Способ получения нанопорошков оксида цинка, допированных медью, методом электрического взрыва проволоки



Способ получения нанопорошков оксида цинка, допированных медью, методом электрического взрыва проволоки
Способ получения нанопорошков оксида цинка, допированных медью, методом электрического взрыва проволоки
Способ получения нанопорошков оксида цинка, допированных медью, методом электрического взрыва проволоки

 


Владельцы патента RU 2465982:

Учреждение Российской академии наук Институт электрофизики Уральского отделения РАН (ИЭФ УрО РАН) (RU)

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошковых материалов с частицами менее 0,2 мкм, в частности, используемых в качестве материалов для синтеза люминофоров. На цинковую проволоку химическим осаждением или электролизом наносят слой меди. Полученную проволоку подвергают электрическому взрыву в реакторе, заполненном газом, содержащим кислород. Обеспечивается получение химически чистых нанопорошков оксида цинка, содержащих заданное количество меди в виде твердого раствора. 1 табл., 3 ил.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению порошковых материалов с частицами менее 0,2 мкм, в частности, используемых в качестве материалов для синтеза люминофоров.

Получение нанопорошков оксидов металлов осуществляется путем нагрева и электрического взрыва отрезка проволоки соответствующего металла под действием импульса электрического тока в смеси инертного газа (азот, аргон) с кислородом. При этом дисперсность порошков и содержание неокисленного металла в порошке определяются условиями взрыва проволоки (диаметр и длина взрываемой проволоки, зарядное напряжение, параметры разрядного контура, концентрация кислорода в газе и др.), а отсутствие органических реагентов при формировании частиц обуславливает химическую чистоту получаемых порошков. Таким способом получаются порошки оксидов, имеющих формулу вида МеXОY.

Для получения порошков оксидов более сложных составов (вида Ме(1)XМе(2)YОZ) взрывают проволоку из соответствующего сплава [1] или взрывают несколько проволок из разных материалов одновременно [2]. К недостаткам перечисленных способов можно отнести неравномерность распределения элементов по получаемому порошку: от частиц сложного соединения до частиц оксидов каждого из металлов, в ряде случаев отсутствие проволоки нужного состава и сложность реализации или отсутствие возможности одновременного взрыва проволок из некоторых материалов.

Известен способ получения порошков (прототип), патент RU 2139776 С1 [3], методом электрического взрыва проволок, имеющих покрытие, представляющее собой порошки неметаллических и металлических материалов, смешанных с клеевой основой, в качестве которого применялся бакелитовый лак. Недостатком данного способа следует считать неизбежное химическое загрязнение получаемого порошка используемым лаком. Поэтому для получения химически чистых порошков сложных оксидов способом электрического взрыва проволоки лучше всего использовать проволоку с покрытием без применения органической клеевой основы.

Задачей изобретения является получение химически чистых нанопорошков ZnO, содержащих заданное количество меди в виде твердого раствора.

Поставленная задача достигается путем электрического взрыва цинковой проволоки, имеющей покрытие из меди, полученное химическим осаждением или электролизом в растворе, содержащем растворимые соли меди. Степень допирования синтезируемых порошков медью однозначно зависит от исходного содержания меди на поверхности взрываемой проволоки. Масса наносимого медного покрытия выбирается в соответствии с нужной степенью допирования и регулируется подбором концентрации раствора, времени осаждения и, при электролизе, силой тока. Выбор параметров нанесения покрытия осуществляется опытным путем.

На цинковую проволоку, предварительно обезжиренную, химическим осаждением, если масса покрытия должна быть менее 2% масс., или гальванически (для покрытия более 2% масс.) наносят слой меди. Чтобы обеспечить химическую чистоту синтезируемого порошка, остатки раствора смываются с проволоки в проточной воде.

Получение порошка осуществляется в герметичном реакторе, заполненном смесью азота и кислорода с концентрацией 21 об.%, при атмосферном давлении. Цинковая проволока диаметром 0,38 мм, с нанесенным на нее покрытием, подается в реактор в промежуток между двумя электродами. Длина взрываемого отрезка проволоки составляет 110 мм. Электрический взрыв проволоки осуществляется в разрядном LC контуре с параметрами: емкость конденсаторной батареи 3,2 мкФ, индуктивность контура 0,4 мкГ. Конденсаторная батарея заряжается до напряжения 23 кВ.

Таблица
Доля Сu (РСА), % масс. dBET, нм фазовый состав (РФА), % масс. / ОКР, нм (ошибка, ±) параметры решетки ZnO*, нм (ошибка, ±)
ZnO Zn другие фазы а с
0 98 98,7/94 1,3/>200 - 3,250(1) 5,207(1)
0,7 106 99/105(2) 1/210(60) - 3,250(1) 5,207(1)
1,4 109 98,6/103(2) 1,4/87(14) - 3,250(1) 5,206(1)
2 84 98,5/95 1,5/50 - 3,250(1) 5,206(1)
7,4 86 96/98 1/- 1(Cu2O)/-2(CuO)/32 3,250(2) 5,206(2)
* - гексагональная решетка ZnO (цинкит): а=3,2495 нм, с=5,2069 нм [4]

По данным рентгенофазового анализа (РФА), приведенным в таблице при содержании меди до 2% масс. получаемый порошок примерно на 99% состоит из оксида цинка, а также содержит 1% масс. металлического цинка. Аналогичный результат был получен при синтезе порошка ZnO из чистой цинковой проволоки. Медь, в виде отдельных фаз (Сu2O и СuО), появляется в порошке только при ее содержании в проволоке ≈7% масс.

Удельная поверхность порошков, определенная методом BET, составляет 10-12 м2/г, что в пересчете на средний размер частиц (dВЕТ) соответствует 90-105 нм (табл., dВЕТ). Это позволяет отнести получаемые порошки к нанодисперсным. Примерное равенство dВЕТ с размером области когерентного рассеяния (табл., ОКР) говорит о том, что частицы порошков представляют собой, в основном, монокристаллы. Зависимость параметров кристаллической решетки ZnO от содержания меди не обнаружена. Отсутствие зависимости периода кристаллической решетки оксида цинка от содержания меди может быть обусловлено близостью ионных радиусов Сu и Zn.

Просвечивающая электронная микроскопия образца порошка ZnO, содержащего 1,4% масс. Сu (ZnO-Cu - l,4%), совмещенная с энергодисперсионным анализом, показала, что наибольшая плотность характеристического излучения от атомов меди (фиг.1b) соответствует области, занимаемой частицами порошком (фиг.1а). При этом излучение распределено равномерно. На фиг.2 приведены результаты анализа отдельной частицы (фиг.2а) с расшифровкой спектра характеристического излучения (фиг.2b). При этом Cu присутствует на всем исследованном участке. Таким образом, можно сделать вывод, медь равномерно распределена в частицах порошка ZnO. Это, в свою очередь, свидетельствует о формировании твердого раствора замещения Сu в ZnO.

Результаты термогравиметрического анализа (TG), совмещенного с дифференциальной сканирующей калориметрией (DSC), образца ZnO-Cu - 1,4% показывают падение массы образца при нагреве до 250°С (фиг.3, кр. TG), соответствующее удалению атмосферной воды, сорбированной порошком из воздуха.

Увеличение массы после достижения температуры ≈500°С связано с доокислением присутствующего в порошке металлического цинка.

Таким образом, изобретение позволяет получать нанодисперсные порошки оксида цинка, допированного необходимым количеством меди, путем электрического взрыва проволоки цинка, покрытой химическим осаждением или электролизом слоем меди в газе, содержащем кислород. При этом атомы меди замещают атомы цинка в решетке ZnO и распределяются равномерно в частицах порошка.

Литература

[1]. Synthesis of nanometer-sized powders of alumina containing magnesia. / Kotov Yu.A., Beketov I.V., Azarkevich E.I., & A.M. Murzakaev. // In Vincenzini, P. (ed.), Proc. Of 9th Cimtec-World Ceramic Congress, Ceramics: Getting into the 2000's. Part B. Florence, Italy. 14-19 June. 1998. Techna. Faenza. P.277-284.

[2]. Nanopowders Prepared by Simultaneous Electrical Explosion of Al and Fe Wires. / Yu.A. Kotov, O.M. Samatov, Ch.k. Rhee, A.M. Murzakaev, et al. // X АРАМ Topical Seminar and III Conference "Materials of Siberia" devoted to 10th anhiversapy of АРАМ, June 2-6. 2003. Novosibirsk, Russia, p.128-130.

[3]. Патент RU 2139776 Cl (В22F 9/14).

[4]. Картотека PDF-2: карта 00-036-1451.

Способ получения нанопорошка оксида цинка, допированного медью, методом электрического взрыва проволоки, включающий электрический взрыв цинковой проволоки в реакторе, заполненном газом, содержащим кислород, отличающийся тем, что осуществляют взрыв цинковой проволоки, покрытой слоем меди путем химического осаждения или электролиза.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способам получения наночастиц в вакуумном дуговом разряде. .

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к устройствам для получения нанодисперсных порошков из любых токопроводящих материалов, в том числе и их отходов, методом электроэрозионного диспергирования для последующего их использования в технологических процессах изготовления, восстановления и упрочнения деталей машин, инструмента.
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к переработке отходов твердых сплавов и использованию полученного порошка в качестве альтернативного сырья.

Изобретение относится к способу получения нанодисперсных металлов в жидкой фазе (воде, органических растворителях). .

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для получения нанопорошков систем элемент-углерод, т.е. .

Изобретение относится к технологиям производства металлических порошков, имеющих размер фракции, выражаемый в наноединицах. .

Изобретение относится к способу получения высокодисперсных порошков меди. .
Изобретение относится к технологии и средствам обработки воды, а более конкретно к обеззараживанию питьевой воды посредством насыщения наночастицами биоцидного действия.

Изобретение относится к способу получения наночастиц токопроводящих материалов. .

Изобретение относится к плазмохимической промышленности, в том числе к плазмохимическому синтезу с использованием индукционных разрядов трансформаторного типа низкого давления.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству металлических порошков

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения металлических гранул

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано при нанесении высокоэффективных каталитических нанопокрытий

Изобретение относится к плазменной технике и технологии

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению монодисперсных наноразмерных порошков с заданными структурами и составом. Может использоваться в фармацевтической, пищевой, текстильной промышленности и других областях науки. Диспергируемые вещества переводят в жидкое состояние путем нагрева в интервале температур выше, чем температура плавления, и ниже температуры кипения, или растворения в растворителе. Полученные жидкости размещают в сосуде, соединенном с эмиттером, на который подают потенциал, обеспечивающий получение стационарного потока с равномерной структурой частиц. Диспергирование осуществляют в инертной среде газа или жидкости с температурой, обеспечивающей переход частиц дисперсного потока в твердое состояние, причем инертную среду перемещают навстречу дисперсному потоку со скоростью ниже скорости витания частиц. Обеспечивается получение монодисперсных порошков однородного состава при исключении механических производственных процессов. 3 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к получению коллоидов металлов электроконденсационным методом. Может использоваться для создания каталитических систем, модификации волокнистых и пленочных материалов, например, для изготовления экранов защиты от электромагнитного излучения. В жидкую фазу вводят по меньшей мере одно поверхностно-активное вещество, по меньшей мере один неионогенный восстановитель, инертный газ в виде пузырьков с размером 0,1-0,5 мм и частицы диспергируемого металла. Сетчатые электроды, соотношение длин которых к расстоянию между ними равно 20÷200:1, погружают в жидкую фазу и пропускают переменный электрический ток между электродами и металлическими частицами при напряжении электрического тока 1,5-5,5 кВ и частоте 0,25-0,8 МГц. Одновременно осуществляют перемешивание путем непрерывной циркуляции жидкой фазы по замкнутому контуру, включающему межэлектродное пространство, после чего проводят обработку циркулирующей жидкой фазы ультразвуком с частотой 10-20. Обеспечивается повышение эффективности процесса непрерывного получения коллоидов металлов за счет уменьшения доли примесей в коллоиде. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Изобретение относится области порошковой металлургии, в частности к шихте электродного материала для электроискрового легирования деталей машин. Шихта содержит порошок карбида вольфрама и карбид титана. Порошок получен электродиспергированием отходов твердого сплава марки Т15К6 в керосине и имеет средний размер частиц 3-100 нм. В результате режущий инструмент, полученный электроискровым легированием этой шихтой, обладает высокой стойкостью при обработке им деталей. 4 пр., 4 табл.

Изобретение относится к металлургии. Устройство для извлечения элементов из оксидных руд в виде порошка содержит плазмотрон, подающий канал, реакционный канал, фильтр и емкость для сбора порошка. Кроме того, устройство снабжено емкостью для загрузки сырья в виде смеси нанопорошков угля и оксидной руды, форсункой для регулирования скорости подачи сырья из емкости в реакционный канал, расположенной в подающем канале, каналом для теплоносителя, расположенным с охватом реакционного канала и связанным с технологическим контуром, содержащим теплообменник, тепловую турбину и электрогенератор. Упомянутый технологический контур выполнен с возможностью утилизации тепловой энергии в виде разности между энергией, выделяющейся при окислении углерода, и энергией, необходимой для разложения оксидов, в электрическую энергию. Реакционный канал выполнен с расширением по диаметру от входа в него сырья и розжига сырья плазмотроном до зоны образования газов разложения оксидов и окисления углерода, а после реакционного канала установлен многосекционный фильтр. Обеспечивается извлечение элементов из оксидных руд в виде порошка, а также более полное использование разности тепловыделения при окислении углерода и разложении оксидов. 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к плазменно-дуговой технологии синтеза наноструктурированных композиционных материалов, в частности полых наночастиц γ-Al2O3. Способ синтеза полых наночастиц γ-Al2O3 реализуют в две стадии, причем на первой проводят плазменно-дуговой синтез алюминий-углеродного материала, включающий откачивание вакуумной камеры, наполнение ее инертным газом, зажигание электрической дуги постоянного тока между графитовым электродом и металл-углеродным композитным электродом и распыление композитного электрода, выполненого в виде графитового стержня с полостью, в которой установлена алюминиевая проволока при весовом соотношении C:Al 15:1, а на второй - отжиг синтезированного материала, в кислородсодержащей среде при атмосферном давлении и температуре 400-950°C в течение одного часа. Технический результат - получение при синтезе 100% пригодного для использования в каталитических приложениях и материаловедении нанодисперсного порошка оксида алюминия γ-Al2O3, частицы которого представляют собой полые сферы диаметром 6-14 нм. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к получению металлических порошков. Устройство содержит водоохлаждаемую рабочую камеру с контролируемой атмосферой, установленный в верхней части рабочей камеры плазмотрон для формирования плазменного потока, одно или несколько устройств для подачи пруткового материала в плазменный поток и сборник порошка, установленный в нижней части рабочей камеры. Рабочая камера выполнена с параллельно ей установленной рабочей ветвью, соединенной с ней при помощи верхнего и нижнего перепускных патрубков, с возможностью обеспечения циркуляции газового потока навстречу движению потока частиц порошка за счет установки вентилятора в нижнем перепускном патрубке. Верхний перепускной патрубок расположен ниже точки пересечения плазменного потока с прутковым материалом. Параллельная рабочая ветвь имеет расположенный в нижней её части дополнительный сборник порошка. Обеспечивается получение порошков сферической формы при отсутствии слипания частиц. 2 ил., 1 пр.
Наверх