Электроимпульсная технология получения ультрадисперсных материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.10, кандидат наук Самсонов, Дмитрий Сергеевич

• Самсонов, Дмитрий Сергеевич
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Самсонов, Дмитрий Сергеевич

Содержание

Введение

Глава 1 Методы получения ультрадисперсных материалов. Современные представления о процессах в технологических системах с высоким удельным энерговкладом в вещество

1.1 Существующие методы получения ультрадисперсных частиц

1.1.1 Химические методы получения УДЧ

1.1.2 Физические методы получения УДЧ

1.2 Современное представление о процессах в импульсных технологических системах

1.2.1 Общие принципы построения импульсных технологических систем

1.2.2 Принципы построения емкостных накопителей энергии для импульсных технологических установок

1.2.3 Согласование накопителя энергии импульсной технологической системы с нагрузкой

1.2.4 Диагностика параметров процесса в импульсных электротехнологических системах

1.3 Получение УДЧ с использованием рельсового ускорителя плазмы . 31 1.3.1 Принципы построения систем инициации разряда в рельсовом ускорителе

1.4 Выводы по главе

Глава 2 Основы спектрального метода расчета взаимодействия импульса электромагнитного поля произвольной формы с проводящей средой

2.1 Теоретические представления о взаимодействии импульса магнитного поля сложной формы с проводящей средой

2.1.1 Необходимость определения верхней границы ширины спектра физического импульса произвольной формы

2.1.2 Определение верхней границы ширины спектра физического импульса произвольной формы

2.1.3 Адекватность предложенной оценки ширины спектра и примеры

ее применения

2.1.4 Численный расчет эволюции формы импульса магнитного поля сложной формы при его распространении вглубь проводящей среды спектральным методом

2.2 Методика определения эффективной глубины проникновения магнитного поля в проводящую среду

2.2.1 Расчет активного сопротивления проводника с учетом эффективной глубины проникновения магнитного ноля

2.3 Выводы по главе

Глава 3 Физика и математическое описание процессов в технологической системе

3.1 Описание процессов в технологической системе

3.1.1 Процесс образования УДЧ

3.1.2 Процесс инициации основного разряда

3.2 Математическое моделирование процессов в технологической системе

3.2.1 Расчет динамики пространственного распределения температуры

в области инициации основного разряда

3.2.2 Математическое описание процессов в системе питания основного разряда

3.3 Экспериментальная установка для получения ультрадисперсных частиц металлов

3.3.1 Описание конструкции экспериментальной устновки

3.3.2 Система инициации основного разряда путем предварительной ионизации межэлектродного промежутка

3.3.3 Система диагностики параметров технологического процесса

3.4 Результаты экспериментального изучения работы установки

3.5 Выводы по главе

Глава 4 Исследование параметров ультрадисперсных частиц, нанесенных на подложки с помощью экспериментальной установки

4.1 Диагностика размера и морфологии УДЧ на подложке

4.2 Повышение адгезии лакокрасочных покрытий к поверхности полимеров

4.2.1 Описание экспериментов по повышению адгезии лакокрасочных

покрытий

4.3 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение А Численный расчет процесса инициации основного разряда

Приложение В Численный расчет динамики индуктивности вторичной обмотки трансформатора устройства инициации основного разряда

Приложение С Материалы по внедрению результатов работы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электроимпульсная технология получения ультрадисперсных материалов»

Введение

Актуальность темы исследования. Ультрадисперсные частицы (УДЧ) металлов находят все более широкое применение в современной технике и технологии. Обзоры рынка этих материалов показывают, что более 2/3 из них производится в одной из самых развитых стран мира — США, и объем их производства увеличивается ежегодно на десятки процентов. Однако себестоимость УДЧ остается очень высокой, что связано с недостаточной производительностью используемых способов их получения. Особенно это относится к металлическим УДЧ, стоимость производства которых в десятки раз выше, чем стоимость производства наиболее распространенных порошков оксидов металлов.

Наиболее успешно УДЧ металлов используются в качестве катализаторов химических реакций при производстве полимерных материалов, водородных топливных элементов, в автомобилестроении и медицине (адресная доставка лекарств, антимикробные составы и пр.), а также в качестве функциональных и барьерных покрытий.

При этом практически во всех методах, существующих сегодня, моменты получения УДЧ и их нанесения на функциональные поверхности разнесены во времени. Для того чтобы полученные УДЧ за это время не образовали агломераты, их хранят в виде суспензии в поверхностно-активных веществах (ПАВ). Отдельная, до конца не решенная проблема, — нанесение таких суспензий с обеспечением высокой адгезии частиц порошка к обрабатываемой поверхности.

Многостадийность процесса получения, необходимость использования ПАВ и их последующего удаления, относительно невысокая адгезия нанесенных таким образом частиц, приводящая к быстрой деградации получаемых слоев, существенно осложняют широкое внедрение УДЧ в производство.

В связи с этим актуальной является выбранная тема исследования, направленного на разработку новой относительно дешевой и высокопроизводительной технологии получения УДЧ металлов с прямым нанесением их на поверхность,

где они в дальнейшем будут использоваться.

Цель работы: разработка технологии прямого нанесения на подложку ультрадисперсных частиц, получаемых с помощью импульсного электромагнитного диспергирования материалов электродов, за счет воздействия на их поверхность энергии плазменного сгустка, перемещающегося вдоль их поверхности под действием собственного магнитного поля.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

1. Разработать способ диспергирования проводящих материалов;

2. Создать экспериментальную технологическую установку, реализующую данный способ;

3. Разработать метод расчета параметров элементов технологической установки с учетом сложной формы импульса протекающего по ним тока;

4. Разработать систему диагностики электромагнитных процессов в технологической системе;

5. Провести экспериментальные исследования морфологии поверхностей с нанесенными на них УДЧ;

6. Экспериментально определить связь режимов работы технологической установки с параметрами получаемых УДЧ.

Объектом исследования является процесс диспергирования проводящих материалов под действием импульсного разряда, перемещающегося по поверхности электродов, с одновременным нанесением получаемых УДЧ на подложку.

Методы исследования: математическое моделирование и натурный эксперимент.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Предложен способ получения ультрадисперсных частиц путем диспергирования материала электродов в мощном импульсном разряде, движущемся вдоль них под действием собственного магнитного поля. Предложенный способ

защищен патентом РФ на изобретение №2471884;

2. Предложен подход к описанию взаимодействия импульсов электромагнитного поля сложной формы с проводящими материалами, основанный на спектральном представлении импульсов и классической теории взаимодействия гармонического электромагнитного поля с веществом;

3. Предложен метод определения верхней оценки ширины спектра физического импульса произвольной формы, не требующий предварительного расчета спектра сигнала.

Практическая значимость полученных в работе результатов:

1. Разработана и создана экспериментальная технологическая установка для получения ультрадисперсных частиц металлов;

2. Показана возможность нанесения получаемых ультрадисперсных частиц напрямую на поверхности, где они в дальнейшем будут использоваться (в том числе — на полимерные материалы);

3. Определены режимы работы созданной установки, позволяющие использовать ее для улучшения адгезии полимерных материалов;

4. Показано, что с помощью разработанной установки можно наносить на поверхность твердополимерных мембран водородных топливных элементов ультрадисперсные частицы металлов размером порядка 10 нм, которые могут быть использованы как эффективные катализаторы протекающих на них химических реакций;

5. Предложен метод расчета сопротивления проводника при протекании по нему импульса тока произвольной формы;

6. Предложено математическое описание способа инициации разряда при атмосферном давлении за счет предварительной ионизации приэлектродных промежутков.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложен способ получения ультрадисперсных частиц путем диспергирования материала электродов в импульсном разряде, движущемся под дей-

ствием собственного магнитного поля, физическая реализация которого позволяет получить УДЧ металлов с размерами в диапазоне 10...500 нм;

2. Предложенный подход к описанию взаимодействия импульса электромагнитного поля сложной формы с проводящим материалом позволяет определить эффективную глубину проникновения такого импульса в материал;

3. Верхняя граница ширины спектра физического импульса произвольной формы длительностью Тр может быть определена без предварительного определения его частотных характеристик по выражению Да; < ¡1Р\т\<И/п^р

где /(£) — функция, описывающая импульс, а п £ (0; 1) — доля максимальной амплитуды спектра, значения ниже которой принимаются несущественными;

4. В созданной экспериментальной технологической установке инициация основного разряда с помощью системы предварительной ионизации разрядного промежутка происходит вследствие пробоя между расширяющимися областями нагретого газа.

Реализация результатов работы:

1. Результаты диссертационного исследования использованы в ходе НИОКР по проекту «Внедрение электроимпульсной технологии производства водородных топливных элементов», реализуемому ООО «Электроимпульсные технологии»;

2. Результаты диссертационного исследования использованы в учебном процессе СПбГЭТУ в рамках дисциплины «Технологии электромагнитной обработки металлов» при подготовке магистров кафедры электротехнологической и преобразовательной техники.

Апробация результатов исследования. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 64, 65 и 66 научно-технические конференции СПбГЭТУ (Санкт-Петербург, 2011, 2012, 2013), IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы электроники и связи» (Иркутск, 2010), 12 и 13 научной молодежной школе по твердотельной электронике «Физика и

технология микро- и наносистем», (Санкт-Петербург, 2009, 2010).

Публикации. Основные теоретические и практические результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах, в том числе:

— в 3 статьях, опубликованных ведущем рецензируемом издании, рекомендованном в действующем списке ВАК;

— в 4 тезисах докладов на научных конференциях;

— в 1 описании к патенту РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем диссертации 140 страниц. Диссертация содержит 60 рисунков и 4 таблицы.

10

Глава 1

Методы получения ультрадисперсных материалов. Современные представления о процессах в технологических системах с высоким удельным энерговкладом в вещество

Интерес к ультрадисперсным частицам и системам непрерывно растет, поскольку по мере их изучения выявляются все новые их т. и. «размерные свойства», неизвестные для макроскопических образцов. Ультрадисперсными называют частицы различных веществ, имеющие характерный размер менее 100 нм. Такие частицы, полученные в неравновесных условиях, содержат большое количество структурных дефектов: точечные дефекты, дислокации решетки, границы зерен, межфазные границы, которые, как считается, во многом и служат причиной наличия особых свойств и влияют на поверхностную энергию.

Размер частиц также может оказаться сопоставим с характеристическими параметрами, такими как длина свободного пробега электронов, размер магнитных доменов и т. п., что также может в данном случае сыграть важную роль [1]. Например, известно, что каталитическая активность платины в реакциях электроокисления водорода сильнее всего проявляется при размере частиц порядка 3 нм (рис. 1.1): при отклонении размеров частиц от оптимального происходит существенное снижение ионного тока [2]. Особые свойства УДЧ порож-

Рисунок 1.1 — Каталитические свойства частиц платины в зависимости от их размера [2]

дают потребность в них, поэтому с 1930-х годов развиваются различные методы их получения и диагностики.

1.1 Существующие методы получения ультрадисперсных частиц

Известные методы получения УДЧ можно условно разделить на «химические» и «физические». Состав и свойства получаемых УДЧ сильно различаются в зависимости от способа их получения. Это касается также и эволюции их свойств при эксплуатации. В целом существует около ста методов и их модификаций для получения разнообразных наноматериалов [3]. Основные отличия УДЧ, получаемых различными методами, проявляются в их размере, дисперсии размеров, морфологии. При этом универсального способа, позволяющего варьировать эти параметры в широких пределах, не существует.

1.1.1 Химические методы получения УДЧ

Химические методы получения УДЧ в основном представлены золь-гель технологией и различными видами осаждения материалов из газовой фазы. Эти методы хорошо изучены и широко распространены, однако присущие им технологические параметры (в первую очередь — температура процесса) не допускают их эффективное применение при синтезе каталитических слоев на полимерной основе.

1.1.1.1 Газофазный и плазмохимический синтез

Газофазный синтез (Physical Vapor Deposition — PVD) является самым простым химическим способом получения ультрадисперсных порошков. Суть способа состоит в том, что ультрадисперсные частицы образуются путем конденсации перенасыщенных паров металла, сплава или полупроводника вблизи

охлаждаемой поверхности в инертной газовой атмосфере низкого давления (до 2500 Па). На рис. 1.2 приведена общая схема процесса: 1 — испаряемый образец, 2 — нагреватель, 3 — термостатируемый корпус, 4 — сканирующий зону конденсации отборник проб для диагностики, 5 — охлаждающий агент (жидкий азот), 6 — подвод и откачка газа-носителя. Регулируя условия синтеза, такие

Рисунок 1.2 — Схема процесса газофазного синтеза УДЧ [3]

как состав и давление газа-носителя и распределение температуры на конденсирующей поверхности, данным способом получают кристаллические ультрадисперсные частицы с нормальным логарифмическим распределением размеров в диапазоне 2... 100 нм и более [4].

Отмечается, что сбор конденсированного порошка является самостоятельной сложной задачей, поскольку получаемые частицы не оседают под действием силы тяжести, оставаясь во взвешенном состоянии. Для сбора порошка применяются фильтры, центробежное осаждение и улавливание жидкой пленкой. Также сложной задачей является обеспечение нагрева материала до температуры испарения, составляющей для большинства металлов 1300...5900 К.

Существует разновидность газофазного синтеза, предполагающая применение в качестве газа-носителя газообразного вещества-прекурсора (например, металлорганических соединений). В этом случае в технологический процесс дополнительно вводят нагреваемый реактор, через который прокачивается смесь.

Это позволяет осуществлять химические превращения исходных веществ при температурах до 1800 К, получая порошки их соединений с продуктами распада газа. Указанная разновидность называется химическим парофазным синтезом (Chemical Vapor Deposition — CVD) и применяется для получения оксидов, карбидов и нитридов.

Еще одной широко известной разновидностью газофазного способа получения УДЧ является плазмохимический синтез (Plasma Enhanced CVD — PECVD). По сравнению с газофазным синтезом здесь дополнительно присутствует воздействие низкотемпературной плазмы на исходное вещество, приводящее к интенсификации химических реакций. Источником плазмы могут служить плаз-матроны различных конструкций, лазерное излучение, высокочастотный емкостной разряд. На рис. 1.3 приведен пример компоновки подобной системы. Здесь: 1 — источник питания, 2 — плазмотрон, 3 устройство ввода реагентов, 4 — реактор, 5 — теплообменник, 6 фильтр, 7 сборник порошка, 8 — дозатор реагентов, 9 испаритель, 10-12 приборы контроля атмосферы, 13 — система очистки газов, 14 скруббер (устройство очистки газа от примесей), 15 — ввод плазмообразующего газа, 16 — ввод газа-носителя, 17 вывод газов.

Рисунок 1.3

Пример реализации процесса PECVD [3]

Среди недостатков PECVD стоит отметить плохую контролируемость процесса вследствие быстрого протекания реакции (10~3...10~б с), а также наличие примесей материала электродов в получаемом продукте [5].

1.1.1.2 Технология «золь-гель»

Синтез ультрадисперсных частиц по технологии «золь-гель» (Sol-gel) представляет собой процесс, проводимый в три стадии: получение золя, перевод его в гель и последующее удаление дисперсионной фазы. Золь представляет собой коллоидную систему, состоящую, по крайней мере, их двух фаз: непрерывной (т. н. дисперсионной), в объеме которой распределена в виде капель, пузырьков или твердых частиц дисперсная. Гель получают посредством снижения каким-либо способом концентрации жидкой дисперсионной фазы до того момента, когда частицы дисперсной фазы начнут образовывать пространственно-связную структуру, объединяясь под действием сил межмолекулярного взаимодействия (сил Ван-дер-Ваальса).

При окончательном удалении дисперсионной фазы, в зависимости от условий, получают гранулы дисперсной фазы в виде ксерогеля, аэрогеля или отдельных частиц. При определенных условиях гранулы получаются в виде полых сфер. На рис. 1.4 наглядно показаны возможные пути проведения синтеза. По описанной технологии получают в основном гранулы оксидов и нитридов металлов. В частности, сырье для керамики на основе ксерогелей, высокоплотные сферические гранулы оксида урана для тепловыделяющих сборок, теплоизолирующие материалы на основе аэрогелей [6]. В работе [7] сообщается о получении на основе композиции Ni-Co-О аэрогеля с диаметром пор 3...5 нм в качестве материала для суперконденсаторов.

Основным недостатком технологии «золь-гель» является низкая повторяемость результата, возникающая из-за необходимости тщательного воспроизведения условий синтеза как золя, так и геля. Промышленное внедрение сдерживается также низким выходом продукта, большой длительностью процессов,

ооооооо 0000000 ооооооо ооооооо ооооооо

Однородные частицы

о°о° ° О°о°0о 00 0°0

Золь

Выпаривание, спекание

Удаление непр. фазы

Гель

Аэрогель

Выпаривание непр. фазы

Спекание

Волокна

Ксерогель Спекание

Пленки: Сенсорные Катализаторы Сплошная Диэлектрики пленка Барьерные

Сплошная керамика

Рисунок 1.4 — Примеры путей синтеза по технологии «золь-гель» [6]

стоимостью и высокой токсичностью исходных реагентов. Важную роль играет старение (усадка и растрескивание) получаемых объемных структур.

Основная часть широко используемых сегодня химических способов, предусматривает «сборку» частиц из отдельных атомов. В результате такой сборки образуются фрактальные кристаллические частицы [8]. Присущие таким частицам структурные дефекты приводят к достаточно быстрой деградации их свойств в процессе использования.

1.1.2 Физические методы получения УДЧ

Физические методы получения УДЧ в отличие от химических подразумевают диспергирование конденсированного вещества при подведении к нему энергии с высокой плотностью. Известны реализации такого подхода с использованием механической энергии (прямой размол в мельницах [9, 10], ультразвуковое диспергирование в условиях устойчивой кавитации [11], диспергирование мишени под воздействием электронных и ионных пучков), энергии электромагнитного поля, преобразованной в тепловую (лазерная абляция мишени, элек-

трический взрыв проводников, диспергирование электродов в плазме разряда). Размер и свойства получаемых УДЧ напрямую зависит от плотности мощности, подводимой к диспергируемому веществу, поэтому наиболее эффективными являются те способы, где используется интенсивные потоки электромагнитной энергии [12].

С середины 1980-х годов особое развитие получают физические методы получения УДЧ, основанные на использовании эффекта неустойчивости Рэлея для жидкой заряженной капли. Суть этого эффекта состоит в том, что при выполнении условия, связывающего силу поверхностного натяжения капли и ее заряд, от нее под действием кулоновской силы отделяется дочерняя капля, также имеющая заряд (рис. 1.5). Как показано в [13], для дочерней капли выполняются те же условия неустойчивости, вследствие чего процесс деления принимает каскадный характер. Численные расчеты, проделанные в этой рабо-

Рисунок 1.5 — Деление жидкой капли при реализации условия рэлеевской неустойчивости

те, показали, что размер вторичных дочерних капель на 1...3 порядка меньше размера исходной капли. Т. е., для получения УДЧ изначально необходимо получить заряженные капли металла размером порядка 1 мкм. В противном случае приходится существенно (в разы) увеличивать расстояние до подложки, либо начальный заряд. Это условие требует, чтобы область расплава, из которого образуется капля, была соизмерима с размером самой капли, что в свою очередь влечет ограничения на длительность процесса плавления и необходимую плотность мощности: не менее 108 Вт/см2.

Важным свойством УДЧ, получаемых физическими способами, является

[13]

их преимущественно аморфная структура, т. е., фиксация неравновесного состояния, возникшего в импульсном процессе синтеза («закалка»). Вследствие этого они имеют более высокую поверхностную энергию и более устойчивы к деградации в процессе использования.

1.1.2.1 Электрический взрыв проводников

Электрический взрыв проводников (ЭВП) — один из наиболее простых, широко применяемых и изученных физических методов получения УДЧ [14]. Он подразумевает подведение к тонкой металлической проволочке импульса тока с высокой мгновенной мощностью, в результате чего происходит ее испарение и образование плазменного облака. Под действием высокого внутреннего давления это облако расширяется и охлаждается, соприкасаясь с атмосферой. Ультрадисперсные частицы образуются в процессе конденсации вещества облака. Существуют разновидности способа ЭВП, где в качестве среды, в которой происходит процесс, используются жидкости (в частности, деионизованная вода [15]). При этом удается избежать окисления получаемых частиц, не прибегая к использованию вакуумных систем. Также такой подход позволяет помещать УДЧ в матрицу из ПАВ, препятствующую агломерации, непосредственно в процессе синтеза. Типичная схема установки, реализующей способ ЭВП в жидкости, приведена на рис. 1.6. Основной недостаток метода ЭВП па сегодня — низкая технологичность, ведущая к нестабильности качества получаемых УДЧ.

Подающий ролик Высоковольтный

Рисунок 1.6 — Схема процесса получения УДЧ путем ЭВП [15]

1.1.2.2 Диспергирование при помощи вакуумного дугового разряда

Известны разновидности технологий получения УДЧ в плазме вакуумного дугового разряда (ВДР) в режиме с интегрально-холодным катодом [8, 16]. Например, в [8] описаны условия для деления капель, которым сообщается электрический заряд в плазме разряда: приведены соотношения, связывающие параметры плазмы и технологической установки (рис. 1.7, а), при которых размеры капель, получающихся в результате каскадного деления, будут лежать в заданном диапазоне. На рис. 1.7, б показаны: 1 — катод, 2 — анод, 3 — источник питания, 4 — магнитная система, 5-9 — слой расплавленного материала, 10 — плазма катодного пятна, 11 — макрокапли, 8 наночастицы. Этот способ позволяет получить УДЧ в больших количествах, но энергия падающего на подложку потока частиц оказывается весьма большой. В результате нанесение тонкого слоя УДЧ па легко подвергающийся термодеструкции носитель оказывается затруднительным. Помимо этого, не всякий материал подложки можно помещать в вакуум.

г г

К вакуумном}

насосг

« • • • • • • • • •

\

14 10 II

(а)

{б)

Рисунок 1.7 — Схема получения УДЧ в плазме вакуумного дугового разряда [16]

1.1.2.3 Диспергирование под действием импульсного лазерного излучения

С увеличением интереса к покрытиям из УДЧ на поверхности полимеров стали появляться и более современные методы их получения. Например, известен относительно новый метод лазерного электродиспергирования (ЛЭД) металлов [17], предполагающий облучение мишени импульсным лазером с плотностью мощности порядка 109 Вт/см2 (рис. 1.8), вследствие чего происходит расплавление ее поверхностного слоя. Расплавленное вещество подвергается давлению плазмы, образовавшейся вследствие оптического пробоя, и с поверхности мишени происходит отрыв капель, которые, проходя через зону плазмы, приобретают заряд. При некоторой критической величине приобретенного заряда начинается процесс каскадного деления капель, обусловленный явлением капиллярной (рэлеевской) неустойчивости жидкой капли. Каскадное деление капель продолжается до тех пор, пока они сохраняют заряд, достаточный для выполнения условия неустойчивости: кулоновская сила расталкивания превышает силу поверхностного натяжения капли [18]. Авторы сообщают о получении капель металла размером 2 им. Отдельно подчеркивается, что получаемые капли имеют аморфную структуру, что положительно сказывается на их каталитических свойствах: в работе [19] сообщается, что монослой таких частиц имеет на 3 порядка более высокую активность по сравнению с частицами, полученными с помощью традиционных методов нанесения. Там же отмечается их высокая химическая стабильность. Среди недостатков описанного метода следует отметить то, что разброс размеров получаемых капель оказывается весьма высоким. Это обусловлено снижением заряда капель в процессе деления до уровней, ниже которых перестает выполняться условие неустойчивости. Для компенсации указанного недостатка авторы предложили способ поддержания процесса каскадного деления капель, пропуская их через поток электронов [20]. Схема устройства, реализующего данный подход, приведена на рис. 1.9. Несмотря на высокое

M ишеиь

- -MiiKpoKaiLfU

L

. Нанйчаепшы

Подложка

Рисунок 1.8 Получение покрытия из УДЧ методой лазерного электродиспергирования [17]

качество получаемых УДЧ: промышленное внедрение метода осложняется его крайне низкой производительностью, которая в совокупности с необходимостью в дорогостоящем вакуумном и лазерном оборудовании делает его экономически неэффективным. Аналогичными недостатками обладают системы, которые для получения капель материала вместо лазерного изучения используют электронный луч или ионный пучок [21, 22].

Accelerating elect rock

Subs! l'aie —

О • •

U,

Daughter -4—— drops

Рисунок 1.9 — Устройство каскадного деления капель в потоке электронов [20]

1.1.2.4 Электрогидродинамическое диспергирование

Некоторой альтернативой ЛЭД, позволяющей отказаться от использования сложного лазерного оборудования, является электрогидродинамическое диспергирование [23]. Этот метод является развитием широко известного подхода к электродиспергированию проводящих жидкостей. В его основе лежит рас-

плавление острия тонкого стержня в сфокусированном на нем потоке электронов, ускоренных напряжением, приложенным между катодом и стержнем (рис. 1.10). Под действием электрического поля с расплавленного острия срываются капли материала и, ускоряясь, попадают на подложку. Особенностью данного метода является поддержание заряженного состояния капель в течение всего времени движения, поскольку их траектория проходит через поток электронов. Это приводит к сохранению условий, необходимых для их деления до заданного размера.

Рисунок 1.10 — Схема процесса электрогидродинамического диспергирования острия электрода [23]

1.1.2.5 Общая характеристика физических методов получения УДЧ

Анализ существующих методов получения УДЧ выявляет в каждом из них недостатки, препятствующие применению в промышленных масштабах: необходимость в сложном и дорогостоящем вакуумном оборудовании, технологических лазерах, низкой производительности, большой энергии капель. Другой важной проблемой, возникающей при синтезе покрытий с размером частиц менее 50... 100 нм для создания каталитических слоев на подложках, является нанесение полученных порошков [24]. Частицы размером менее 100 нм склонны к быстрой агломерации, вследствие чего во время или сразу после синтеза их помещают для хранения в различные растворители, содержащие поверхностно-

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Самсонов, Дмитрий Сергеевич, 2014 год

Список литературы

1. Ivanov Y. F., Osmonoliev M. N., Sedoi V. S. Productions of Ultra-Fine Powders and Their Use in High Energetic Compositions // Propellants, Explosives, Pyrotechnics. 2003. Vol. 28, no. 6. P. 319-333.

2. Мошников В. А., Теруков E. И. Основы водородной энергетики. СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. 288 с.

3. Минько Н. И., Строкова В. В., Жерновский И. В., Нарцев В. М. Методы получения и свойства нанообъектов. М.: Флинта, 2009. 168 с.

4. Гусев А. И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства. Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 200 с.

5. Беляков А. В. Методы получения неорганических неметаллических наноча-стиц. М.: РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2003. 80 с.

6. Brinker С. J., Scherer G. W. Sol-gel science: the physics and chemistry of sol-gel processing. Boston: Academic Press, 1990. 908 p.

7. Wei Т., Chen C., Chien H., HuA S. L. C. Cost-Effective Supecapacitor Material of Ultrahigh Specific Capacitances: Spinel Nickel Cobaltite Aerogels from an Epoxide-Driven Sol-Gel Process // Adv. Mater. 2010. Vol. 22. P. 347-351.

8. Пат. 2380195 РФ, МПК7 B22F 9/14, B82B 3/00, C23C 4/00. Способ получения осажденных на носителе наночастиц металла или полупроводника / Карпов Д. А., Литуновский В. Н. Опубл. 27.01.2010. Бюл. №3.

9. Shigehiro К., Terufumi М. Silicon Carbide dispersion strengthening of magnesium using mechanical alloying method // Materials Trans. 2008. Vol. 49, no. 2. P. 304-309.

10. Черник Г., Фокина Е., Будим Н. и др. Измельчение и механическое легирование в планетарных мельницах // Наноиндустрия. 2008. № 5. С. 304-309.

11. Гончаров В. Д., Новик А. А. Применение технологического ультразвука для производства ультрадисперсных материалов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 5. С. 98-103.

12. Мазанко В. Ф., Покоев А. В., Миронов В. М. и др. Диффузионные процессы в металлах под действием магнитных полей и импульсных деформаций: в 2-х т. М.: Машиностроение, 2006. Т. 2. 323 с.

13. Григорьев А. И., Ширяева С. О. Закономерности рэлеевского распада заряженной капли // ЖТФ. 1991. Т. 61, № 3. С. 19-28.

14. Электрический взрыв проводников / Под ред. А. А. Рухадзе, И. С. Шпигеля. М.: Мир, 1965. 360 с.

15. Cho С. Н., Park S. Н., Choi Y. W., Kim В. G. Production of nanopowders by wire explosion in liquid media // Surface & Coating Technology. 2007. Vol. 201. P. 4847-4849.

16. Барченко В. Т., Гончаров В. Д., Лисенков А. А., Сабуров И. В. Вакуумный метод получения порошков // Вакуумная техника и технология. 2009. Т. 19, № 2. С. 77-80.

17. Kozhevin V. М., Yavsin D. A., Kouznetsov V. М. et al. Granulated metal nanos-tructure deposited by laser ablation accompanied by cascade drop fission //J. Vac. Sci. Technol. 2000. Vol. 18. P. 1402-1405.

18. Григорьев А. И., Ширяева С. О., Коромыслов А. В. Капиллярные колебания и устойчивость заряженной вязкой капли в вязкой диэлектрической среде // ЖТФ. 1998. Т. 68, № 9. С. 1-8.

19. Gurevich S. A., Yassievich I. N., Kozhevin V. M. et al. Catalytic Properties of High-Density Monodispersive Metal Nanostructures // MRS Proceedings. Vol. 806. 2003.-1.

20. Горохов M. В., Кожевин В. M., Явсин Д. А. и др. Получение структур из аморфных металлических наночастиц диспергированием металлических капель, непрерывно заряжаемых в потоке электронов // ЖТФ. 2012. Т. 82, № 6. С. 135-141.

21. Корчагин А. И. Электронно-лучевая технология получения нанодисперс-ных порошков диоксида кремния при атмосферном давлении: дис. ... д-ра техн. наук / Томский политехи, ун-т. 2004.

22. Ремнев Г. Е., Закутаев А. Н., др. Ю. Ф. И. и. Получение ультрадисперсных порошков при распылении мишени мощным ионным пучком наносекундной длительности // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26, № 23. С. 24-29.

23. Горохов М. В., Кожевин В. М., Явсин Д. А., Гуревич С. А. Электрогидродинамическое диспергирование металлов с использованием электронно-лучевого нагрева // ЖТФ. 2008. Т. 78, № 9. С. 46-51.

24. Погребняк А. Д., Ильяшенко М. В., Кульментьева О. П. и др. Структура и свойства твердого сплава, нанесенного на медную подложку с помощью импульсно-плазменной технологии // ЖТФ. 2001. Т. 71, № 7. С. 111-118.

25. Блум X. Схемотехника и применение мощных импульсных устройств. М.: Додэка-ХХ1, 2008. 352 с.

26. Опре В. М. Генерирование мощных импульсов тока регулируемой длительности // Силовая электроника. 2008. № 2. С. 106-109.

27. Моругин JI. А., Глебович Г. В. Наносекундная импульсная техника. М.: Сов. радио, 1964. 623 с.

28. Опре В. М. Генераторы прямоугольных импульсов тока на основе искусственных линий // Силовая электроника. 2008. № 1. С. 56-61.

29. Опре В. М. Генерирование мощных импульсов тока регулируемой формы // Силовая электроника. 2008. № 3. С. 66-69.

30. Long G. С. Railgun Current Density Distributions // IEEE Trans, on Magnetics. 1986. Vol. MAG-22, no. 6. P. 1597-1602.

31. Zhou Y., Yan P., Yuan W. Q. et al. Current distribution and inductance gradient calculation at different rail geometric parameters // IEEE Pulsed Power Conf. 2009. P. 1290-1293.

32. Kerrisk J. Electrical and thermal modelling of raiguns // IEEE Trans, on Magnetics. 1984. Vol. MAG-20, no. 2. P. 399-402.

33. Панин В. В., Степанов Б. М. Измерение импульсных магнитных и электрических полей. М.: Энергоатомиздат, 1987. 120 с.

34. Куракин Р. О., Жуков Б. Г., Розов С. И., Сахаров В. А. Гиперскоростные электромагнитные метатели твердых тел лабораторного масштаба: опыт создания и использование в научных исследованиях // Фундаментальные проблемы высокоскоростных течений: материалы междун. науч. конф. Николаев: 2004. С. 1290-1293.

35. Рельсовые электромагнитные ускорители твердых тел. Достижения. Проблемы. Перспективы., Под ред. Г. А. Швецова, А. Г. А. и. др. Новосибирск: Изд-во ин-та гидродинамики, 2004. С. 282-304.

36. Минько JI. Я. Получение и исследование импульсных плазменных потоков. Минск: Наука и техника, 1970. 184 с.

37. Meger R. A., Cooper К., Jones Н. et al. Analysis of rail surfaces from a multishot railgun // IEEE Trans, on Magnetics. 2005. Vol. 41, no. 1. P. 211-213.

38. Жуков Б. Г., Резников Б. И., Куракин Р. О., Розов С. И. Влияние плотности газа на движение свободного плазменного поршня в канале плазмотрона // ЖТФ. 2007. Т. 77, № 7. С. 43-49.

39. Пат. 2388192 РФ, МПК7 Н05Н 1/00, G01N 27/00. Способ нагрева катода и зажигания дугового разряда с металлической проволочкой между электродами / Кузьмин Р. Н., Мискинова Н. А., Швилкин Б. Н. Опубл. 27.04.2010. Бюл. №12.

40. Taylor M. J. Interruption of the explosion of plasma initiator wires // Electromagnetic Launch Technology. 12th Symposium on. 2004. P. 312-317.

41. Фролов В. Я. Электротехнологические промышленные установки: учеб. пособие. СПб: Изд-во политехи, ун-та, 2010. 752 с.

42. Гончаров В. Д., Смирнов А. Б. Использование высоковольтных ионизирующих импульсов напряжения для улучшения характеристик электротехнологических газоразрядных приборов // Источники питания с высокими технико-экономическими показателями: тез. докл. всес. конф. М.: 1983. С. 24-25.

43. Королев Ю. Д., Месяц Г. А. Физика импульсного пробоя в газах. М.: Наука, 1991. 224 с.

44. Фискин Е. М. Использование модулрованного тлеющего разряда в электротехнологии. Иркутск: ИрГТУ, 2000. 84 с.

45. Райзер Ю. П. Физика газового разряда: учеб. руководство для вузов. М.: Наука, 1992. 536 с.

46. Браун С. Элементарные процессы в плазме газового разряда. М.: Атомиз-дат, 1961. 216 с.

47. Велихов Е. П., Голубев В. С., Пашкин С. В. Тлеющий разряд в потоке газа // УФН. 1982. Т. 137, № 1. С. 117-150.

48. Лисовский В. А. Определение коэффициентов переноса электронов в аргоне из кривых зажигания ВЧ и комбинированных разрядов низкого давления // Письма в ЖТФ. 1998. Т. 24, № 8. С. 49-55.

49. Kortshagen U. Electron and ion distribution function in RF and microwave plasmas // Plasma sources Science and Technology. 1995. T. 4, № 2. C. 172-182.

50. Биберман Л. M., Воробьев В. С., Якубов И. Т. Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы. М.: Наука, 1982. 376 с.

51. Дресвин С. В., Донской А. В., Гольдфарб В. М., Клубникин В. С. Физика и техника низкотемпературной плазмы. М.: Атомиздат, 1972. 352 с.

52. Yamori A., Ono Y., Sasaki S. Development of a plasma armature railgun with two distributed power supplies // Electromagnetic Launch Technology. 12th Symposium on. 2004. P. 149-154.

53. Слухоцкий A. E., Рыскин С. E. Индукторы для индукционного нагрева. Л.: Энергия, 1974. 264 с.

54. Кузнецов Ю. В., Баев А. Б. Спектральный и временной анализ импульсных и периодических сигналов. М.: Изд-во МАИ, 2007. 95 с.

55. Раушер К., Йансен Ф., Минихольд Р. Основы спектрального анализа. М.: Горячая линия-Телеком, 2006. 224 с.

56. Анго А. Математика для электро- и радиоинженеров. М.: Наука, 1965. 780 с.

57. Грановский В. Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971. 544 с.

58. Джексон Д. Классическая электродинамика. М.: Мир, 1965. 702 с.

59. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М.: Изд-во иностр. лит., 1963. 702 с.

60. Фрюнгель Ф. Импульсная техника. М.: Энергия, 1965. 488 с.

61. Импульсный разряд в диэлектриках / Под ред. Г. А. Месяца. Новосибирск: Наука, 1985. 162 с.

62. Барсуков В. И. Атомный спектральный анализ. М.: Машиностроение, 2005. 132 с.

63. Moaveni S. Finite Element Analysis Theory and Application with ANSYS. Prentice Hall, 2008. 880 p.

64. Чигарев А. В., Кравчук А. С., Смалюк А. Ф. ANSYS для инженеров. М.: Машиностроение, 2004. 512 с.

65. Шимони К. Теоретическая электротехника. М.: Мир, 1964. 773 с.

66. Капцов Н. А. Электрические явления в газах и вакууме. М.: Гос. изд-во технико-теоретической лит-ры, 1947. 808 с.

67. Шампайн JI. Ф., Гладвел И., Томпсон С. Решение обыкновенных дифференциальных уравнений с использованием MATLAB. М.: Лань, 2009. 304 с.

68. Новгородцев А. Б. Расчет электрических цепей в MATLAB. СПб: Питер, 2004. 250 с.

69. Блинов А. П., Полтанов А. Е., Дегтев Ю. Г. и др. О возможности использования рельсотронных дуг для очистки металлических поверхностей / / ТВТ. 2004. № 4. С. 635-639.

70. Пат. 2471884 РФ, МПК7 С23С 14/24. Способ обработки поверхности материалов и устройство для его осуществления / Гончаров В. Д., Самсонов Д. С., Фискин Е. М. Опубл. 10.01.2013. Бюл. №1.

71. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Атомно-силовая микроскопия для нанотех-нологии и диагностики. СПб: Изд-во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2009. 80 с.

72. Забродский А. Г. Физика, микро- и нанотехнологии портативных топливных элементов // УФН. 2006. Т. 176, № 4. С. 444-449.

73. Гончаров В. Д., Самсонов Д. С., Грачева И. Е. и др. Технология повышения адгезии полимерных материалов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. № 9. С. 81-88.

74. Берлин А. А., Басин В. Е. Основы адгезии полимеров. М.: Химия, 1969. 320 с.

75. Вакула В. Л., Притыкин Л. М. Физическая химия адгезии полимеров. М.: Химия, 1984. 224 с.

76. Головятинский С. А. Модификация поверхности полимеров импульсной плазмой атмосферного давления // Вестник Харьк. ун-та. 2004. № 628. С. 80-86.

77. Гончаров В. Д., Фискин Е. М., Фискина М. М. Тлеющий разряд в электротехнологии. Иркутск: Изд-во ИПИ, 2003. 156 с.

78. Матханов П. Н., Гоголицын Л. 3. Расчет импульсных трансформаторов. Л.: Энергия, 1980. 112 с.

79. Ицхоки Я. С. Импульсная техника. М.: Сов. радио, 1949. 296 с.

80. Боровик Е. С., Мильнер А. С. Лекции по ферромагнетизму. Харьков: Изд-во Харьк. ун-та, 1960. 235 с.

81. Chan J. Н., Vladimirescu A., Gao Х.-С. et al. Nonlinear Transformer Model for Circuit Simulation // Trans, on computer-aided design. 1991. Vol. 10, no. 4. P. 476-482.

82. Корицкий Ю. В., Пасынков В. В., Тареев Б. М. Справочник по электротехническим материалам. Л.: Энергоатомиздат, 1988. Т. 3. 728 с.

83. Калантаров П. Л., Цейтлин Л. А. Расчет индуктивностей. М.: Энергоатомиздат, 1986. 488 с.

116