ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ, 2015, том 49, № 4, с. 302-307
НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ^^^^^^^^^^^^ СИСТЕМЫ И МАТЕРИАЛЫ
УДК 66.086.2;548.522;54.057
ПОЛУЧЕНИЕ НАНОПОРОШКОВ ОКСИДА ВОЛЬФРАМА WO3 МЕТОДОМ ИСПАРЕНИЯ-КОНДЕНСАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СФОКУСИРОВАННОГО СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ С ЧАСТОТОЙ 24 ГГц
© 2015 г. А. В. Самохин*, Н. В. Алексеев*, А. В. Водопьянов**, ***, Д. А. Мансфельд**, М. А. Синайский*, Ю. В. Цветков*, А. Г. Еремеев**, И. В. Плотников**
*Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН 119991, Москва, Ленинский просп., 49 **Институт прикладной физики РАН 603950, Нижний Новгород, ул. Ульяновой, 46 ***Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского 603950, Нижний Новгород, просп. Гагарина, 23 Е-таП: samokhin@imet.ac.ru Поступила в редакцию 21.01.2015 г.
Приведены результаты экспериментальных исследований получения частиц оксида вольфрама из паров, образующихся при испарении исходного материала сфокусированным потоком электромагнитного излучения с частотой 24 ГГц, генерируемом в гиротронном комплексе мощностью 5 кВт с расчетной плотностью потока СВЧ энергии 10 кВт/см2. Получены порошки состоящие из частиц, размеры которых находятся в диапазоне 20 нм до 1 мкм. Частицы имеют различную форму — как близкую к сферической, так и форму октаэдров, что свидетельствует о протекании формирования частиц по механизмам "пар—жидкость—кристалл", так и "пар—кристалл". Максимальная скорость испарения составила 100 г/ч. Установлена возможность управления дисперсностью получаемого порошка при изменении расхода охлаждающего воздуха.
БО1: 10.7868/80023119315040142
СВЧ-нагрев широко используется для проведения различных процессов получения и обработки неорганических материалов [1—4], при этом преобладающим образом такие процессы основаны на применении электромагнитного СВЧ поля дециметрового диапазона длин волн (частота в окрестности 900 МГц и 2.45 ГГц), генерируемого в магнетронах. Помимо магнетронов созданы и эксплуатируются СВЧ-генераторы — гиротроны, работающие на частотах в диапазоне 24-700 ГГц мощностью 5-1000 кВт [5, 6]. Увеличение частоты электромагнитного поля в процессах получения и обработки материалов обеспечивает повышение эффективности нагрева материала вследствие возрастания коэффициента поглощения СВЧ-энергии. Кроме того, увеличение частоты и, соответственно, уменьшение длины волны излучения обеспечивает возможность его фокусировки до пятна с характерным размером порядка миллиметров и достижения высоких плотностей потока энергии, воздействующего на материал. С использованием сфокусированных потоков СВЧ-излуче-ния с высокой плотностью мощности может быть осуществлен локальный нагрев материала до температур испарения и соответственно реализованы
процессы получения нанопорошков методом "испарения-конденсации".
Известно использование для таких процессов высококонцентрированных потоков энергии -лазерного излучения [7], электронного пучка [8], электрической дуги [9]. Проведение процессов "испарения—конденсации" с получением нано-порошков чистых химических элементов и их неорганических соединений с использованием сфокусированного СВЧ-излучения миллиметрового диапазона длин волн не рассматривалось, за исключением предложенного способа бурения горных пород (гранита, базальта, известняка) за счет испарения минералов под воздействием сфокусированного СВЧ-излучения миллиметрового диапазона длин волн [10—12].
В данной работе представлены результаты впервые выполненных экспериментальных исследований формирования наночастиц оксида вольфрама из паров, образующихся при испарении исходного материала под воздействием сфокусированного потока электромагнитного излучения с частотой 24 ГГц.
Рис. 1. Экспериментальная установка. 1 — Блок генерации СВЧ-излучения, 2 — волновод, 3 — блок фокусировки и испарения—конденсации.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились с использованием гиротронного комплекса ИПФ РАН с номинальной выходной мощностью 7 кВт, работающего на частоте 24 ГГц в непрерывном режиме (рис. 1). Система генерации и ввода СВЧ-излучения состоит из следующих элементов: источник СВЧ-излуче-ния — гиротрон, фильтр мод, преобразователь мод, СВЧ-окно, преобразователь моды в гауссов пучок, фокусирующие зеркало.
Выходом гиротрона является круглый волновод с внутренним диаметром 32.6 мм, рабочая мода Н12. Мощность излучения может изменяться от 100 Вт до 7 кВт. Для исключения попадания отраженной мощности в гиротрон, что может привести к его повреждению, в линию передачи установлен щелевой фильтр мод с водяным охлаждением (рис. 2). Фильтр обладает селективным поглощением, пропуская полностью излучение на моде Н12 и поглощая большинство других мод.
Затем в линии передач установлен преобразователь мод, представляющий собой волновод с переменным сечением. На вход преобразователя подается излучение на моде Н12, на выходе излучение оказывается в дипольной моде круглого волновода — Н11. Эффективность преобразования мощности выше 99.5%. Преобразователь мод необходим для дальнейшего преобразования излучения в гауссов пучок. После преобразователя мод в подводящем тракте СВЧ- излучения установлено охлаждаемое СВЧ-окно. Окно необходимо для отсечения блока испарения — конденсации от волноводного тракта и предотвращения попадания порошков в волноводный тракт. Рабочая часть окна выполнена из нитрида бора, прозрачного для СВЧ-излучения и обладающего достаточной теплопроводностью для отведения поглощенного СВЧ-излучения. Толщина окна составляет 2.9 мм и подобрана для максимизации коэффициента прохождения излучения. Окно герметично установлено на фланце блока
304
САМОХИН и др.
(а)
воздух
(б)
воздух
воздух
Рис. 2. Схемы организации процесса испарения—конденсации.
испарения-конденсации. Преобразование СВЧ-излучения с волноводной модой в гауссов пучок происходит при помощи волноводного патрубка специальной формы, установленного во внутренней части блока испарения-конденсации. Расчетный коэффициент преобразования по мощности составляет 85%. Расходящийся гауссов пучок электромагнитного излучения поворачивается на 90° и фокусируется на поверхности испаряемого материала при помощи параболического зеркала, закрепленного на верхнем фланце блока испарения-конденсации. Расстояние от центра зеркала до фокальной перетяжки составляет 33 см. Диаметр фокальной перетяжки составлял 8 мм, таким образом, плотность мощности на поверхности испаряемого материала составляла до 13 кВт/см2.
Процесс испарения-конденсации осуществлялся при воздействии сфокусированного микроволнового излучения на слой порошка обрабатываемого материала, обеспечивающем его испарение, последующую конденсацию паров в потоке газа и осаждение образовавшихся частиц на водоохлажда-емую поверхность. Были испытаны два варианта конструкции узла испарения, в первом из которых (рис. 2а) узел выполнен из круглых плит теплоизоляционного материала ТЕРМОИЗОЛ 1400У (НПО "Термокерамика", максимальная рабочая температура 1400°С), соединенных по плоскости. В верхней плите имеется коническое отверстие, через которое обеспечивается ввод сфокусированного потока микроволнового излучения к тиглю, расположенному в цилиндрическом канале нижней плиты.
По диаметру плит в плоскости их контакта имеется плоский щелевой канал, через который осуществлялся проток газа над поверхностью тигля с загруженным для испарения материалом. Выходящий из щели газодисперсный поток поступает сначала в осадитель, выполненный в виде стального цилиндрического канала с водоохлаждаемой стенкой, а далее в теплообменник и затем на утилизацию. На стенке происходит осаждение частиц материала, образовавшихся из паров обрабатываемого материала. Во втором варианте конструкции узла испарения-конденсации (рис. 2б) тигель с испаряемым материалом размещался в металлическом цилиндрическом канале с водоохлаждаемыми стенками. Излучение направлялось на поверхность материала через отверстие с кварцевым окном в верхней части канала. Через это отверстие поступал и газовый поток (воздух) по нормали к слою испаряемого порошка. При смешении газа с парами происходила их быстрое охлаждение и конденсация с образованием частиц, которые осаждались на во-доохлаждаемой поверхности цилиндрического канала. Далее, как и в первом варианте, газодисперсный поток направлялся на утилизацию.
В экспериментах изучался процесс испарения-конденсации оксида вольфрама - при воздействии СВЧ-излучения на свободно насыпанный слой порошков обрабатываемого материала.
Процесс испарения-конденсации проводился в потоке воздуха, расход которого варьировался в пределах 1.6-14 м3/ч.
Рис. 3. Тигель с WO3 до и после обработки сфокусированным СВЧ-излучением.
Для определения физико-химических характеристик полученных порошков использовались следующие методы анализа: измерение удельной поверхности порошков методом тепловой десорбции азота (метод БЭТ) на анализаторе удельной поверхности и пористости TriStar 3000 (Micromeritics); определение функции распределения частиц по размеру методом лазерной дифракции — анализатор Mastersizer 2000 (Malvern); для получения изображений частиц порошков использовался электронный микроскоп VERSA 3 D (FEI Company).
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Эксперименты по испарению-конденсации оксида вольфрама, выполненные с использованием теплоизолированного блока (рис. 2а), показали, что данная конструкция не обеспечивает надежного проведения процесса. Использованный теплоизоляционный материал после проведения нескольких экспериментов при СВЧ-мощности не более 5 кВт начал разрушаться, в результате чего характер течения газа и его взаимодействие с поверхностью испарения стало неконтролируемым и полученные образцы не могли быть поставлены в соответствие с параметрами процесса.
Испытания конструкции охлаждаемого блока испарения-конденсации (рис. 2б) показали его работоспособность и возможность использования для проведения экспериментальных работ. Гиротронный комплекс и система фокусировки обеспечивали расчетную плотность потока СВЧ-энергии 13 кВт/см2 при номинальной мощности гиротрона 7 кВт.
Обработка оксида вольфрама проводилась при постоянной
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.