Способ получения волокон в электрическом однородном поле

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности, может быть использовано в химической промышленности, электронике, медицине, машиностроении для изготовления пластмасс, компонентов топливных ячеек, аккумуляторов, суперконденсаторов, дисплеев, источников электронов, материалов для протезирования, а также в качестве компонента композиционных материалов, применяемых в авто- и/или авиастроении. Техническим результатом данного изобретения является получение углеродных волокон и волокон-вискерсов в электрическом однородном поле при лазерном воздействии на различные мишени в атмосфере воздуха, уменьшение себестоимости посредством снижения энергетических затрат не ухудшая качества выпускаемой продукции. Сущность изобретения: в способе получения волокон в электрическом однородном поле при лазерном воздействии на мишень, углеродосодержащую мишень помещают в электрическое однородное поле и в атмосфере воздуха воздействуют на нее лазерным излучением интенсивностью 10⁷-10⁹ Вт/см², чтобы образовался плазменный факел, в котором присутствуют атомы и ионы углерода. В результате продолжительного воздействия образуется плазменный жгут, который направлен навстречу лазерному лучу и отклоняется на электрод, который имеет отрицательный заряд. В точке соприкосновения плазменного жгута и электрода формируются перепутанные углеродные волокна. 3 ил.

 

Изобретение относится к области нанотехнологии, в частности может быть использовано в химической промышленности, электронике, медицине, машиностроении для изготовления пластмасс, компонентов топливных ячеек, аккумуляторов, суперконденсаторов, дисплеев, источников электронов, материалов для протезирования, а также в качестве компонента композиционных материалов, применяемых в авто- и/или авиастроении.

Известен способ изготовления длинных ориентированных жгутов углеродных нановолокон (Патент №2393276, МПК D01F 9/127, B82B 3/00, C01B 31/02). Способ заключается в том, что катализатор роста углеродных нановолокон после его предварительной высокотемпературной обработки помещают в реактор, нагревают реакционную зону до температуры пиролиза подаваемой в реактор углеродсодержащей парогазовой смеси. Смесь включает активаторы на основе серосодержащих или кислородсодержащих соединений. Затем выдерживают при температуре пиролиза до образования вышеуказанных жгутов и реактор охлаждают. Линейная скорость подачи углеродсодержащей парогазовой смеси находится в интервале от 20 до 300 мм/с. Изобретение обеспечивает получение длинных ориентированных жгутов углеродных нановолокон с многослойной структурой.

Недостатком является то, что необходимо использовать смесь активаторов на основе серосодержащих или кислородсодержащих соединений, а использование серосодержащих соединении является вредным экологическим фактором производства. Также выдерживать катализатор роста углеродных нановолокон при температуре пиролиза до образования жгутов, что является сложной технической задачей.

Известен способ получения углеродных нановолокон (Патент №2350555, МПК C01B 31/02, B82B 3/00). Газ, образующийся при электрокрекинге жидких углеводородов, содержащий ацетилен и водород, с расходом 1400-1700 час^-1, подвергают термокаталитическому разложению при 250-300°C на катализаторе на основе карбидообразующих металлов VIII группы. Изобретение позволяет повысить производительность процесса, снизить температуру и увеличить скорость образования углерода, повысить выход целевого продукта.

Недостатком является то, что необходимо применение жидких углеводородов и водорода, которые подвергают термокаталитическому разложению при 250-300°C на катализаторе на основе карбидообразующих металлов VIII группы. Это является сложно реализуемой и дорогостоящей задачей. Необходимо использовать дополнительного специальное оборудование для улавливания водорода во избежание детонации.

Известен способ нанесения оптического покрытия на основе ориентированных в электрическом поле углеродных нанотрубок для оптического приборостроения, микро- и наноэлектроники при нивелировании границы раздела сред: твердая подложка-покрытие (Заявка на патент №2008151250, МПК G02B 1/00, B82B 1/00). В данном способе оптическое покрытие содержит слой напиленных с использованием излучения квазинепрерывного CO₂-лазера углеродных нанотрубок на подложку из органического или неорганического материала для повышения однородности, расширения спектральной области функционирования осаждаемого покрытия, повышения механической и лазерной прочности, уменьшения шероховатостей поверхности, а также для создания гомеотропной ориентации молекул органических систем, в том числе жидкокристаллических, используется один слой углеродных нанотрубок, ориентированных в электрическом поле с напряженностью 50-250 В/см, с размером неоднородностей на уровне нанометров, со спектральными характеристиками, позволяющими оптическому покрытию увеличивать пропускание излучения в УФ, видимой и ИК-областях спектра, с улучшенной механической и лазерной прочностью и нивелирующем границу раздела сред: твердая подложка-покрытие.

Недостатком является то, что необходимо напилить углеродные нанотрубки строго определенного размера. Диагностика и отбор этих объектов по заданным размерным критериям требует использование дорогостоящей техники (АСМ, РЭМ и т.д.) и дополнительных методов обработки.

Известен способ электродугового получения углеродных нанотрубок (Патент №2370434, МПК C01B 31/00, B82B 3/00). Углеродные нанотрубки получают электродуговым способом в атмосфере аргона с применением полого графитового анода, содержащего наполнитель, которым служит сульфид цинка. Полученные углеродные нанотрубки содержат 0,04-0,06 мас.% цинка.

Недостатком является то, что получение углеродных нанотрубок осуществляют в атмосфере аргона, и полученные углеродные нанотрубки содержат 0,04-0,06 мас.% цинка. Данное содержание цинка отрицательно влияет на свойства углеродных нанотрубок.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ Carbon nanotube manufacturing apparatus and method for manufacturing carbon nanotube (United States Patent Application 20070031317, D01F 9/12 20060101 D01F 009/12). В данной заявке для производства углеродных нанотрубок углеродную мишень нагревают высокочастотным нагревателем, углеродосодержащий пар ионизируют и пропускают его через постоянное электрическое поле. Прошедшие углеродные пары осаждаются на подогреваемую подложку, на которой формируются углеродные нанотрубки.

К недостаткам данного способа можно отнести то, что необходимо использовать токи высокого напряжения для нагрева мишени и подложки. А также нагревается вся мишень, что приводит к быстрому разрушению мишени.

Техническим результатом данного изобретения является получение волокон и волокон-вискерсов в электрическом однородном поле при лазерном воздействии на различные мишени (углеродные, металлические) в атмосфере воздуха. Также нет необходимости нагревать всю мишень, что является более целесообразным для ее сохранения и дальнейшего использования. Это приводит к уменьшению себестоимости посредствам снижения энергетических затрат не ухудшая качества выпускаемой продукции.

Технический результат достигается тем, что в способе получения волокон в электрическом однородном поле на углеродную мишень, помещенную в однородное электрическое поле напряженностью 10⁵-10⁷ В/м, воздействуют лазерным излучением интенсивностью 10⁷-10⁹ Вт/см² в атмосфере воздуха в течение 5-10 секунд до образования плазменного факела, который направлен навстречу лазерному лучу и отклоняется на электрод, имеющий отрицательный заряд, где в точке соприкосновения плазменного факела и электрода формируются перепутанные углеродные волокна. Для получения волокон-вискерсов лазерному воздействию интенсивностью 10⁷-10⁹ Вт/см² подвергают металлическую мишень в атмосфере воздуха, которая располагается в электрическом однородном поле напряженностью 10⁵-10⁷ В/м. В результате лазерного воздействия от 5-10 секунд образуется плазменный факел, который распространяется навстречу лазерному лучу и при отклонении к положительному электроду за счет окисления продуктов абляции с образованием электроотрицательного оксида.

Особенность способа заключается в лазерно-плазменных технологиях. Воздействие высококонцентрированного лазерного излучения на поверхность мишени в атмосфере воздуха приводит к образованию плазмы над поверхностью мишени. В плазме содержаться ионы и атомы мишени, которые распространяются в плазменном факеле, направленном навстречу лазерному лучу. Воздействие лазерного излучения на мишень происходит в однородном постоянном электрическом поле, что приводит к отклонению плазменного факела. После вылета продуктов абляции из лазерного излучения происходит их взаимодействие с атмосферным воздухом с последующим осаждением продуктов взаимодействия на отрицательный электрод. В результате происходит образования в зоне соприкосновения на поверхности отрицательного электрода: углеродных перепутанных волокон, если мишень углеродная; волокон-вискеров, если мишень металлическая.

Используя в качестве мишени углеродосодержащие материалы, на поверхности отрицательного электрода в зоне соприкосновения формируются перепутанные углеродные волокна (фиг.2). Формирование волокон-вискеров (фиг.3) на поверхности положительного электрода происходит тогда, когда в качестве мишени используются металлы, образующие электроотрицательные оксиды.

Предлагаемый способ получения волокон в однородном электрическом поле в атмосфере воздуха при воздействии лазерного излучения на мишень может рассматриваться как альтернативный способ получения углеродных волокон без дорогостоящего оборудования (вакуумной камеры высокого давления, дорогостоящих катализаторов, инертных газов, дополнительного оборудования и т.д.), тем самым удешевляет технологический цикл готовых изделий с возможностью дальнейшего использования.

Получаемые углеродные волокна могут использоваться в различных отраслях промышленности в качестве катализаторов, наполнителей и т.д.

Пример осуществления способа. На фиг.1 представлена схема получения углеродных волокон в электрическом однородном поле при лазерном воздействии на углеродосодержащую мишень в атмосфере воздуха. Воздействуя непрерывным лазерным излучением 1 (λ-1.06 мкм, мощностью 50 Вт) на углеродную мишень 2 в течение 5 секунд, образовывается плазменный факел, который распространяется в однородном электрическом поле напряженностью 10⁵ В/м навстречу лазерному излучению и отклоняется на заряженный электрод 3, имеющий отрицательный заряд. В точке соприкосновения плазменного факела и электрода формируются перепутанные углеродные волокна (фиг.2).

Способ получения волокон в электрическом однородном поле, отличающийся тем, что на углеродную мишень, помещенную в однородное электрическое поле напряженностью 10⁵-10⁷ В/м, воздействуют лазерным излучением интенсивностью 10⁷-10⁹ Вт/см² в атмосфере воздуха в течение 5-10 с до образования плазменного факела, который направлен навстречу лазерному лучу и отклоняется на электрод, имеющий отрицательный заряд, где в точке соприкосновения плазменного факела и электрода формируются перепутанные углеродные волокна.