Низковольтный импульсный электродуговой способ получения металлического нанопорошка в жидкой среде

Изобретение относится к низковольтному импульсному электродуговому получению металлического нанопорошка в жидкой среде. Способ включает установку двух электродов в емкости с жидкой средой, подачу на электроды импульсов напряжения с образованием плазмы в жидкой среде и формированием наночастиц из материала электродов, выпадение наночастиц порошка в осадок. Первый электрод устанавливают с возможностью вибрации с частотой (2-20)⋅10³ Гц на механическом вибраторе и с возможностью возвратно-поступательного движения по всей длине второго электрода. В качестве второго электрода используют полосу из того же материала, что и первый электрод, которую закрепляют у дна емкости с жидкой средой. Импульсы подают от генератора низкого напряжения с обеспечением принудительного замыкания и разрыва электрической цепи. Осуществляют подачу однополярных импульсов с напряжением 1-30 В и частотой следования (2-60)⋅10³ Гц или двуполярных импульсов с напряжением от 1 В до 10 В и частотой следования выше 6⋅10³ Гц до 60⋅10³ Гц. Обеспечивается повышение выхода мелкой фракции нанопорошка при уменьшении массогабаритных характеристик генератора. 1 пр.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к физико-химическим способам получения ультрадисперсных порошков (нано порошков) и покрытий из материалов входящих в состав электропроводящих электродов, основанном на газофазном синтезе нано порошка. Предлагаемый способ может применяться в различных отраслях промышленности: машиностроительной, авиационной, радиоэлектронной, энергетике, косметической и др. Применение данного способа может иметь большой практический интерес при получении нано порошков на основе тугоплавких и имеющих высокую твердость материалов.

Низкое энергопотребление и высокая производительность в сочетании с относительной простотой конструкции позволяют использовать способ в промышленных условиях в автоматическом режиме и в лабораторных, домашних условиях в ручном режиме. Производительность нано порошка оксида меди в ручном режиме 20*10^-3 килограмм в час, при энергопотреблении 0.7*10³ ватт/час.

Уровень техники

Физико-химические методы получения ультрадисперсных порошков включают три последовательные стадии: испарение вещества, транспортировка и конденсация порошка. В большинстве этих методов образование ультрадисперсного порошка происходит, когда исходный материал находится в газовой фазе. Общей проблемой химических методов получения коллоидных частиц (ультрадисперсных порошков) является их загрязнение продуктами реакции, что значительно сужает область их использования. Эта проблема может быть решена при использовании физических методов диспергирования, таких как лазерная абляция массивного металла, а также электродуговая эрозия электродов, выполненных из соответствующих металлов.

Наиболее близким к заявленному способу является следующее решение. Патент на изобретение № 2604283 автор Щербак В.С. Низковольтный импульсный электродуговой способ получения металлического нанопорошка в жидкой среде.

В отличие от традиционных методов изготовления высокодисперсных растворов, в данном способе применяется электродуговой импульсный метод диспергирования металлов в дистиллированной воде. Импульсный электрический разряд в жидкости представляет собой процесс кратковременного выделения большой энергии в ограниченном объеме канала под действием высокой напряженности электрического поля между противостоящими электродами, погруженными в жидкость. Данный способ позволяет синтезировать в жидких средах нано частицы металлов с размерами от 5 нм до 250 нм.

Основными элементами реактора для генерации нано частиц в жидкой среде электродуговым импульсным методом являются:

- низковольтный тиристорный генератор двух полярных импульсов (10-30) вольт;

- ультразвуковой вибратор с закрепленным электродом;

- ультразвуковой генератор с плавной регулировкой частоты;

- электроды, погруженные в жидкость;

Недостатками данного способа являются:

- выделения большой энергии в значительном объеме канала между противостоящими электродами под действием повышенного электрического потенциала;

- повышенное содержание на выходе крупных наночастиц;

- отсутствие одно полярных импульсов.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения положена задача, разработать способ, обеспечивающий получение следующего результата:

- получать повышенный выход более мелкой фракции нано порошка;

- уменьшить массогабаритные характеристики генератора;

- обеспечить режим работы генератора с одно полярными импульсами.

Для решения поставленной задачи в известном способе «Низковольтный импульсный электродуговой способ получения металлического нано порошка в жидкой среде» включающий установку электродов в жидкой среде, формирование на вторичной обмотке трансформатора и подачу на электроды импульсного напряжения для генерации сильноточного разряда между электродами. Формирование импульса происходит при последовательном включении двух тиристорных ключей, за счет заряда и разряда конденсатора через первичную обмотку трансформатора. Выключение тиристорных ключей происходит при отсутствии тока (при полном заряде и разряде конденсатора). Образование плазмы в жидкости, формирование нано частиц из материала электродов и выпадение их в осадок, происходит при размыкании электродов, так как один электрод устанавливается на механическом вибраторе с частотой выше 2*10³ Гц, вибрирующие электроды осуществляют принудительное замыкание и разрыв электрической цепи; на электроды подаются двух полярные импульсы с вторичной обмотки генератора низкого напряжения (10-30) вольт, обеспечивающие в момент разрыва сильноточной электрической цепи (с плотностью тока свыше 10⁹ ампер/м²) высокую напряженность электрического поля (свыше 10⁷ вольт/метр) и электрический пробой всех, известных в природе, жидкостей. При этом залипание электродов при их размыкании устраняется следующими параметрами импульсов низковольтного генератора: длительность импульса - (20-250)10^-6 сек, частота следования импульсов - (2-6)10³ Гц. Недостатком известного способа является повышенное минимальное импульсное напряжение - 10 вольт, форма которого далека от прямоугольной, вследствие отсутствия возможности принудительного запирания (выключения) тиристорных ключей. Для различных металлов процесс изготовления нанопорошка начинается при импульсном напряжении прямоугольной формы (1,5-2) вольт. Поэтому, отсутствие возможности принудительного запирания тиристорных ключей, приводит к повышенным размерам формирования нано частиц, дополнительному расходу электрической энергии. Отсутствие режима работы генератора с одно полярными импульсами не позволяет изменять расход металла на одном из электродов, а так же ограничивает возможности способа в научно исследовательских целях.

Для увеличения процентного содержания более мелких частиц в изготовляемом нанопорощке и уменьшения потребляемой мощности, минимальное напряжение необходимо регулировать, начиная с 1 вольта. Для уменьшения массогабаритных характеристик генератора необходимо увеличить рабочую частоту и частоту следования импульсов свыше 6*10³ Гц.

Уменьшение загрязнения нано порошков происходит за счет уменьшения в процессе изготовления нано порошка макро размерных объемов плазмы с последующим испарением и разрушением элементов рабочей камеры;

- замена низковольтного тиристорного генератора импульсов (10-30) - вольт на транзисторный, более низковольтный (1-10) вольт при значительном уменьшении тока дуги, объема плазмы в зазоре между электродами, приводит к уменьшению времени горения дуги, что является следствием повышенного выхода более мелкой фракции нано порошка;

- повышенный выход нано порошка более мелкой фракции на один киловатт/час потребляемой энергии является следствием уменьшения, длительности фазы температурного испарения и парообразования жидкости в плазме электрического разряда в микроскопическом объеме между электропроводящими электродами. Доказательством этому служит отсутствие нагрева жидкости при работе установки.

Осуществление изобретения

Автором был изготовлен действующий макет установки для реализации описанного способа, состоящий из:

- транзисторного генератора низковольтных двух полярных импульсов, форма которых, близка к прямоугольной. Выходное напряжение генератора (1-30) вольт снимается со вторичной обмотки импульсного трансформатора и выпрямительного устройства обеспечивающего ток в нагрузке - до 1500 ампер, скважность импульсов равна или больше двух, частота следования импульсов (2-60)10³ Гц;

- в качестве механического вибратора применялся подмагниченный пермалоевый стержень набранный из тонких пластин в пакет толщиной 10^-2 метра и длиной 200*10^-3 метра, закрепленный к каркасу катушки по центру стержня, с частотой колебаний до 20*10³ герц. В верхней части стержня установлено крепление для одного электрода с гибким медным токоотводом;

- маломощный (5-20) ватт генератор синусоидального напряжения с плавной регулировкой частоты для возбуждения резонансных механических колебаний в ферромагнитном стержне;

- второй электрод представляет собой полосу из того же материала, что и первый электрод, закрепленный у дна стеклянной емкости с жидкостью. Во время работы установки один электрод совершает медленные возвратно-поступательные движения по всей длине второго электрода.

Заливка в рабочую емкость дистиллированной воды обеспечивает в осадок нано порошок гидратов и окислов различных металлов. Напряженность электрического поля в зазоре между электродами при работе макета превышала напряжение пробоя в дистиллированной и деионизированной воде с сопротивлением 5*10⁶ Ом. Жидкости, не содержащие кислород, например, трансформаторное масло, четыреххлористый углерод или жидкий азот приводит к получению нано порошков различных металлов. Размер нано порошков получаемых данным способом зависит от режимов работы низковольтного генератора импульсов, температуры и химического состава жидкости, электродов и составляет 90% нано порошка с линейными размерами от (5 до 100) 10^-9 метра, 10% - от (100 до 250) 10^-9 метра. Производительность действующего макета нанопорошка меди и никеля составляет 20*10^-3 килограмм в час при потребляемой электрической мощности 700 ватт.

Способ низковольтного импульсного электродугового получения металлического нанопорошка в жидкой среде, включающий установку двух электродов в емкости с жидкой средой, подачу на электроды импульсов напряжения с образованием плазмы в жидкой среде и формированием наночастиц из материала электродов, выпадение наночастиц порошка в осадок, при этом первый электрод устанавливают с возможностью вибрации с частотой (2-20)⋅10³ Гц на механическом вибраторе и с возможностью возвратно-поступательного движения по всей длине второго электрода, в качестве которого используют полосу из того же материала, что и первый электрод, которую закрепляют у дна емкости с жидкой средой, а импульсы подают от генератора низкого напряжения с обеспечением принудительного замыкания и разрыва электрической цепи, причем при разрыве электрической цепи обеспечивают напряженность электрического поля выше 10⁷ В/м и электрический пробой жидкой среды, отличающийся тем, что осуществляют подачу однополярных импульсов с напряжением 1-30 В и частотой следования (2-60)⋅10³ Гц или двуполярных импульсов с напряжением от 1 В до 10 В и частотой следования выше 6⋅10³ Гц до 60⋅10³ Гц.