Стеклометаллические микрошарики и способ их получения
Владельцы патента RU 2455118:
Общество с ограниченной ответственностью "ПЛАЗМИКА" (RU)
Изобретение относится к получению композиционных материалов, а именно стеклометаллических микрошариков, которые могут быть использованы в технике, биотехнологии, электронике и в ювелирном деле. Заявленный способ включает приготовление стержней, их плазменное распыление и улавливание образовавшихся стеклометаллических микрошариков. При этом используют стержни, состоящие из металлической проволоки, покрытой пастой на основе измельченного стекла и связующего. Плазменное распыление производят при мощности работы плазмотрона 9 кВт и скорости ввода стержней в плазменную горелку 8-12 мм/с. Технический результат - повышение производительности и энергоемкости процесса. 3 табл.
Изобретение относится к области получения стеклянных и стеклометаллических микрошариков и может быть использовано в технике, биотехнологии, электронике, а также в ювелирном деле.
Известен способ получения стеклянных микрошариков ⌀ 5-500 мкм путем оплавления предварительно измельченного стекла [1]. Также известен способ получения стеклянных микрошариков ⌀ 500-1500 мкм из расплава путем диспергации в газовом потоке с последующим охлаждением и улавливанием [1].
Однако, несмотря на неплохое качество продукта, данные способы имеют следующие недостатки: длительность процесса измельчения и последующего рассева; энергоемкая технологическая стадия получения расплава и сложность аппаратурного оформления, предназначенного для диспергации и улавливания конечного продукта.
Наиболее близким техническим решением является способ получения стекломикрошариков, заключающийся в смешении компонентов шихты, формовании стержней, их плазменном распылении и улавливании [2].
Недостатком данного способа является длительность технологического процесса, заключающегося в смешивании компонентов шихты в шаровой мельнице с последующим высушиванием, значительная энергоемкость процесса получения микрошариков и низкая производительность.
Преимуществом предлагаемого способа является ускорение процесса получения стекломикрошариков, снижение энергоемкости, а также возможность получения стеклометаллических микрошариков.
Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом способе используются стержни на основе металлической проволоки, покрытой пастой, состоящей из молотого стекла и связующего. При этом плазменное распыление производится при мощности работы плазмотрона 9 кВт, а стержни вводятся в плазменную горелку со скоростью 8-12 мм/сек.
Отличительным признаком предлагаемого способа является увеличение скорости ввода стержней в плазменную горелку, снижение мощности работы плазмотрона до 9 кВт и возможность получения нового композиционного материала - стеклометаллических микрошариков.
Таким образом, основным отличительным признаком является использование стержней на основе металлической проволоки, покрытой слоем измельченного стекла.
Изобретательский уровень подтверждается тем, что изменение состава стержней для плазменного напыления позволяет получить стеклометаллические микрошарики, снизить энергозатраты и повысить скорость ввода стержней в плазменную горелку.
Проведенный анализ известных способов получения микрошариков позволяет сделать заключение о соответствии заявленного изобретения критерию «новизна».
Сопоставительный анализ технологических операций известного и предлагаемого способов позволил определить новизну последнего.
Так, в известном способе необходима длительная во времени операция смешивания исходных компонентов в шаровой мельнице. В предлагаемом способе данная технологическая операция отсутствует. Одним из отличительных признаков предлагаемого способа являются принципиально новые технологические операции помола исходного стекла в шаровой мельнице и нанесение пасты на поверхность металлической проволоки (таблица 1).
| Таблица 1 | ||
| Технологические операции известного и предлагаемого способов | ||
| № п/п | Известный способ | Предлагаемый способ |
| 1 | Смешивание исходных компонентов шихты в шаровой мельнице | Помол исходного стекла в шаровой мельнице и рассев на ситах |
| 2 | Смешивание шихты со связующей добавкой в соотношении 10:1 | Смешивание стеклопорошка со связующей добавкой в соотношении 10:1 |
| 3 | Формование и сушка стержней | Нанесение пасты стеклопорошка со связующей добавкой на поверхность металлической проволоки с последующей сушкой |
| 4 | Ввод стержней в плазменную горелку | Ввод стержней в плазменную горелку |
| 5 | Улавливание микрошариков в специальном сборнике | Улавливание микрошариков в специиальном сборнике |
Технологические параметры известного и предлагаемого способов представлены в таблице 2. Отличительными признаками предлагаемого способа являются мощность работы плазмотрона 9 кВт и скорость ввода стержней в плазменную горелку 8-12 мм/с.
| Таблица 2 | ||||
| Сопоставительный анализ известного и предлагаемого способов | ||||
| № п/п | Параметры | Ед. измерения | Известный способ | Предлагаемый способ |
| 1 | Плазмотрон | УПМ-3 | УПМ-8 | |
| 2 | Плазменная горелка | ГН-5Р | ГН-5Р | |
| 3 | Параметры работы плазмотрона: | |||
| - ток | ||||
| - напряжение | А | 400-450 | 300 | |
| - мощность | В | 30-32 | 30-32 | |
| кВт | 12-13,5 | 9 | ||
| 4 | Плазмообразующий газ | - | Аргон | Аргон |
| 5 | Расход плазмообразующего газа | кг/с | 0,0014 | 0,0014 |
| 6 | Давление плазмообразующего газа | МПа | 0,27-0,29 | 0,27-0,29 |
| 7 | Связующее вещество | - | Клей ПВА | Клей ПВА |
| 8 | Соотношение «шихта | - | ||
| - связующее вещество» | 10:1 | 10:1 | ||
| 9 | Стержни для получения | |||
| микрошариков: | ||||
| - диаметр | мм | 2-4 | 2-4 | |
| - длина | мм | 250-300 | 250-300 | |
| 10 | Скорость ввода стержней | мм/с | ||
| в плазменную горелку | 2-3 | 8-12 | ||
| 11 | Диаметр микрошариков | мм | 1100-1250 | 300-1100 |
| 12 | Состав микрошариков | - | Стекло на основе Al2O3 и Y2O3 | Сортовое стекло и металл (медь и алюминий) |
| 13 | Гранулометрический состав стеклопорошка | мкм | - | 50-100 |
В предлагаемом способе определены оптимальные технологические параметры получения стекломикрошариков.
При вводе в плазменную горелку стержней на основе металлической проволоки и пасты из молотого стекла и связующего происходит интенсивное плавление композита, смешивание расплавленных частичек металла со стеклом и образование стеклометаллических шариков диаметром 300-1100 мкм. В предлагаемом способе определены оптимальные технологические параметры получения стеклометаллических микрошариков. Интенсивное плавление стержней и образование стеклометаллических микрошариков происходит при скорости их ввода в плазменную горелку 8-12 мм/с и мощности работы плазмотрона 9 кВт (таблица 3).
| Таблица 3 | |||
| Влияние мощности работы плазмотрона и скорости ввода стержней в плазменную горелку на процесс образования стеклометаллических микрошариков | |||
| № п/п | Мощность работы плазмотрона, кВт | Скорость ввода стержней в плазменную горелку, мм/с | Качество конечного продукта |
| 1 | 6 | 4-7 | Стеклянная оболочка частично не расплавляется |
| 2 | 6 | 8-12 | Стеклянная оболочка частично не расплавляется |
| 3 | 6 | 13-16 | Стеклянная оболочка частично не расплавляется |
| 4 | 9 | 4-7 | Вместе с микрошариками образуются стеклонити |
| 5 | 9 | 8-12 | Образуются стеклометаллические микрошарики |
| 6 | 9 | 13-16 | Стеклянная оболочка частично не расплавляется |
| 7 | 12 | 4-7 | Вместе с стеклометаллическими микрошариками интенсивно образуются стеклонити |
| 8 | 12 | 8-12 | Вместе с стеклометаллическими микрошариками интенсивно образуются стеклонити |
| 9 | 12 | 13-16 | Вместе с стеклометаллическими микрошариками интенсивно образуются стеклонити |
Пример. Получение стеклометаллических микрошариков из меди и синего кобальтового стекла
Для получения стеклометаллических микрошариков использовали медную проволоку диаметром 1,0 мм и синее кобальтовое стекло.
Предварительно синее кобальтовое стекло мололи в шаровой мельнице с последующим рассевом на фракции 50-100 мкм. Пластическую пасту готовили методом смешивания стеклопорошка со связующей добавкой, которой служил клей ПВА. Соотношение стеклопорошка и связующей добавки составляло 10:1. Медная проволока разрезалась на прутки 300 мм и методом пластического формования проволока заформовывалась в пасту на основе стеклопорошка и связующего.
После сушки стержни вводили в плазменную горелку ГН - 5Р электродугового плазмотрона УПУ - 8М. Оптимальная скорость ввода стержней в плазменную горелку составляла 8-12 мм/с.Мощность работы плазмотрона составляла 9 кВт/час. Плазмообразующим газом служил аргон, расход которого составлял 0,0014 кг/с при давлении 0,27-0,29 МПа.
В процессе распыления в плазменной горелке образовывались стеклометаллические микрошарики ⌀0,3-1,1 мм.
Стеклометаллические микрошарики как композиционный материал получен впервые и не имеет аналогов в мировой практике.
Литература
1. Будов В.М., Егорова Л.С. Стеклянные микрошарики. Применение, свойства, технология. // Стекло и керамика. - 1993, №7. с.2-5.
2. Крохин В.П., Бессмертный B.C., Пучка О.В., Никифиров В.М. Синтез алюмоиттриевых стекол и минералов. // Стекло и керамика. - 1997, №9, с.6-7.
Способ получения микрошариков, включающий приготовление стержней, их плазменное распыление и улавливание образовавшихся микрошариков, отличающийся тем, что используют стержни, состоящие из металлической проволоки, покрытой пастой на основе измельченного стекла и связующего, а плазменное распыление с последующим улавливанием стеклометаллических микрошариков производят при мощности работы плазмотрона 9 кВт и скорости ввода стержней в плазменную горелку 8-12 мм/с.
