Способ получения газопоглотителя из порошка титана


 


Владельцы патента RU 2424085:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к производству газопоглотителей из порошка титана для электровакуумных и других приборов и может применяться в качестве газопоглотителя различных газов при пониженном давлении в рентгеновских трубках, в ускорителях элементарных частиц. Способ включает формование смеси диоксида титана с восстановителем и последующий нагрев смеси. В качестве восстановителя используют нанопорошок алюминия, полученный электрическим взрывом алюминиевого проводника в среде аргона, взятый в мольном соотношении с диоксидом титана от 0,8:1 до 1,2:1. Нагрев смеси осуществляют при температуре 400-600°С в вакууме 1,9-2,1 Па в течение 3-5 минут. Техническим результатом изобретения является снижение энергозатрат и повышение активности газопоглотителя. 1 ил., 4 табл.

 

Изобретение относится к производству газопоглотителей для электровакуумных и других приборов и может применяться при работе вакуумированных устройств, а также в качестве газопоглотителя различных газов при пониженном давлении (рентгеновские трубки, ускорители элементарных частиц).

Известен способ получения нераспыляемых газопоглотителей на основе интерметаллических порошков [патент РФ №2033452, C22C 1/04, опубл. 20.04.1995 г.], в котором при получении газопоглотителей смешивают металлические порошки дисперсностью 1-45 мкм. Затем осуществляют термическое воздействие на смесь в вакууме 13,3-1,33 Па локальным тепловым импульсом с плотностью потока 2-15 Вт/мм2. Слабоэкзотермические смеси предварительно подогревают до 50-900°С. Возможно перед термическим воздействием осуществление прессования смеси с последующей термовакуумной обработкой по ступенчатому режиму: 2 ч при 200°С и 3 ч при 300°С, в вакууме 2-10 Па.

Недостатком данного способа является использование слабоэкзотермических смесей с низкой активностью, поэтому для синтеза газопоглотителей (интерметаллидов) требуется подогрев исходной смеси до 50-900°С.Кроме того, из-за низкой активности исходных смесей для инициирования волны высокотемпературного синтеза необходим мощный тепловой импульс с плотностью потока 2-15 Вт/мм2.

Наиболее близким аналогом-прототипом по совокупности существенных признаков и назначению является [патент РФ №2369651, C22B 3/11, 10.10.2009] способ получения газопоглотителя из порошков металла, в том числе из порошка титана, включающий формование смеси диоксида титана с восстановителем - кальцием - и последующий нагрев смеси до температуры 800-1400°С.

Недостатком этого способа являются высокие энергозатраты в процессе приготовления газопоглотителя: требуется прогрев смеси при температуре 800-1400°С. Кроме того, недостатком является использование в технологическом процессе щелочно-земельных металлов, что требует дополнительно обработки водой с целью выщелачивания, что снижает активность порошка металла.

Основной технический результат предложенного изобретения - это снижение энергозатрат за счет использования сильноэкзотермических смесей с нанопорошком алюминия, повышение активности газопоглотителя за счет низкой температуры перевода газопоглотителя в активное состояние: температура не превышает 600°С в вакууме не более 4 Па в течение 3-5 минут.

Технический результат достигается тем, что в способе получения газопоглотителя из порошка титана, включающем формование смеси диоксида титана с восстановителем и последующий нагрев смеси, согласно предложенному решению в качестве восстановителя используют нанопорошок алюминия, полученный электрическим взрывом алюминиевого проводника в среде аргона, взятый в мольном соотношении с диоксидом титана от 0,8:1 до 1,2:1, нагрев смеси осуществляют при температуре 400-600°С в вакууме 1,9-2,1 Па в течение 3-5 минут.

Целесообразно использовать нанопорошок алюминия, полученный электрическим взрывом алюминиевого проводника в среде аргона. В этом случае процесс получения нанопорошка алюминия протекает в экстремальных условиях: скорость охлаждения составляет 1010 К/с, а максимальная температура продуктов взрыва составляет 4·104 °С. Сформированные в таких условиях нанопорошки обладают повышенной устойчивостью в воздухе при комнатной температуре, но очень высокой химической активностью при нагревании до 400-600°С. Такой порошок имеет преимущество в сравнении с другими нанопорошками, например, полученными методом испарения - конденсации в аргоне.

Чертеж иллюстрирует, что полученный газопоглотитель имеет пористую структуру: на сколе видны прямые каналы, диаметр которых составляет менее 1 мкм. Такая структура идеальна для работы газопоглотителя.

Осуществление способа рассмотрим на конкретном примере.

Для приготовления газопоглотителя готовили смеси диоксида титана с нанопорошком алюминия (НП Al). Для этого использовали нанопорошок алюминия, полученный электрическим взрывом алюминиевого проводника в среде аргона, и грубодисперсный порошок диоксида титана (марка ч.д.а.). Для эксперимента были выбраны следующие соотношения компонентов: от 0,4:1 до 1,6:1, смешение проводили в агатовой ступке в присутствии изопропилового спирта. После достижения однородности массы перемешивание прекращали и высушивали в сушильном шкафу при температуре 40-45°С в течение 2-3 часов. Смеси прессовали при давлении 30 кГ/см2. Образующийся пористый образец помещали в камеру вакуумного поста ВУП-5 и откачивали до остаточного давления 3-4 Па. Затем включали ленточный нагреватель из молибденовой фольги и при непрерывной откачке повышали температуру до 600°С. В это время происходило взаимодействие нанопорошка алюминия с диоксидом титана с образованием частиц титана, имеющих микропористую структуру. При этом остаточное давление понижалось до 2,0·10-4 - 1,5·10-4 Па благодаря активности газопоглотителя.

Состав исходных смесей и синтезированного газопоглотителя определяли с помощью количественного рентгенофазового анализа. Результаты экспериментов приведены в таблице 1.

Согласно таблице 1 с увеличением содержания НП Al в смеси растет выход металлического титана: при содержании 0,8:1,0 он достигает максимума (54,3%) и выходит на насыщение 59,8-61,8%. При этом остаточное давление резко снижается при переходе от образца 2 к образцу 3, что свидетельствует о резком повышении активности газопоглотителя. Дальнейшее увеличение содержания НП Al нецелесообразно из-за увеличения его расхода, поэтому заявляемый диапазон состава смесей составляет от 0,8:1,0 до 1,2:1,0.

Полученную смесь НП Al и TiO2 подвергали прессованию при небольшом давлении (30 кГ/см2), помещали в вакуумную камеру и откачивали до остаточного давления 1,3 Па, прогревали до определенной температуры, охлаждали и проводили рентгенофазовый анализ. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.

Из данных таблицы 2 следует, что при достижении температуры нагрева 400°С в вакууме 1,3 Па выход металлического титана резко возрастает и достигает 59,8%. Дальнейшее нагревание смеси не приводит к увеличению выхода, поэтому целесообразно ограничить температуру прогрева 600°С.

Для определения величины остаточного давления при активировании газопоглотителя была использована установка, в конструкцию которой входили весы Мак-Бена. Кварцевую спираль предварительно калибровали с использованием аттестованного набора разновесов. Изменение массы образцов определяли с помощью весов Мак-Бена и катетометра. Достаточность вакуумирования определяли по неизменности веса образца при нагревании до 600°С. Образец в виде пористой таблетки помещали в чашку, подвешивали на кварцевой спирали, вакуумировали до соответствующего остаточного давления и затем нагревали до 600°С. Результаты измерений приведены в таблице 3.

Согласно полученным результатам (таблица 3) при переходе величины остаточного давления от 10 до 2,1 Па резко снижается увеличение массы образца, достигая 1,5%. Дальнейшее понижение давления при 600°С приводит к постоянству массы газопоглотителя, что свидетельствует о достаточности величины вакуума. Таким образом, оптимальным является остаточное давление 2,1-1,9 Па при 600°С.

Для определения времени протекания реакции получения активного газопоглотителя готовили смесь НП Al/TiO2. Далее смесь прессовали при давлении 30 кГ/см2, помещали в вакуумную камеру (~1,3 Па) и нагревали до 600°С при непрерывной откачке. При этом изменяли время нагрева каждого образца. Результаты измерений приведены в таблице 4.

Согласно полученным результатам (таблица 4) при температуре 600°С и времени прогрева менее 3 минут выход металлического титана низкий (23,3 мас.%), а при времени прогрева 3 минуты выход металлического титана резко возрастал до 59,8% и затем практически не изменялся. Оптимальным временем прогрева является интервал 3-5 минут.

Таким образом, заявляемый способ позволяет снизить энергозатраты при получении газопоглотителя: в прототипе процесс приготовления осуществляется в течение нескольких часов при минимальной температуре 800°С, а в заявляемом способе процесс осуществляется за 5 минут при 600°С.

Таблица 1
№, п/н Состав смеси НП Al/TiO2 Выход Ti0, мас.% Остаточное давление после активирования газопоглотителя, ·10-4 Па Примечание
1 0,4:1,0 22,4 4,1
2 0,6:1,0 31,9 3,9
3 0,8:1,0 54,3 2,1 Заявляемый способ
4 1,0:1,0 59,8 1,8 Заявляемый способ
5 1,2:1,0 60,6 1,5 Заявляемый способ
6 1,4:1,0 61,5 1,5
7 1,8:1,0 61,8 1,5
Таблица 2
№, п/н Состав смеси НП Al/TiO2 Выход Ti0, мас.% Tmax нагрева в вакууме, °С Примечание
1 1:1 12,1 100
2 1:1 18,9 200
3 1:1 26,4 300
4 1:1 59,8 400 Заявляемый способ
5 1:1 62,3 500 Заявляемый способ
6 1:1 62,4 600 Заявляемый способ
7 1:1 62,4 700
Таблица 3
№. п/н Состав смеси НП Al/TiO2 Остаточное давление, Па Увеличение массы, Δm, % Примечание
1 1:1 30 18,2
2 1:1 20 16,4
3 1:1 10 13,1
4 1:1 2,1 1,5 Заявляемый способ
5 1:1 1,9 1,4 Заявляемый способ
6 1:1 1,9 1,4 Заявляемый способ
Таблица 4
№, п/н Состав смеси НП Al/TiO2 Время прогрева, мин Выход Ti0, % Примечание
1 1:1 1 21,4
2 1:1 2 23,3
3 1:1 3 59,8 Заявляемый способ
4 1:1 4 60,2 Заявляемый способ
5 1:1 5 60,3 Заявляемый способ
6 1:1 6 60,6

Способ получения газопоглотителя из порошка титана, включающий формование смеси диоксида титана с восстановителем и последующий нагрев смеси, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют нанопорошок алюминия, полученный электрическим взрывом алюминиевого проводника в среде аргона, взятый в мольном соотношении с диоксидом титана от 0,8:1 до 1,2:1, нагрев смеси осуществляют при температуре 400-600°С в вакууме 1,9-2,1 Па в течение 3-5 мин.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к способу получения высокочистого титана для распыляемых мишеней. .

Изобретение относится к устройству для получения губчатого титана. .

Изобретение относится к переработке титаномагнетитового концентрата, содержащего ванадий, и может быть использовано для получения титановых продуктов, чистого оксида железа и железованадиевого концентрата, пригодного для легирования чугунов, сталей и сплавов.

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к устройствам для получения губчатого титана. .
Изобретение относится к способу переработки кварц-лейкоксеновых концентратов, содержащих высокие концентрации рутил-кварцевого агрегата, и может быть использовано для получения искусственного рутила.

Изобретение относится к способу переработки железотитанового концентрата. .

Изобретение относится к области специальной электрометаллургии и может быть использовано при изготовлении расходуемого электрода для выплавки слитков высокореакционных металлов и сплавов, например титановых, в вакуумной дуговой электропечи.

Изобретение относится к способу переработки кремнисто-титановых концентратов. .

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к устройству для получения губчатого титана магниетермическим восстановлением тетрахлорида титана. .

Изобретение относится к области цветной металлургии и может быть использовано при производстве титана. .
Изобретение относится к получению порошка вентильного металла для применения его в качестве материала анода для электролитических конденсаторов. .

Изобретение относится к способам получения порошка тугоплавкого металла. .
Изобретение относится к способу получения порошков металлов или гидридов металлов элементов Ti, Zr, Hf, V, Nb, Та и Сr. .
Изобретение относится к получению порошков клапанных металлов. .
Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано для получения никелевого порошка из закиси никеля. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способу производства порошка тантала и устройству для его осуществления. .
Изобретение относится к металлическим составам, взаимодействующим с водой с выделением тепла и водорода, и может применяться в комбинированных термоэлементах, в топливных элементах для генерации электрического тока, в промышленных и бытовых газогенераторах, в химии, металлургии.

Изобретение относится к получению порошков высокочистых тугоплавких металлов, клапанных субоксидов тугоплавких металлов и клапанных металлов или их сплавов, пригодных для изготовления целого ряда электрических, оптических и прокатных изделий/деталей, получаемых из соответствующих их окислов при металлотермическом восстановлении в твердой или жидкой форме этих окислов, используя восстанавливающий агент, который поддерживает после воспламенения высокоэкзотермическую реакцию, предпочтительно осуществляемую при непрерывной или периодической подаче окисла, например при перемещении под действием силы тяжести.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к получению железных порошков путем восстановления железосодержащего сырья, в том числе природных руд.

Изобретение относится к цветной металлургии и может быть использовано при производстве огнеупорных, коррозионно-стойких и механически прочных изделий различного назначений
Наверх