Способ получения металлических кластеров и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам и устройствам для получения металлических кластеров в сверхзвуковом потоке. В предложенном способе получения металлических кластеров, включающем генерирование плазмы, испарение и конденсацию металла или сплава в плазменном потоке и инжекцию связующего частицы вещества, согласно изобретению инжекцию связующего частицы вещества осуществляют в зону течения разрежения сверхзвукового парогазового потока для обеспечения конденсации кластеров и последующего их капсулирования на молекулах связующего частицы вещества. В предложенном устройстве для получения металлических кластеров, содержащем плазменный генератор, приспособление для подачи связующего кластеры вещества, сборник кластеров с пеналом, согласно изобретению на плазменном генераторе установлено сопло, выполненное плоским, приспособление для подачи связующего кластеры вещества размещено в пространстве между корпусом плазменного генератора и плоским соплом и выполнено в виде подковообразного поршня и двух рядов пористых вкладышей, установленных на стенке корпуса сборника кластеров, причем первый ряд размещен там, где стенка плоского сопла и стенка корпуса сборника кластеров образуют выпуклый угол, а второй ряд вкладышей размещен около входных отверстий пеналов, установленных в плоских каналах сборника кластеров. Обеспечиваются получение кластеров размером менее 10 нм с минимальным разбросом по дисперсности и длительный срок хранения кластеров. 2 с. и 6 з. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к способам и устройствам, реализующим получение металлических кластеров, являющихся молекулярными структурами, в сверхзвуковом парогазовом потоке.

Известен способ получения порошкового аморфного материала [1], при котором осуществляют ускорение нагретой парогазовой смеси до сверхзвуковых скоростей с последующим охлаждением ее при сверхзвуковом истечении через сверхзвуковое сопло.

К недостаткам этого способа относится то, что при его использовании возможно получение ультрадисперсных порошков с размерами частиц более 10 нм из-за того, что в сверхзвуковом потоке образующиеся в результате газодинамического охлаждения частицы коагулируют с образованием ультрадисперсных порошков. Кроме того, образующийся ультрадисперсный порошок имеет значительный разброс по дисперсности из-за неоднородной структуры сверхзвукового потока, связанной со скачками уплотнения и волнами разрежения.

Из известных способов наиболее близким является способ получения ультрадисперсных порошков в газовой фазе из металлов или сплавов с полимерным покрытием [2]. С помощью контролирования скорости испарения исходного материала и объемного расхода органического мономера имеется возможность получения частиц размеров от нескольких единиц до нескольких десятков нанометров с полимерным покрытием толщиной более 2 нм.

Недостатками этого способа являются невозможность получения кластеров металлов или сплавов, размеры которых составляют менее 10 нм с полимерным покрытием с уменьшенным разбросом по дисперсности частиц.

Известно устройство [3], содержащее плазменный генератор потока частиц, герметичный корпус, трубопровод откачки газа и сборник с контейнером.

К недостаткам этого устройства относится то, что его конструкция не позволяет получать металлические кластеры с минимальным разбросом по дисперсности частиц вследствие агломерации частиц между собой.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для получения ультрадисперсных порошков [4] , которое содержит плазменный генератор потока частиц, герметичный корпус, трубопровод откачки газа, соединенный с корпусом, и сборник порошка с контейнером, приспособление для подачи связующего частиц.

Это устройство по своей конструкции не позволяет гарантированно получать металлические кластеры с узким диапазоном по дисперсности частиц, т.к. сборник порошка с контейнером расположен за соплом генератора потока частиц, вследствие чего происходит агломерация частиц с превращением их в ультрадисперсный порошок.

Задача изобретения - получение металлических кластеров с минимальным разбросом по дисперсности.

Технический результат заключается в возможности получать металлические кластеры с размерами менее 10 нм с минимальным разбросом по дисперсности, заключенные в оболочку из молекул парафина, т.е. капсулированных, что обеспечит длительное хранение кластеров.

Технический результат достигается тем, что в способе получения металлических кластеров, включающем генерирование плазмы, испарение и конденсацию металла или сплава в плазменном потоке и инжекцию связующего частицы вещества, согласно изобретению инжекцию связующего частицы вещества осуществляют в зону течения разрежения сверхзвукового парогазового потока для обеспечения конденсации кластеров и последующего их капсулирования на молекулах связующего частицы вещества.

Кроме того, отношение расхода связующего кластеры вещества, необходимого для капсулирования кластеров, к расходу связующего кластеры вещества, которое достаточно для конденсации кластеров, поддерживают равным где G₁ - массовый расход связующего вещества, достаточного для конденсации кластеров; кг/с; G₂ - массовый расход связующего вещества, необходимого для капсулирования кластеров; кг/с; R₀ - радиус кластера, м; d - диаметр молекулы связующего вещества, м; ρ₀ _ плотность конденсированного материала; кг/м³; m₀ - масса атома кластера; кг; q₀ - число атомов, содержащихся в кластере радиуса R₀.

Причем в качестве связующего кластеры вещества используют парафин, а в качестве плазмообразующего и несущего частицы порошка и кластеры газа используют аргон.

Технический результат достигается также тем, что в известном устройстве для получения металлических кластеров, содержащем плазменный генератор, приспособление для подачи связующего кластеры вещества, сборник кластеров с пеналом, согласно изобретению на плазменном генераторе установлено сопло, выполненное плоским, приспособление для подачи связующего кластеры вещества размещено в пространстве между корпусом плазменного генератора и плоским соплом и выполнено в виде подковообразного поршня и двух рядов пористых вкладышей, установленных на стенке корпуса сборника кластеров, причем первый ряд размещен там, где стенка плоского сопла и стенка корпуса сборника кластеров образуют выпуклый угол, а второй ряд вкладышей расположен около входных отверстий пеналов, установленных в плоских каналах сборника кластеров.

Кроме того, боковые стенки пеналов изготовлены из пористого материала.

При этом отношение пористости второго ряда вкладышей к пористости первого ряда вкладышей соответствует отношению расходов связующего вещества и жектируемого через вкладыши:
где П₁ - пористость первого ряда вкладышей;
П₂ - пористость второго ряда вкладышей,

где S₁ - площадь проходного сечения первого ряда вкладышей; м²;
S₂ - площадь проходного сечения второго ряда вкладышей, м².

Кроме того, сборник кластеров снабжен постоянным магнитом, установленным на внешней поверхности дна пенала, причем площадь поперечного сечения постоянного магнита равна площади дна, а полюса постоянного магнита расположены параллельно боковым стенкам пенала.

Способ основывается на процессе конденсации металлического пара, в результате которого молекулы инертного связующего вещества, инжектируемого в зону конденсации, становятся центрами зародышеобразования с последующим превращением зародышей в металлические кластеры. При этом инжекция связующего вещества производится в зоне течения разрежения Прандтля-Майера, образующегося при обтекании выпуклого угла. В этом случае минимизируется динамическое и тепловое воздействие на процесс конденсации, а образующиеся кластеры имеют минимальные разбросы по дисперсности, поскольку интенсивность скачков уплотнения, возникающих при инжекции связующего вещества в зону течения разрежения сверхзвукового потока значительно снижается.

Следующим очень важным элементом способа получения металлических кластеров является процесс капсулирования, т.е. создание оболочки для кластера из молекул инертного связующего вещества. В этом случае капсула, в которую заключен кластер, препятствует его коагуляции с другими кластерами как в процессе получения, так и при длительном хранении.

Для обеспечения способа получения металлических кластеров заданной дисперсности необходимо знать отношение расхода связующего кластеры вещества, необходимого для капсулирования кластеров к расходу связующего кластеры вещества, которое достаточно для конденсации кластеров. Это отношение зависит от числа атомов, содержащихся в кластере, которое наряду с плотностью конденсированного материала и массы атома определяет дисперсность, которая задана радиусом кластера:

где G₁ - массовый расход связующего вещества, достаточного для конденсации кластеров;
G₂ - массовый расход связующего вещества, необходимого для капсулирования кластеров;
q₀ - число атомов, содержащихся в кластере радиуса R₀;
m₀ - масса атома кластера;
ρ₀ - плотность конденсированного материала;
d - диаметр молекулы связующего вещества.

При этом для вывода зависимости, определяющей отношение расходов, определены следующие условия:
- кластер с числом атомов q₀ конденсируется на 1 молекуле связующего вещества, таким образом где q₁ - число молекул связующего вещества, которого достаточно для конденсации кластера;
- для формирования капсулы для кластера необходимо создать оболочку из молекул связующего вещества, число которых равно где q₂ - число молекул связующего вещества, которое необходимо для капсулирования кластера.

Таким образом, после определения легко рассчитать G₂, где m₁ - масса молекулы связующего вещества, а t - время.

Применение в способе получения металлических кластеров в качестве связующего вещества парафина позволяет эффективно использовать его как для конденсации, так и для капсулирования кластеров. Этому способствуют свойства парафина, такие как:
- отсутствие в молекуле парафина кислорода;
- низкая температура плавления;
- термическое разложение на ацетилен, метан при температурах парогазового потока, при которых происходят процессы конденсации и капсулирования.

Использование аргона в качестве плазмообразующего и несущего частицы порошка, а затем и кластеры инертного газа существенно влияет на процессы конденсации и капсулирования кластеров:
- исходный металлический порошок в потоке аргоновой плазмы превращается в металлический пар;
- обеспечивается чистота металлического пара, а следовательно, и полученных кластеров;
- реализуются процессы расширения парогазового потока, в том числе течение разрежения.

На фиг. 1 и на фиг. 2 (разрез А-А), на фиг. 3 (сечение Б-Б) и на фиг.4 изображено устройство для получения металлических кластеров.

Устройство содержит плазменный генератор 1 с плоским соплом 2, приспособление для подачи связующего кластеры вещества, состоящее из цилиндра 3, подковообразного поршня 4 и двух рядов пористых вкладышей, установленных на стенке корпуса сборника кластеров 5, причем первый ряд 6 там, где стенка плоского сопла и стенка корпуса сборника кластеров образуют выпуклый угол, а второй ряд 7 расположен около входных отверстий пеналов 8, установленных в плоских каналах сборника кластеров. Полость цилиндра 3 между поршнем 4 и вкладышами 6 и 7 заполнена связующим веществом 9, например, парафином, а полость между стенкой генератора 1 и поршнем 4 сообщается с трубопроводом 10 подачи газа через коллектор 11.

Устройство снабжено пеналами 8, боковые стенки которых изготовлены из пористого материала.

В устройство для получения кластеров из магнитных металлов (фиг.4) сборник кластеров снабжен постоянным магнитом 12, установленным на внешней поверхности дна пенала. При этом площадь поперечного сечения магнита выбрана равной площади дна, а его полюса (N-S) расположены параллельно боковым стенкам пенала.

Устройство работает следующим образом.

После включения плазменного генератора 1, входящего в плазмогазодинамическую установку, и установления стационарного сверхзвукового потока в плоском сопле 2, в плазменный генератор вводится металлический порошок микронной дисперсности, который на входе в критическое сечение сопла испаряется в потоке аргоновой плазмы. В результате этого процесса на входе в сопло образуется парогазовая смесь, состоящая из молекул или атомов металла и молекул плазмообразующего газа - аргона. На выходе сопла парогазовый поток ускоряется до сверхзвуковой скорости, в результате этого резко снижается температура потока. Последующее расширение потока и его поворот происходят при обтекании выпуклого угла, образованного стенкой сопла и стенкой корпуса сборника кластеров 5. В зоне поворота в поток инжектируется связующее кластеры вещество (парафин) через пористые керамические вкладыши первого ряда 6. Вытеснение происходит с помощью давления газа, например аргона, который подается в полость между стенкой генератора 1 и подковообразным поршнем 4. Полость сообщается с трубопроводом подачи газа 10 через коллектор 11. Одновременно происходит вытеснение парафина через пористые керамические вкладыши второго ряда 7. Таким образом осуществляется инжекция парафина в парогазовый поток для конденсации и капсулирования металлических кластеров, которые попадают в пеналы 8 сборника кластеров, а несущий газ (аргон) перетекает через зазоры между стенками плоских каналов сборника кластеров и боковыми стенками пеналов.

Для повышения эффективности заполнения пеналов капсулированными кластерами, с целью ликвидации застойных зон в полости пеналов, боковые стенки пеналов целесообразно изготовить из пористого материала.

В случае получения кластеров из магнитных металлов дополнительно используется постоянный магнит. Поток металлических кластеров попадает в зону магнитного поля, что способствует повышению эффективности улавливания кластеров.

Применение предложенного способа и устройства, реализующего его, позволит создать новые высокотехнологичные процессы получения металлических кластеров размерами менее 10 нм с минимальным разбросом по дисперсности, заключенных в оболочку из молекул парафина, т.е. капсулированных, что обеспечивает длительное хранение полученных кластеров.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Патент РФ на изобретение 2080213, В 22 F 9/12, БИ 15, 1997.

2. Заявка 3264610 Японии, МКИ В 22 F 9/12, В 01 J 19/08, /Андзай Хироси; Эну о кэ К.К. - -2-65419, заявл. 15.03.90, опубл. 25.11.91 // Кокай токке Кохо. Сер. 3(4).- 1991.- 72.-С.53-55.- Яп. (прототип).

3. Патент Японии 49-1717, кл. 12 С 24, 1974.

4. Авторское свидетельство СССР 1759560, В 22 F 9/02, 9/12, БИ -33, 1992 (прототип).

Формула изобретения

1. Способ получения металлических кластеров, включающий генерирование плазмы, испарение металла или сплава в плазменном потоке и инжекцию связующего частицы вещества, отличающийся тем, что инжекцию связующего частицы вещества производят в зоне течения разрежения сверхзвукового парогазового потока, при этом конденсация кластеров и последующее их капсулирования происходит на молекулах связующего частицы вещества.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отношение расхода связующего кластеры вещества, необходимого для капсулирования кластеров, к расходу связующего кластеры вещества, которое достаточно для конденсации кластеров, поддерживают равным

где G₁ - массовый расход связующего вещества, достаточного для конденсации кластеров, кг/с;
G₂ - массовый расход связующего вещества, необходимого для капсулирования кластеров, кг/с;
R_о - радиус кластера, м;
d - диаметр молекулы связующего вещества, м;
ρ_o - плотность конденсированного материала, кг/м³;
m₀ - масса атома кластера, кг;
q₀ - число атомов, содержащихся в кластере радиуса R₀.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве связующего кластеры вещества используют парафин.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве плазмообразующего и несущего частицы порошка и кластеры газа используют аргон.

5. Устройство для получения металлических кластеров, содержащее плазменный генератор, приспособление для подачи связующего кластеры вещества, сборник кластеров с пеналом, отличающееся тем, что на плазменном генераторе установлено сопло, выполненное плоским, приспособление для подачи связующего кластеры вещества размещено в пространстве между корпусом плазменного генератора и плоским соплом и выполнено в виде подковообразного поршня и двух рядов пористых вкладышей, установленных на стенке корпуса сборника кластеров, причем первый ряд размещен там, где стенка плоского сопла и стенка корпуса сборника кластеров образуют выпуклый угол, а второй ряд вкладышей размещен около входных отверстий пеналов, установленных в плоских каналах сборника кластеров.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что боковые стенки пеналов изготовлены из пористого материала.

7. Устройство по пп.5 и 6, отличающееся тем, что отношение пористости второго ряда вкладышей к пористости первого ряда вкладышей соответствует отношению расходов связующего вещества, инжектируемого через вкладыши

где П₁ - пористость первого ряда вкладышей;
П₂ - пористость второго ряда вкладышей;

где S₁ - площадь проходного сечения первого ряда вкладышей, м²;
S₂ - площадь проходного сечения второго ряда вкладышей, м².

8. Устройство по пп.5-7, отличающееся тем, что сборник кластеров снабжен постоянным магнитом, установленным на внешней поверхности дна пенала, причем площадь поперечного сечения постоянного магнита равна площади дна, а полюса постоянного магнита расположены параллельно боковым стенкам пенала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4