие в ней нитевидных структур - нанотрубок. Получен патент на изобретение №2266866 «установка для получения фуллереносодержащей сажи», патентообладатель - ФГУП «Центральный научно-исследовательский машиностроения», приоритет 27 января 2004 г. Теоретическое и практическое обоснование. Плазмохимический способ производства наноструктурированных материалов основан на сублимации гранул исходного материала в потоке плазмы инертных газов с последующей конденсацией паров на охлаждаемом сажеуловителе. Физические и газодинамические особенности течения газа в таких установках и отдельных ее элементах (разрядной камере, струе и в пограничном слое около моделей) достаточно хорошо изучены, что позволяет проводить исследования по оптимизации процесса получения углеродных и неуглеродных наноструктур. В качестве исходных материалов могут применяться мелкодисперсные (< 50 мкм) порошки различных материалов: металлов, сплавов, композитов, химических соединений, керамик, углерода. Большим преимуществом является простота приготовления смеси исходных материалов, предназначенных для производства наноструктурированных материалов. В плазменный поток может подаваться смесь порошков различных компонентов в произвольных пропорциях. В имеющейся установке имеются широкие возможности варьирования параметров, точек подачи порошка в плазменный поток и варьирования геометрических размеров и форм сажеуловителя для оптимизации технологического процесса. Большая производительность установки с ВЧ-плазмотроном (расход газа 10-15 г/с, исходного вещества 1-5 г/с) позволяет получать наноматериалы в количествах достаточных для проведения всесторонних анализов их состава и свойств в коротких экспериментах (продолжительностью 20-30 с). Это обстоятельство становится особенно важным при проведении поисковых исследований по созданию материалов с заданными свойствами и отработке технологии их получения. Основные технические показатели. Принцип действия установок с высокочастотным нагревом газа основан на известном физическом явлении нагрева проводящих сред электрическим током, индуцированным в них переменным электромагнитным полем. Имеющаяся установка У13ВЧП ЦНИИ машиностроения имеет следующие параметры: мощность - 1000 кВт; частота генератора - 440 кГц; давление смеси газов - 103...2×104 Па; температура смеси газов - 4000...11000К; используемые газы: аргон, гелий, азот, воздух, СО2 и др.; расход газа - 5... 30 гр/с; расход углеродосодержащего химического вещества - до 3 г/с; внутренний диаметр кварцевой разрядной камеры - 180 мм; размеры рабочей части - 0.8×0.8×0.8 м. Такие значения позволяют эффективно испарять самые тугоплавкие материалы и существенно повысить производительность процесса (скорость роста толщины пленки). В имеющейся установке возможно проведение процесса при заданной температуре подложки (до 1500К). Отличие от других методов. Для получения наноструктурированных материалов разработаны следующие методы: метод литографии, метод истирания, методы газофазного и парофазного осаждения, метод химического синтеза, коллоидные методы, методы растворения, методы электроосаждения, электродуговой способ. Имеющиеся методы позволяют получать наноразмерные материалы только с узким диапазоном свойств. Эти, хорошо исследованные, и в некоторых случаях оптимизированные методы получения наноматериалов, применимые в научных исследованиях, как правило, реализуемые на лабораторных установках малой мощности и производительности, не всегда могут быть использованы для организации промышленного производства. Типичным примером такой ситуации являются широко используемые во всем мире методы получения углеродных наноматериалов (фуллеренов, углеродных нанотрубок и т.д), основанные на методе электрической дуги или лазерного испарения. Для разработки альтернативных способов промышленного получения наноматериалов, например, перспективного плазмохимического способа, требует создания установок большой мощности. Подобные установки имеются всего в нескольких экземплярах в мире, поэтому плазмохимический способ не получил до сих пор широкого распространения. Отработка способа промышленного получения наноматериалов на действующей плазменной установке У13ВЧП ЦНИИ машиностроения большой мощности ~1000 кВт (созданной для решения аэрофизических задач) с хорошо изученными за время длительной эксплуатации параметрами, может существенно снизить затраты и ускорить получение положительного результата. Предлагаемый плазмохимический метод диспергирования материалов является универсальным и позволяет получать широкий спектр наноматериалов различного состава и наноразмерных покрытий. Кроме того, в отличие от других, предлагаемый способ позволяет создать технологию производства наноструктурированных материалов в промышленных масштабах. Преимуществами ВЧ-плазмотронов большой мощности для получения наночастиц, по сравнению с наиболее распространенными электродуговыми являются: - отсутствие ограничений по вкладываемой мощности и связанное с этим существенное увеличение производительности;
- большое время непрерывной работы;
- универсальность способа и установки - возможность использования для получения широкого класса наноматериалов и нанесения покрытий;
- возможность работы с исходными химическими веществами в различных агрегатных состояниях (порошки, газы, жидкости);
- простота подготовки смесей исходных материалов с катализаторами;
- прохождение процесса формирования наноструктур на значительном удалении от зоны воздействия высокочастотного электромагнитного поля и излучения разряда;
- возможность дистанционной диагностики основных параметров, определяющих процесс формирования наноматериалов, в частности спектральные измерения состава и температуры газа и фуллереносодержащей смеси (через окна, имеющиеся в рабочей части установки);
- возможности оптимизации процесса за счет независимого регулирования давления, энерговклада, соотношений расходов плазмообразующего газа, углеродосодержащего вещества и катализатора;
- квазиодномерность течения смеси газа и паров углерода (течение в канале или осесимметричной струе) в отличие от веерной струи в электродуговой установке дает возможность формирования потока, используя различные дополнительные устройства - сопла и теплообменники для формирования областей с оптимальной температурой и изменение геометрических параметров (расстояние от индуктора до сажеуловителя).
Затраты на производство состоят из следующих компонентов: оплата электроэнергии, закупка исходного материала (порошков), закупка запасных частей к производственной установке (ВЧ-генератор), зарплата обслуживающему персоналу, оплата очистки и выделения получающихся наноструктур.
Источник: http://www.nanometer.ru |
