Способ получения наночастиц
Владельцы патента RU 2468989:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский федеральный университет" (СФУ) (RU)
Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано при нанесении высокоэффективных каталитических нанопокрытий. Способ включает расплавление и диспергирование расплавленного тугоплавкого материала в вакуумной камере при помощи импульсного дугового разряда низкого давления, длительностью импульсов от 10 до 300 мкс, частотой следования импульсов до 1 кГц при давлении смеси гелия и реакционного газа в диапазоне 40-80 Па, подачу полученных жидких капель этого материала в плазму, охлаждение жидких наночастиц, формируемых в плазме до их отвердевания, и осаждение полученных твердых наночастиц. Техническим результатом изобретения является получение наночастиц тугоплавкого материала узкой дисперсии. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 1 пр.
Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности к технологиям получения наноструктурированных материалов, может быть использовано при нанесении высокоэффективных каталитических нанопокрытий.
Известен способ получения наночастиц (патент RU 2265076, МПК С23С 4/00, B01J 2/02, B22F 9/00, опубл. 27.11.2005, бюл. №33), который включает диспергирование материала путем приложения к острийному катоду из проводящего материала с радиусом кривизны острия не более 10 мкм электрического поля с напряженностью поля на вершине острия не менее 107 В/см, подачу полученных жидких капель этого материала в плазму электрического разряда с длительностью импульса не менее 10 мкс, создаваемого в инертном газе при давлении 10-3-10-1 Па между электродами при разности потенциалов не менее 2 кВ и одновременном воздействии магнитным полем напряженностью не менее 600 Гс, нормальным к упомянутому электрическому полю, создающему упомянутую плазму, охлаждение в инертном газе образовавшихся в упомянутой плазме жидких наночастиц до затвердевания и нанесение полученных твердых наночастиц на носитель.
Известен способ получения осажденных на носителе наночастиц металла или полупроводника (патент RU 2380195, МПК B22F 9/14, В82В 3/00, С23С 4/00, опубл. 27.01.2010, бюл. №35), который включает расплавление и диспергирование расплавленного материала, подачу полученных жидких капель этого материала в плазму, охлаждение жидких наночастиц, формируемых в плазме до их отвердевания, и осаждение полученных твердых наночастиц на носитель. В частных случаях реализации предложенного способа диспергирование жидкого материала, охлаждение жидких наночастиц до их затвердевания происходит в плазме катодных пятен вакуумного (p≤10-1 Па) электродугового разряда при напряжении не менее 10 В и разрядном токе между катодом и анодом не менее 10 А, при этом температуру катодного электрода можно устанавливать выше температуры плавления материала катода.
К недостаткам вышеуказанных способов следует отнести невозможность получения наночастиц с размером до 50 нм и с узкой (среднегеометрическое отклонение σ<1,5) дисперсией.
Техническим результатом изобретения является получение наночастиц тугоплавкого материала малого размера и более узкой дисперсией.
Задача для достижения технического результата решается тем, что в способе получения наночастиц, включающем расплавление и диспергирование расплавленного материала в вакуумной камере, подачу полученных жидких капель этого материала в плазму, охлаждение жидких наночастиц, формируемых в плазме до их отвердевания, и осаждение полученных твердых наночастиц, согласно изобретению расплавление и диспергирование расплавленного тугоплавкого материала осуществляют при помощи импульсного дугового разряда низкого давления, длительностью импульсов от 10 до 300 мкс, частотой следования импульсов до 1 кГц при давлении смеси гелия и реакционного газа в вакуумной камере в диапазоне 40-80 Па. Смесь гелия и реакционного газа состоит из 20% азота и 80% гелия.
Длительность импульса дугового разряда должна быть подобрана исходя из следующих условий: с одной стороны быть меньше времени образования на мишени сплошной жидкой ванны, а с другой стороны обеспечивать введение энергии, достаточной для испарения тугоплавкого материала, и создания достаточно низкой плотности паров для исключения объединения получаемых частиц. Указанные условия по энергии ионов достигаются, если длительность импульса ограничена пределами от 10 до 300 мкс.
Давление смеси гелия и реакционного газа в вакуумной камере взято в диапазоне от 40 до 80 Па. Если взять давление в системе ниже 40 Па, то наночастицы теряют долю тепла вследствие молекулярного теплообмена и размер их будет увеличен. Верхнее значение давления смеси гелия и реакционного газа может быть оценено исходя из критерия устойчивости импульсного дугового разряда и возможности магнитной стабилизации его на поверхности катода. Это давление не должно быть более 80 Па. При повышении давления в системе выше 80 Па наблюдаются неустойчивости и частые обрывы дугового разряда.
На фиг.1 показана схема вакуумной ионно-камерной установки; на фиг.2 - микрофотография наночастиц тугоплавкого материала с размером в пределах до 20 нм.
Вакуумная ионно-камерная установка содержит вакуумную камеру 1, в которой расположен импульсный дуговой испаритель, состоящий из цилиндрического охлаждаемого расходуемого катода 2, выполненного из тугоплавкого материала для получения наночастиц, с пристыкованным к нему токоподводом 3 для подачи электропитания и охлаждающей жидкости, коаксиального охлаждаемого анода 4, прикрепленного к катоду 2 с помощью фторопластового изолятора, систему 5 подмагничивания, установленную внутри анода 4. В камере 1 установлен анод 6, соединенный с цилиндрической поверхностью камеры 7 конденсации, установленной с возможностью вращения вокруг катода 2, поджигающий электрод 8 с пристыкованным к нему токоподводом 9. Электропитание дежурной дуги осуществляется при помощи блока 10 электропитания, «минус» питания которой подключен через систему 5 подмагничивания к токоподводу 3, а «плюс» питания - к коаксиальному аноду 4. У поверхности камеры 7 конденсации установлен механизм съема образующегося порошка. Для сбора порошка в нижней части вакуумной камеры 1 установлен бункер 11. В нижней части вакуумной камеры 1 установлена система 12 газонапуска.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.
После достижения в вакуумной камере 1 низкого давления 1,33 10-3 Па, при помощи системы 12 газонапуска устанавливается давление газовой смеси гелия и реакционного газа. Включается блок 10 электропитания. Величина тока дежурной дуги выбрана до 3 кА - необходимой для поддержания устойчивого дугового разряда. В результате загорания дежурной дуги пространство между катодом 2 и анодом 6 оказывается ионизованным, что облегчает зажигание импульсной сильноточной дуги. Импульсный дуговой разряд с частотой и длительностью импульса поддерживается при помощи блока 10 электропитания. Расплавление тугоплавкого материала катода 2 и его диспергирование в макрокапли происходит в кратере катодного пятна. Полученные капли поступают в плотную эрозионную плазму катодного пятна. В результате все капли заряжаются и нагреваются вследствие столкновений с электронами как минимум до критической величины начала их каскадного деления за время их пролета в плазме катодного пятна. Полученные наночастицы тугоплавкого материала охлаждаются до затвердевания в быстро расширяющейся плазме катодного пятна и в плазме межэлектродного разряда за время около 10-7 с, что приводит к аморфизации их структуры. В процессе испарения материала катода 2 в дуговом разряде поток наночастиц тугоплавкого материала поступает на вращающуюся охлаждаемую поверхность камеры 7 конденсации, осаждается на ней и в виде порошка снимается скребком. Полученный порошок собирается в бункере 11. Химическая формула наночастиц зависит от тугоплавкого материала расходуемого катода 2.
Пример. Получение наночастиц нитрида титана.
Расходуемый катод 2 выполнен из титана марки ВТ1-00. После достижения в вакуумной камере 1 давления 1,33·10-3 Па, при помощи системы 12 газонапуска устанавливается давление газовой смеси 20% азота (N) + 80% гелия (He) от 40 до 80 Па. Импульсный дуговой разряд с частотой до 1 кГц и длительностью импульса 10-300 мкс поддерживается при помощи блока 10 электропитания. Наночастицы нитрида титана расплавили и диспергировали в кратере катодного пятна при выбранных нами значений диапазона параметров, описанных выше. Данный способ получения наночастиц тугоплавкого материала проводился при различных величинах основных параметров: длительность импульса 10, 20, 300 мкс; частота импульса 40, 50, 100 Гц; давление газовой смеси 40, 50, 80 Па. Размер и среднегеометрическое отклонение наночастиц тугоплавкого материала были определены с помощью электронного микроскопа. Данные испытаний приведены в таблице.
| Таблица | |||||||
| Материал | Длительность импульса, мкс | Частота, Гц | Давление газовой смеси, Па | Средний размер наночастиц, нм | Средне геометрическое отклонение, σ | Выход порошка, г/ч | Наработка, мин |
| нитрид титана TiN | 10 | 40 | 40 | 18 | 1,3 | 7 | 30 |
| 20 | 50 | 50 | 15 | 1,2 | |||
| 300 | 100 | 80 | 20 | 1,4 |
Как видно из таблицы, наилучший технический результат изобретения - малый размер и узкая дисперсия достигается в случае, когда длительность импульса составляет 20 мкс, частота - 50 Гц, давление газовой смеси - 50 Па.
Заявляемый способ обеспечивает получение наночастиц тугоплавкого материала с размером 15-20 нм с узкой дисперсией при высокой производительности и эффективности.
1. Способ получения наночастиц, включающий расплавление и диспергирование расплавленного материала в вакуумной камере, подачу полученных жидких капель этого материала в плазму, охлаждение жидких наночастиц, формируемых в плазме, до их отвердевания и осаждение полученных твердых наночастиц, отличающийся тем, что расплавление и диспергирование расплавленного тугоплавкого материала осуществляют при помощи импульсного дугового разряда низкого давления, длительностью импульсов от 10 до 300 мкс, частотой следования импульсов до 1 кГц при давлении смеси гелия и реакционного газа в вакуумной камере в диапазоне 40-80 Па.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что смесь гелия и реакционного газа в вакуумной камере содержит 20% азота и 80% гелия.
