Способ активации нанопорошка алюминия
Владельцы патента RU 2687121:
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к обработке для улучшения свойств нанопорошков алюминия. Может использоваться при приготовлении твердых ракетных топлив, пиротехнических составов. Нанопорошок алюминия, полученны электрическим взрывом алюминиевой проволоки, насыпают в емкость из немагнитного материала на высоту не более 15 мм. Емкость размещают на медном проводнике так, чтобы дно емкости соприкасалось с поверхностью проводника и воздействуют в воздушной атмосфере переменным магнитным полем частотой 50 Гц, создаваемым при прохождении по проводнику тока силой 100-600 А в течение не менее 20 минут. Обеспечивается повышение удельного теплового эффекта окисления порошка, а также расширение арсенала средств активации. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к специальной обработке для улучшения свойств нанопорошков алюминия и может быть использовано при приготовлении твердых ракетных топлив, пиротехнических составов.
Известен способ активации нанопорошка алюминия, полученного методом электрического взрыва алюминиевой проволоки [RU 2637732 С1, МПК B22F 1/60 (2006.01), B82Y30/00 (2011.01), опубл. 06.12.2017], включающий пассивацию нанопорошка алюминия воздухом, содержащим пары воды с последующим его нагревом до 300-400°С в атмосфере воздуха со скоростью нагрева от 10 до 30°С/мин. Нанопорошки алюминия выдерживают при этой температуре в течение 30 мин.
Известен способ активации микро- и нанопорошков алюминия [RU 2657677 С1, МПК B22F 1/00 (2006.01), В82В 1/00 (2006.01), B82Y 40/00 (2011.01), опубл. 14.06.2018], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что микро- и нанопорошки алюминия, облучают СВЧ-излучением частотой 2,8 ГГц в атмосфере воздуха импульсами длительностью 25 нс, с частотой следования 25 Гц в течение не менее 10 минут с плотностью мощности 8 кВт/см.
Этот способ сложен и для его реализации необходимо использование мощных источников СВЧ-излучения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является расширение арсенала средств активации нанопорошка алюминия, полученного электрическим взрывом алюминиевой проволоки.
Способ активации нанопорошка алюминия, полученного электрическим взрывом алюминиевой проволоки, также как в прототипе, включает воздействие высокоэнергетическим излучением в воздушной атмосфере.
Согласно изобретению нанопорошок алюминия насыпают в емкость из немагнитного материала на высоту не более 15 мм. Емкость размещают на медном проводнике так, чтобы дно емкости соприкасалось с поверхностью проводника и воздействуют переменным магнитным полем частотой 50 Гц, создаваемым при прохождении по проводнику тока силой 100-600 А в течение не менее 20 минут.
Емкость может быть выполнена из полипропилена.
Предложенный способ обеспечивает увеличение положительных зарядов внутренних частей наночастиц алюминия, что приводит к увеличению удельного теплового эффекта окисления активированных нанопорошков алюминия на 22,45-32,98% по сравнению с исходными неактивированными нанопорошками алюминия. Для осуществления способа не требуется использование дорогостоящего СВЧ оборудования.
На фиг. 1 показана принципиальная схема установки для активации нанопорошка алюминия.
На фиг. 2 показана термограмма нанопорошка алюминия, не подвергнутого обработке переменным магнитным полем (образец №1), где кривая 1 отражает изменение веса образца при нагревании, кривая 2 указывает температуру в ячейке термоанализатора при проведении термоанализа, кривая 3 - разность температур между образцом и эталоном прибора, кривая 4 - тепловой поток при нагревании.
На фиг. 3 показана термограмма нанопорошка алюминия, после обработки переменным магнитным полем (образец №3) в течение 20 мин, где кривая 1 отражает изменение веса образца при нагревании, кривая 2 указывает температуру в ячейке термоанализатора при проведении термоанализа, кривая 3 - разность температур между образцом и эталоном прибора, кривая 4 - тепловой поток при нагревании.
В таблице 1 представлены условия проведения активации нанопорошка алюминия марки Alex и результаты термического анализа.
Для осуществления способа использовали установку (фиг. 1), внутри заземленного корпуса 1 которой расположен выключатель 2, подключенный к источнику напряжения. Выключатель 2 соединен с входными выводами автотрансформатора 3, выходной вывод которого соединен с одним концом первичной обмотки понижающего трансформатора 4. Другой конец первичной обмотки понижающего трансформатора 4 через скользящий (щеточный) контакт соединен с обмоткой автотрансформатора 3. Параллельно первичной обмотке понижающего трансформатора 4 подключен вольтметр 5. Параллельно обмотке автотрансформатора 3 подключена индикаторная лампа 6. Выводы вторичной обмотки понижающего трансформатора 4 соединены между собой медной шиной 7 прямоугольного сечения шириной 60 мм и толщиной 3 мм, которая выходит за пределы корпуса 1 установки.
На шине 7 установлен трансформатор тока 8 типа ТТИ-60 с коэффициентом трансформации равным 200, к выводам которого подключен стрелочный амперметр 9 типа Э377.
Использовали нанопорошок алюминия марки Alex, с площадью удельной поверхности 14 м2/г, полученный методом электрического взрыва проводника. Нанопорошок 10 засыпали в пробирки 11, объемом 2 см изготовленные из полипропилена на высоту 5, 15, 30 мм (могут быть использованы емкости другого размера и формы). Уровень нанопорошка алюминия 10 в пробирке 11 измеряли с помощью измерительной линейки. Пробирки 11 закрыли полипропиленовыми крышками.
Каждую пробирку 11 с нанопрошком алюминия 10 размещали на шине 7 с помощью каркаса из картона 12 таким образом, чтобы дно пробирки 11 касалась шины 7.
С помощью выключателя 2 подавали напряжение на вход автотрансформатора 6, при этом свечение индикаторной лампы 6 свидетельствовало о наличии напряжения на входе автотрансформатора 6. При вращении ручки автотрансформатора 6 увеличивали напряжение на входе понижающего трансформатора 4, которое измерялось вольтметром 5, при этом увеличивалась сила тока в шине 7. С помощью понижающего трансформатора 4 создавали силу тока в 50, 100, 300 или 600 А в шине 7, при этом понижающий трансформатор 4 предохранял автотрансформатор 6 и питающую электрическую сеть от перегрузки по току. Силу тока в шине 7 контролировали с помощью амперметра 9, подключенного к трансформатору тока 8. Активацию нанопорошков алюминия 10 проводили в течение 10, 20 или 40 мин. Время воздействия переменным магнитным полем частотой 50 Гц измеряли с помощью электронного секундомера.
Образцы нанопорошка алюминия подвергали дифференциальному термическому анализу, используя термоанализатор Q600 SDT. Точность измерения температуры составляла 0,001°С, калориметрическая точность ±2%, масса навески 5,9-6,7 мг., мг, скорость нагрева 102С/с, атмосфера - воздух.
Результат увеличения удельного теплового эффекта окисления каждого активированного образца нанопорошка алюминия определяли как разность между удельным тепловым эффектом активированного образца и удельным тепловым эффектом неактивированного исходного нанопорошка алюминия при нагревании в воздухе до 1200°С в ячейке термоанализатора.
После воздействия магнитным полем частотой 50 Гц произошло активирование нанопорошка алюминия, что подтверждается увеличением удельного теплового эффекта окисления на величину отклонения теплового эффекта по сравнению с неактивированныи порошком. Тепловой эффект окисления рассчитывался термоанализатором автоматически. Удельный тепловой эффект окисления определяли как сумму двух экзоэффектов при окислении. Для образца 1 исходного нанопорошка алюминия (таблица 1), не подвергнутого активации, он равен 9368 Дж/г, то есть сумме 6004 Дж/г и 3364 Дж/г (фиг. 2). Для образца 3, активированного переменным магнитным полем, соответствующая сумма равна 12458 Дж/г (фиг. 3). Разность величин удельных тепловых эффектов активированного магнитным полем нанопорошка 12458 Дж/г и исходного нанопорошка 9368 Дж/г является результатом увеличения удельного теплового эффекта 3090 Дж/г.Это увеличение составило 32,98% относительно неактивированного нанопорошка алюминия. Аналогичным образом рассчитывали результат увеличения удельного теплового эффекта для остальных активированных образцов нанопорошка алюминия.
По данным таблицы 1 увеличение удельных тепловых эффектов произошло при всех значениях силы тока в шине, уровней нанопорошков алюминия в пробирках и времен активации и составило от 2,70% до 32,98%. Наибольшие значения увеличения удельного теплового эффекта наблюдались при силах тока 100, 300, 600 А, при уровнях нанопорошков алюминия в пробирках 5 и 15 мм и при временах воздействия 20 и 40 минут.
1. Способ активации нанопорошка алюминия, полученного электрическим взрывом алюминиевой проволоки, включающий воздействие высокоэнергетическим излучением в воздушной атмосфере, отличающийся тем, что нанопорошок алюминия насыпают в емкость из немагнитного материала на высоту не более 15 мм, емкость размещают на медном проводнике так, чтобы дно емкости соприкасалось с поверхностью проводника, и воздействуют переменным магнитным полем частотой 50 Гц, создаваемым при прохождении по проводнику тока силой 100-600 А в течение не менее 20 минут.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют емкость, выполненную из полипропилена.
