Меню Рубрики

Установки для производства нанопорошков

Оборудование для синтеза нанопорошков

Нанопорошок — твердое порошкообразное вещество искусственного происхождения, содержащее нанообъекты, агрегаты или агломераты нанообъектов либо их смесь. Сейчас нанопорошки широко и активно применяются в различных областях человеческой деятельности. Одним из распространённых и эффективных методов синтеза нанопорошков является метод электрического взрыва проводника (ЭВП).

Электрическим взрывом проводника называют явление взрывообразного разрушения металлического проводника при прохождении через него сверх короткого импульса тока очень большой плотности. Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы металла. В образующихся частицах закладываются размерные, структурные, фазовые, дефектные и другие энергетически насыщенные состояния, которые обуславливают специфические свойства конечного продукта.

Получаемые в результате электрического взрыва частицы при определенных условиях могут взаимодействовать с атмосферой, создаваемой внутри реактора, образуя различные химические соединения В зависимости от состава атмосферы внутри реактора можно получать порошки металлов, сплавов, химических соединений и композиционных составов.

Преимущества метода ЭВП.

Метод электрического взрыва обладает рядом принципиальных преимуществ по сравнению с другими методами синтеза наноразмерных порошков. Из преимуществ метода можно отметить следующие:

  • Возможность получения частиц сферической формы, имеющие очень высокое содержание дислокаций (дефектов кристаллической/металлической решетки) и запасенной внутренней энергии, что существенно повышает химический потенциал и обуславливает высокую физико-химическую активность частиц.
  • При применении технологии электрического взрыва проводника энергия вводится в металл импульсно и объёмно, расход энергии на нагрев окружающей среды относительно невелик; благодаря этой особенности энергозатраты метода электрического взрыва значительно ниже в сравнении с другими физическими методами.
  • Метод допускает тонкое и гибкое управление параметрами технологического процесса и, соответственно, свойствами получаемых нанопорошков.
  • Метод позволяет получать широкую гамму нанопорошков различных металлов и сплавов, которые могут быть изготовлены в виде проволоки или фольги. В некоторых случаях возможно использование метода со струями расплавленного металла.

Продукция, доступная к получению методом ЭВП.

Наша технология, основанная на технологии электрического взрыва проводника (ЭВП технология), позволяет получать широкий спектр нанопорошков металлов, их производных (оксидов, нитридов, сульфидов), интерметаллических соединений и, в дальнейшем, продуктов их модификации – нановолокон и других наноструктурированных объектов.

Нанопорошки, полученные по технологии ЭВП, характеризуются следующими полезными свойствами по сравнению с нанопорошками, произведенными с помощью других технологий:

  • Низкая температура спекания (например, порошок серебра спекается при температуре около 700 0 С, а порошок вольфрама — при температуре около 400 0 С);
  • Стабильность электрофизических свойств в области низких температур;
  • Аномально высокое значение коэффициента поглощения электромагнитного излучения в широком диапазоне частот;
  • Наличие избыточной (запасенной) энергии;
  • Способность легко образовывать различные интерметаллические соединения (даже такие, как W-Al), чего невозможно достичь прямым сплавлением, металлические композиты (например состава Cu-Al2O3). Эта особенность позволяет использовать нанопорошки в качестве инициаторов спекания металлов, керамик и ряда других материалов.

Основные типы и характеристики продукции:

Площадь удельной поверхности

Нанопорошки металлов и сплавов

Al, W, Fe, Cu, Mo, Ni, Ag, Ti, Zn, Cu-Zn, Ni-Cr, и т. д.

Нанопорошки оксидов металлов

Нанопорошки нитридов, карбидов и других производных металлов

Нановолокна соединений алюминия

Диаметр волокон – 10-15 нм, длина -до 500 нм

Области использования нанопорошков

  • Газопоглотители и катоды газоразрядных ламп.
  • Компоненты топлив, пиротехнических составов и взрывчатых веществ.
  • Тепловыделяющие элементы, генераторы водорода и других газов.
  • Катализаторы и реагенты в тонком и промышленном химическом синтезе.
  • Применение нанопорошков повышает характеристики сверхпрочных высокоплотных материалов (например W-Ni-Fe); специальных композиционных материалов (например магнитных — Nd-Fe-B, сверхпроводников — Ba-Cu-O, Ba-Fe-O); улучшают механические свойства резин и полимеров.
  • Электро- и тепло проводящие полимеры, пасты, краски.
  • Консистентные смазки. Присадки к маслам.
  • Производство полировочных паст, полудрагоценных камней.
  • Очистка воды, водных растворов, других жидкостей и газов. Фильтрующие материалы на основе нановолокон. Модификация фильтрующих материалов и мембран.
  • Нано в медицине: транспорт лекарств; новые лекарственные препараты на основе нанопорошков для противоопухолевой терапии; заживления ожогов и ран.
  • Наночастицы многих материалов (например, серебра, меди) обладают сильным обеззараживающим эффектом. Выпуск материалов, красок, лаков, покрытий, обладающих обеззараживающими свойствами.
  • Распыляемые катоды и электроконтактные материалы.
  • Компоненты припоев с низкой температурой пайки и высокой температурой распайки для соединения разнородных материалов (стекло – металл; полупроводник – металл; драгоценные камни – металл и др.).
  • Композиционные пасты для нанесения функциональных металлических слоев, например, для преобразователей солнечной энергии.
  • Кластерные и магнитные жидкости. Охлаждающие жидкости.

Оборудование

Полный комплекс оборудования, необходимый для синтеза нанопорошков, включает в себя следующий набор оборудования: непосредственно установки для синтеза нанопорошков,электрический блок формирования и управления зарядом, перчаточные боксы для работы в инертной атмосфере, газобалонное / вакуумное оборудование, упаковочное оборудование и пр.

Производительность одной установки синтеза нанопорошков зависит от ряда факторов, основными из которых являются природа металла (в первую очередь его плотность), диаметр вводимой в процесс проволоки и размер (активность) получаемых наночастиц. Среднюю производительность одной установки можно оценить, как 120 г/час для Al / Ti / Mg, 220 г/час для Ni, Co, 340 г/час для W, Cu, Ag и т. д. Метод позволяет свободно масштабировать производство; в настоящий момент запущены комплексы, производящие до 10 тонн нанопорошка в год.

Читайте также:  Установка зубных протезов при полном отсутствии зубов

Каждая установка позволяет осуществлять синтез широкого спектра нанопорошков металлов, оксидов металлов, химических соединений Установка синтеза нанорошка является универсальной; для того, чтобы запустить синтез нового типа порошка достаточно произвести чистку реактора и заменить некоторые стандартные компоненты.

Комплекс синтеза нанопорошков работает при высоком напряжении 25-40 кВ, а производимые порошки являются пожароопасными. С этим связаны особые требования к подготовке помещений и рабочих зон для размещения производства нанопорошков. Установки для ЭВП должны размещаться в шумоизолированных хорошо заземленных боксах с хорошей вентиляцией. Кроме того, требуется установка электромагнитной защиты в системе электроснабжения, для защиты от скачков напряжения. Помещения для работы и хранения нанопорошков металлов должны быть оснащены системой пожарной сигнализации и специальной системой пожаротушения, посткольку эти материалы пожароопасны.

Компания ООО Ростовые технологии предлагает к поставке и запуску в эксплуатацию комплексов оборудования для синтеза нанопорошков заданных типов с требуемой производительностью. Перечень предлагаемых услуг включает в себя следующее:

  • Разработка комплекса оборудования для синтеза нанопорошков требуемой производительности
  • Формирование проекта необходимых инженерных решений и содействие в подготовке помещений заказчика для размещения производства нанопорошков.
  • Изготовление, поставка и запуск оборудования для синтеза нанопорошков.
  • Поставка и запуск комплекса сопутствующего оборудования.
  • Разработка технологических режимов для синтеза нанопорошков заданных типов и с заданными параметрами.
  • Обучение персонала заказчика работе с комплексом и регламентированному техническому обслуживанию установок.
  • Последующее снабжение запасными частями и расходными материалами.

Галерея изображений

Нанопоошок Al, средний размер частиц — 90 нм.

Нанопорошок W, средний размер частиц — 150 нм.

источник

Установки для производства нанопорошков

С веществом в виде порошков мы встречаемся очень часто и в быту, и в производственной деятельности. Обычно мы имеем дело с порошками, у которых размеры частиц составляют десятки и сотни микрон. Даже в порошковой металлургии используются в основном порошки с частицами размером более 10 мкм.

Поскольку вещество, при переходе от грубодисперсного состояния к состоянию с размером частиц менее 100 нм, резко изменяет ряд своих фундаментальных свойств, то для обозначения этого отличия, в середине 70-х годов прошлого века, в СССР был предложен термин ультрадисперсные порошки (УДП). В настоящее время, на Западе и у нас, для обозначения подобных сред используется термин нанопорошки (НП).

Зачем нужны нанопорошки?

Интерес к нанодисперсным материалам связан с тем, что они находят все более широкое применение в качестве исходного сырья при производстве керамических и композиционных материалов, сверхпроводников, солнечных батарей, фильтров, геттеров, присадок к смазочным материалам, красящих и магнитных пигментов, компонентов низкотемпературных высокопрочных припоев и др. По мере выполнения фундаментальных и прикладных исследований этот перечень быстро расширяется. Многие из применений уже реализованы, другие находятся на стадии разработки, но большая часть возможных применений НП остается пока не тронутой. Основные достижения и, особенно, перспективы использования НП, связаны с отработкой технологии получения порошков с «особыми» свойствами, например, такими как:

  • очень низкие температуры спекания 10 А/м 2 ). Явление это сопровождается яркой вспышкой света, резким звуком, ударной волной, распространяющейся в окружающей проводник среде. Продуктами разрушения проводника являются пары и мельчайшие частицы металла, которые в определенных условиях могут взаимодействовать с окружающей средой, образуя различные химические соединения. Например, соединение XePtF 6 впервые синтезировано при ЭВП [1].

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

На рисунке выше можно видеть этапы развития электрического взрыва проводника: 1 — пробой с электрода на проволочку; 2 — образование плазменного шнура; 3 — его расширение; 4 — разлёт расширяющихся продуктов взрыва. Наведите курсор на рисунок, чтобы увидеть этот процесс в виде анимированного ролика.

Наиболее просто ЭВП осуществить в LC-контуре по схеме, показанной на следующем рисунке. Емкостной накопитель энергии C заряжается от источника энергии до напряжения U 0 и с помощью разрядника (GAP) коммутируется на взрываемый проводник (WE). Основную информацию о процессе взрыва получают из осциллограмм тока и напряжения. Их анализ позволяет выявить отдельные стадии ЭВП.

При замыкании цепи разрядником (GAP) ток вначале определяется волновым сопротивлением контура, так как сопротивление проводника очень мало. Поглощая энергию, проводник нагревается, плавится (небольшой скачок на осциллограмме напряжения) и дальше нагревается в жидком состоянии до момента t 1 . С этого момента проводник начинает бурно расширяться по объему, теряет металлическую проводимость, его сопротивление быстро возрастает на несколько порядков, а ток в контуре уменьшается.

В момент t 2 ток в цепи прекращается и наступает пауза тока. Напряжение конденсатора во время паузы приложено к продуктам взрыва, которые расширяются, уменьшая свою плотность с течением времени.

В момент t 3 происходит пробой продуктов взрыва и наступает дуговая стадия или вторичный разряд. Если же остаточное напряжение на конденсаторе мало или равно нулю, то дуговая стадия не возникает. В зависимости от условий взрыва стадия паузы тока может отсутствовать, пробой происходит в момент t 2 или раньше.

Читайте также:  Установка подогрев сидений мерседес

Более подробную информацию о ЭВП и его применении в электрофизических установках можно почерпнуть в литературе [2].

[1] Mahieux M.F.//Comp/ Rend. — 1963. — V.257. — №5. — P. 1083.

[2] Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. — М.: Энергоатомиздат, 1990. — 288 с.

Свойства нанопорошков полученных методом ЭВП

Порошки, полученные по предлагаемой технологии обладают следующими особенностями:

  • повышенной химической активностью при достижении пороговых температур;
  • спекаются в режиме само распространяющегося процесса при чрезвычайно низких температурах;
  • легко образуют интерметаллические соединения;
  • имеют пониженную работу выхода электронов.

На рисунке слева представлены кривые распределение частиц по размерам для нанопорошка меди (Cu), в зависимости от введённой в проводник энергии.

Справочно: энергия сублимации (Ec) для меди составляет 5,32 кДж/г.

Общие характеристики порошков:
Нанопорошок из сплава никель — хром:
Допустимые примеси:
углерод, масс % не более 0,3
оксиды, масс % не более 3
прочие примеси, масс % не более 1

Применение нанопорошков

Приведённый ниже список потенциальных применений далеко не полон и отражает некоторые направления поисковых работ проводившихся в НИИ ВН в конце 80х годов совместно с заинтересованными организациями.

Активатор спекания

Активатор спекания металлических и композиционных материалов, содержащих в своем составе один из элементов (железо, никель, вольфрам, алюминий) или их любые композиции, а также керамических материалов на основе оксидов и нитридов алюминия, титана, циркония.

Небольшая добавка в спекаемую шихту активатора от 0,1 до 5 масс % позволяет:

  • снизить требования к чистоте исходного сырья и точности поддержания параметров процесса спекания;
  • снизить температуру спекания;
  • повысить физико-механические характеристики материалов и изделий.
Основные характеристики активатора:

Продукция сертифицирована в «Томском центре стандартизации, метрологии и сертификации», а также в Органе по сертификации нефтепродуктов, применяемых в транспортно-дорожном комплексе России при НИИ АТ министерства транспорта России.

Магнитный порошок для дактилоскопии

Порошок на основе железа черного цвета, обладающий магнитными и «проявляющими» свойствами. Папиллярные линии в следах, оставленные на поверхностях многих материалов, выявляются четко и хорошо копируются. Результаты проверки эффективности порошка приведены в таблице:

Материал Срок давности
1-24 час 72 час 7 дней 1 месяц
Бумага с глянцевой поверхностью +
Стекло + + + +
Пластмасса + + + +
Дерево полированное + + + +
Керамика + + + +
Металл + + + +
Окрашенная поверхность + + + +

Изготовление и продажа установок по получению порошков металлов и их соединений. Установка «УДП-10»

В нашей лаборатории разработана, производится и предлагается к продаже установка «УДП-10» для получения наноразмерных порошков методом ЭВП.

Элементы установки собраны в два блока: генератор импульсных токов и технологический модуль по производству НП.

Через отрезок металлической проволоки (фольги) пропускается импульс тока, под действием которого проволока разрушается на мельчайшие частички и пар. Разлетаясь с большой скоростью, продукты разрушения быстро охлаждаются и образуется высокодисперсный порошок. В зависимости от рода газа, окружающего разрушаемую проволоку, можно получать порошки металлов, сплавов, порошки химических соединений или порошки композиционных составов. При этом, композиционными являются отдельные частицы.

Дисперсность порошка, структура частиц и другие свойства определяются параметрами разрядного контура, материалом и геометрическими размерами проволоки (фольги) и характеристиками газовой среды, в которой производится взрыв. Технологический процесс осуществляется в замкнутом объеме, без использования вредных химических веществ и при очень малом расходе инертных газов. Причем расход газов, в основном, связан не с производством порошка, а с его транспортировкой, упаковкой и другими последующими операциями.

Читайте также:  Установка пластиковых лотков для ливневой канализации
Принцип работы установки «УДП-10»

От высоковольтного источника питания (1), заряжается ёмкостной накопитель энергии (2). Механизм подачи проволоки (3) обеспечивает автоматическую установку взрываемого отрезка проволоки (4) между двумя электродами. Как только отрезок проволоки займет заданное положение, включается коммутатор (5), происходит разряд накопителя на этот отрезок проволоки, и он взрывается. Образовавшийся порошок, вместе с газовой атмосферой установки, перемещается системой циркуляции (6), в фильтр-накопитель (7), где пассивируется и поступает на дальнейшую переработку.

Перед началом работы, внутренний объем установки: взрывная камера (8), механизм подачи (3), система циркуляции (6), фильтр-накопитель порошка (7), трубопроводы — вакуумируется, а затем заполняется требуемой газовой атмосферой. Эти функции выполняет система газового снабжения (9).

В качестве газовой атмосферы используются инертные газы, преимущественно аргон. В некоторых случаях предпочтительнее применение водорода, азота или смеси газов, например, аргон + кислород.

Технические характеристики установки:
Напряжение питания: 380В, 50 Гц, 3-фазы
Рабочее напряжение: 18 — 35 кВ
Потребляемая мощность: 3 кВт
Рабочий газ: Ar, He, N 2 , CO, CO 2 , воздух и другие газы и их смеси
Рабочее давление газа: до 5 атм.
Время непрерывной работы: 12 ч
Среднечисловой размер частиц: не более 100 нм
Производительность установки для металла:
Al 75 г/час
Fe, Ni, Cu, Ag 150 г/час
W 250 г/час
Габаритные размеры (ВхШхГ) и вес:
Генератор импульсных токов: 2 блока, по 1,6×0,5×0,6 м; общий вес: 200 кг
Технологический модуль: 1,8×1,7×0,8 м; 250 кг
Установочная площадь: 10 м 2

Производство и продажа металлических нанопорошков и нанопорошков химических соединений

Al, алюминий

Нанопорошки алюминия производятся в среде аргона, пассивируются на воздухе.

Наименование продукта: нанопорошки алюминия (НП — Al)
Химическое наименование: порошок алюминия
Химическая формула: Аl

Физико-химические характеристики:
Внешний вид и цвет Однородный порошок без посторонних включений.
Цвет — от серого до темно-серого цвета.
Насыпная плотность, г/см³ 0,15 — 0,25
Содержание активного металла, % масс. 90 — 92
Сорбированные газы, % масс. до 3
Площадь удельной поверхности, м²/г 16 — 18
Среднечисловой размер частиц, нм 90 — 100
Температура начала окисления, ºС 300
Микрофотография порошка алюминия гистограмма распределения частиц по размерам
Термограмма окисления порошков алюминия
при их нагревании в атмосфере воздуха
Рентгенограмма порошка
Fe, железо

Нанопорошки железа производятся в среде аргона, пассивируются на воздухе.

Наименование продукта: нанопорошки железа (НП — Fe)
Химическое наименование: порошок железа
Химическая формула: Fe

Физико-химические характеристики:
Внешний вид и цвет Однородный порошок без посторонних включений.
Цвет — чёрный.
Насыпная плотность, г/см³
Содержание активного металла, % масс. 90 — 93
Сорбированные газы, % масс.
Площадь удельной поверхности, м²/г 6,5 — 7,5
Среднечисловой размер частиц, нм 90 — 100
Температура начала окисления, ºС около 150
Микрофотография порошка железа гистограмма распределения частиц по размерам
Термограмма окисления порошков железа
при их нагревании в атмосфере воздуха
Рентгенограмма порошка
Cu, медь

Нанопорошки меди производятся в среде аргона, пассивируются на воздухе.

Наименование продукта: нанопорошки меди (НП — Cu)
Химическое наименование: порошок меди
Химическая формула: Cu

Физико-химические характеристики:
Внешний вид и цвет Однородный порошок без посторонних включений.
Цвет — темно-бурого цвета.
Насыпная плотность, г/см³
Содержание активного металла, % масс. 97 — 98
Сорбированные газы, % масс.
Площадь удельной поверхности, м²/г 6 — 7
Среднечисловой размер частиц, нм 90 — 100
Температура начала окисления, ºС около 150
Микрофотография порошка меди Рентгенограмма порошка
Ag, cеребро

Нанопорошки серебра производятся в среде аргона, пассивируются на воздухе.

Наименование продукта: нанопорошки серебра (НП — Ag)
Химическое наименование: порошок серебра
Химическая формула: Ag

Физико-химические характеристики:
Внешний вид и цвет Однородный порошок без посторонних включений.
Цвет — от серого до темно-серого цвета.
Насыпная плотность, г/см³
Содержание активного металла, % масс. 99
Сорбированные газы, % масс.
Площадь удельной поверхности, м²/г 2,0 — 2,3
Среднечисловой размер частиц, нм 90 — 100
Температура начала окисления, ºС около 300
Микрофотография порошка серебра
Ti, Ni, Mo, W, Pt и другие металлы и сплавы
Микрофотография порошка молибдена Микрофотография порошка платины

У нас есть техническая возможность и опыт производства: титана (Ti), никеля (Ni), молибдена (Mo), вольфрама (W), платины (Pt), и других металлов и сплавов.

Обсудить технические требования, объём производства, цены и пр. можно через страницу обратной связи.
Нанопорошки химических соединений

У нас есть техническая возможность и опыт производства нанопорошков химических соединений: Алюминия (Al 2 O 3 , Al-Al 2 O 3 ,
Al-AlN), нановолокон алюминия (AlOOH-Al(OH) 3 ), меди (Cu, CuS), железа (FeO, Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , Fe-FeO), молибдена (MoO 3 , MoS 2 ),
никеля (NiO), титана (TiO 2 , Ti-TiO 2 , Ti-TiN), вольфрама (WO 3 , WS 2 ) и других соединений.

источник