RU2489232C1 - Method of producing metal nano-sized powders - Google Patents
Method of producing metal nano-sized powders Download PDFInfo
- Publication number
- RU2489232C1 RU2489232C1 RU2011152724/02A RU2011152724A RU2489232C1 RU 2489232 C1 RU2489232 C1 RU 2489232C1 RU 2011152724/02 A RU2011152724/02 A RU 2011152724/02A RU 2011152724 A RU2011152724 A RU 2011152724A RU 2489232 C1 RU2489232 C1 RU 2489232C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- metal
- gas
- powder
- argon
- inert gas
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Изобретение относится к технологиям производства металлических наноразмерных порошков, и может быть использовано для производства порошков чистых металлов, а также металлических сплавов в химической промышленности, порошковой металлургии, машиностроении и других областях промышленности.The invention relates to technologies for the production of metal nanoscale powders, and can be used for the production of powders of pure metals, as well as metal alloys in the chemical industry, powder metallurgy, mechanical engineering and other industries.
Известны два основных способа получения металлических наноразмерных порошков: химический и физический. Химический способ включает в себя осаждение в водных растворах и восстановление порошка из оксидов и гидроксидов металлов. Физический - это высокотемпературное испарение металла и последующая его конденсация, или способ получения порошков механическим измельчением (механоактивация). Последний способ из-за низкой производительности используется исключительно в специальных производствах порошков.There are two main methods for producing metal nanosized powders: chemical and physical. The chemical method involves precipitation in aqueous solutions and reduction of the powder from metal oxides and hydroxides. Physical - this is the high-temperature evaporation of the metal and its subsequent condensation, or a method for producing powders by mechanical grinding (mechanical activation). The latter method, due to its low productivity, is used exclusively in special production of powders.
Известен способ получения порошка никеля /1/ путем восстановления основного карбоната никеля в водной среде при температуре 80-90°С, в соответствии с которым восстановление осуществляют водным раствором гидразингидрата с концентрацией гидразина не менее 4 моль/л при мольном отношении гидразина к никелю не менее 1,3.A known method of producing nickel powder / 1 / by reducing basic nickel carbonate in an aqueous medium at a temperature of 80-90 ° C, in accordance with which the reduction is carried out with an aqueous solution of hydrazine hydrate with a hydrazine concentration of at least 4 mol / l with a molar ratio of hydrazine to nickel of at least 1.3.
Известен способ получения нанодисперсного порошка меди /2/ восстановлением, который включает смешение соли меди с раствором глюкозы, растворение соли при нагревании, введение гидроксида натрия, выдержку в изотермическом режиме и последующее выделение металлической меди в виде нанодисперсного порошка. В качестве соли меди используют сульфат меди. Авторы изобретения считают, что этот способ упрощает и снижает себестоимость технологии получения наноразмерных порошков меди за счет сокращения количества технологических операций синтеза.A known method of producing nanodispersed copper powder / 2 / reduction, which includes mixing a copper salt with a glucose solution, dissolving the salt when heated, introducing sodium hydroxide, holding in isothermal mode and the subsequent selection of metallic copper in the form of nanodispersed powder. Copper sulfate is used as the copper salt. The inventors believe that this method simplifies and reduces the cost of technology for producing nanoscale copper powders by reducing the number of technological operations of synthesis.
Способ получения наноразмерного металлического порошка, описанный в патенте /3/ заключается в измельчении трудно деформируемого материала с аморфной структурой в высокоскоростном дезинтеграторе за счет относительного движения ударных элементов с регламентируемой скоростью и частотой ударов. Предварительно отбирают материал с исходным размером частиц не более 80 мкм, подвергают его термообработке, при которой формируют нанокристаллические включения в аморфной матрице. Измельчают при скоростях относительного движения ударных элементов 410-450 м/с и частоте ударов 5000-8000 уд./с. Технический результат заключается в получении более мелкого порошка.The method of producing nanosized metal powder described in the patent / 3 / consists in grinding a difficultly deformed material with an amorphous structure in a high-speed disintegrator due to the relative movement of the shock elements with a regulated speed and frequency of impacts. A material with an initial particle size of not more than 80 μm is preliminarily selected, it is subjected to heat treatment, in which nanocrystalline inclusions are formed in an amorphous matrix. Grind at speeds of relative movement of the shock elements 410-450 m / s and a shock frequency of 5000-8000 beats / s. The technical result is to obtain a finer powder.
Известен способ получения наноразмерных порошков железа, меди, никеля, кобальта, вольфрама, молибдена и металлических сплавов, который включает химическое осаждение, по меньшей мере, одного гидроксида металла раствором щелочи с образованием суспензии, диафильтрацию полученной суспензии с отделением раствора по меньшей мере одного гидроксида металла, его дегидратацию, предварительный нагрев по меньшей мере одного гидроксида металла и его восстановление с получением металлического порошка и последующую пассивацию указанного порошка, при этом одновременно с диафильтрацией осуществляют сорбционную очистку суспензии, а восстановление гидроксида металла и пассивацию металлического порошка осуществляют при активном перемешивании материала /4/. Указанный способ позволяет получить наноразмерный металлический порошок со структурой частиц, обладающих низким уровнем искажений и отсутствием протяженных дефектов, а также высокочистый металлический порошок, состоящий из частиц монодисперсного состояния при сохранении узкого фракционного состава и заданной морфологии, и обеспечивает возможность регулирования дисперсности на всех стадиях технологического процесса.A known method of producing nanosized powders of iron, copper, nickel, cobalt, tungsten, molybdenum and metal alloys, which includes chemical precipitation of at least one metal hydroxide with an alkali solution to form a suspension, diafiltration of the resulting suspension with separation of the solution of at least one metal hydroxide , its dehydration, preheating of at least one metal hydroxide and its reduction to obtain a metal powder and the subsequent passivation of the specified powder, When this diafiltration is carried out simultaneously with the purification sorption slurry and reduction of the metal hydroxide and passivation of the metal powder is carried out with the active material stirring / 4 /. The specified method allows to obtain a nanoscale metal powder with a structure of particles having a low level of distortion and the absence of extended defects, as well as a high-purity metal powder consisting of particles of a monodisperse state while maintaining a narrow fractional composition and a given morphology, and provides the ability to control dispersion at all stages of the technological process .
Способы испарения (конденсации), или газофазный синтез получения нанопорошков металлов, основаны на испарении металлов, сплавов или оксидов с последующей их конденсацией в реакторе с контролируемой температурой и атмосферой. Фазовые переходы пар - жидкость - твердое тело или пар - твердое тело происходят в объеме реактора или на поверхности охлаждаемой подложки или стенок. Сущность способа состоит в том, что исходное вещество испаряется путем интенсивного нагрева, с помощью газа-носителя подается в реакционное пространство, где резко охлаждается. Нагрев испаряемого вещества осуществляется с помощью плазмы, лазера, электрической дуги, печей сопротивления, индукционным способом, пропусканием электрического тока через проволоку.The methods of evaporation (condensation), or gas-phase synthesis of obtaining nanopowders of metals, are based on the evaporation of metals, alloys or oxides with their subsequent condensation in a reactor with controlled temperature and atmosphere. The phase transitions of vapor — liquid — solid — or vapor — solid — occur in the reactor volume or on the surface of the cooled substrate or walls. The essence of the method lies in the fact that the starting material is evaporated by intensive heating, with the help of a carrier gas it is fed into the reaction space, where it is rapidly cooled. The evaporated substance is heated using plasma, a laser, an electric arc, resistance furnaces, by an induction method, by passing an electric current through a wire.
В зависимости от вида исходных материалов и получаемого продукта, испарение и конденсацию проводят в вакууме, в инертном газе, в потоке газа или плазмы. Размер и форма частиц зависят от температуры процесса, состава атмосферы и давления в реакционном пространстве. В атмосфере гелия частицы будут иметь меньший размер, чем в атмосфере аргона - более плотного газа. Таким методом получают порошки Ni, Mo, Fe, Ti, Al. Размер частиц при этом - десятки нанометров. В свое время появился, а в дальнейшем утвердился способ получения наноматериалов путем электрического взрыва проволок (проводников). В этом случае в реакторе между электродами помещают проволоки металла, из которого намечается получение нанопорошка, диаметром 0,1-1,0 мм. На электроды подают импульс тока большой силы (104-106 А/мм2). При этом происходит мгновенный разогрев и испарение проволок. Пары металла разлетаются, охлаждаются и конденсируются. Процесс идет в атмосфере гелия или аргона. Наночастицы оседают в реакторе. Таким способом получают металлические (Ti, Co, W, Fe, Mo) и оксидные (TiO2, Аl2О3, ZrO2) нанопорошки с крупностью частиц до 100 нм.Depending on the type of starting materials and the resulting product, evaporation and condensation is carried out in vacuum, in an inert gas, in a gas or plasma stream. The size and shape of the particles depend on the process temperature, the composition of the atmosphere and the pressure in the reaction space. In an atmosphere of helium, the particles will have a smaller size than in an atmosphere of argon, a denser gas. This method produces powders of Ni, Mo, Fe, Ti, Al. The particle size in this case is tens of nanometers. At one time, a method for producing nanomaterials by means of an electric explosion of wires (conductors) appeared and later became established. In this case, metal wires are placed between the electrodes in the reactor, from which it is planned to obtain nanopowder with a diameter of 0.1-1.0 mm. A large current pulse (104-106 A / mm 2 ) is supplied to the electrodes. In this case, instant heating and evaporation of the wires occurs. Metal vapors fly apart, cool and condense. The process takes place in an atmosphere of helium or argon. Nanoparticles settle in the reactor. In this way, metal (Ti, Co, W, Fe, Mo) and oxide (TiO 2 , Al 2 O 3 , ZrO 2 ) nanopowders with particle sizes up to 100 nm are obtained.
Известен способ получения металлических наноразмерных порошков /5/, который включает в себя нагревание исходного металла в потоке инертного газа до температуры испарения исходного металла с образованием паров металла в потоке инертного газа и выделение из названного потока инертного газа металлического порошка при температуре ниже температуры плавления исходного металла. Нагревание исходного металла осуществляют пучком электронов, обладающим энергией 0,4-3 МэВ и мощностью не более 200 кВт, при давлении, близком к атмосферному, и расходе потока инертного газа 0,5-25000 л/мин. Инертным газом является аргон, или гелий, или неон, или криптон, или углекислый газ, или их смесь. Исходным металлом может быть практически любой известный металл или два металла, которые нагревают совместно.A known method of producing metal nanoscale powders / 5 /, which includes heating the source metal in an inert gas stream to the evaporation temperature of the source metal with the formation of metal vapor in the inert gas stream and the selection of the inert gas stream of metal powder at a temperature below the melting temperature of the source metal . The source metal is heated by an electron beam having an energy of 0.4-3 MeV and a power of not more than 200 kW, at a pressure close to atmospheric and an inert gas flow rate of 0.5-25000 l / min. The inert gas is argon, or helium, or neon, or krypton, or carbon dioxide, or a mixture thereof. The starting metal can be almost any known metal or two metals that are heated together.
В изобретении /6/ металлические нанопорошки получают разложением карбонила металла при использовании индукционной плазменной горелки при температуре 3000-11000 К. Карбонилы металлов отличаются низкой температурой разложения и сублимации металлов, в результате чего при охлаждении образуется мелкодисперсные сферические частицы металлов. Карбонил металла является, по крайней мере, одним карбонилом, выбранным из группы, состоящей из карбонила никеля, карбонила железа, карбонила меди, карбонила кобальта, карбонила хрома, карбонила молибдена, карбонила вольфрама и карбонила рутения. Наноразмерные частицы быстро охлаждают в реакторе, расположенном с выходной стороны плазменной горелки. Газ-носитель является, по меньшей мере, одним газом, выбранным из группы, состоящей из гелия, аргона, азота, водорода и монооксида углерода. Для образования плазмы пользуются, по меньшей мере, одним газом, выбранным из группы, состоящей из гелия, аргона, азота и водорода. Экранирующим газом может быть один из газов: гелий, аргон, азот или водород. Газ для быстрого охлаждения может быть одним из газов: аргон, азот, кислород, аммиак или метан. Время нахождения карбонила в факеле плазмы - 0,001-10 секунд. Частицы металлических нанопорошков имеют типичный средний размер от 1 до 100 нм.In the invention / 6 /, metal nanopowders are obtained by decomposing metal carbonyl using an induction plasma torch at a temperature of 3000–11000 K. Metal carbonyls have a low decomposition and sublimation temperature of metals, as a result of which finely dispersed spherical metal particles are formed upon cooling. A metal carbonyl is at least one carbonyl selected from the group consisting of nickel carbonyl, iron carbonyl, copper carbonyl, cobalt carbonyl, chromium carbonyl, molybdenum carbonyl, tungsten carbonyl and ruthenium carbonyl. Nanosized particles are rapidly cooled in a reactor located on the downstream side of the plasma torch. The carrier gas is at least one gas selected from the group consisting of helium, argon, nitrogen, hydrogen and carbon monoxide. At least one gas selected from the group consisting of helium, argon, nitrogen and hydrogen is used to form the plasma. The screening gas may be one of the gases: helium, argon, nitrogen or hydrogen. Gas for rapid cooling can be one of the gases: argon, nitrogen, oxygen, ammonia or methane. The time spent by carbonyl in the plasma torch is 0.001-10 seconds. Particles of metal nanopowders have a typical average size of from 1 to 100 nm.
Способ получения нанопорошков описан в патентах США /7/. Плазменная установка устроена таким образом, что направление потоков плазмообразующего газа, реакционного газа и газа, тормозящего скорость частиц металла, изменяется в зависимости от требуемого времени нахождения материала в реакционной зоне и времени охлаждения частиц металла. В плазменный реактор могут вводиться легирующие компоненты.A method of producing nanopowders is described in US patents / 7 /. The plasma installation is designed in such a way that the direction of flow of the plasma-forming gas, reaction gas and gas, which slows down the speed of the metal particles, varies depending on the required residence time of the material in the reaction zone and the cooling time of the metal particles. Alloying components can be introduced into the plasma reactor.
Способ получения наноразмерного порошка вольфрама описан в патенте /8/. В результате сублимации вольфрам содержащего соединения, выделяют вольфрам в атмосфере инертного газа при давлении ниже атмосферного. В качестве исходного материала используют этилат вольфрама, хлорид вольфрама и гексакарбонил вольфрама. Аналогичным способом возможно получение нанопорошков карбида вольфрама, как следует из патента /9/.A method of obtaining a nanoscale tungsten powder is described in the patent / 8 /. As a result of sublimation of the tungsten containing compound, tungsten is released in an inert gas atmosphere at a pressure below atmospheric. The starting material used is tungsten ethylate, tungsten chloride and tungsten hexacarbonyl. In a similar way, it is possible to obtain tungsten carbide nanopowders, as follows from the patent / 9 /.
Известен способ получения порошков на основе карбида вольфрама, предложенный в патенте /10/. В плазменном реакторе восстанавливают кислородсодержащие соединения углеводородами с использованием плазмы электрического разряда с получением смеси нанопорошков, состоящей из WC, WC2, вольфрама и свободного углерода, с содержанием общего углерода 5,5-7,0 мас.% и удельной поверхностью 15-60 м2/г. После усреднения полученная смесь порошков подвергается термообработке в присутствии водорода при температуре 850-1300°С с получением порошка на основе WC. Полученный порошок имеет гексагональную структуру и широкий диапазон среднего размера частиц от 0,03 до 1 мкм. В реактор дополнительно подают соединения металлов, выбранных из групп V, Cr, Nb, Та, в количестве 0,1-3,0 мас.%, с получением соответствующих карбидов, являющихся ингибиторами роста зерен при компактировании твердых сплавов на основе карбида вольфрама.A known method of producing powders based on tungsten carbide, proposed in the patent / 10 /. In a plasma reactor, oxygen-containing compounds are reduced with hydrocarbons using an electric discharge plasma to obtain a mixture of nanopowders consisting of WC, WC 2 , tungsten and free carbon, with a total carbon content of 5.5-7.0 wt.% And a specific surface area of 15-60 m 2 / g After averaging, the resulting powder mixture is subjected to heat treatment in the presence of hydrogen at a temperature of 850-1300 ° C to obtain a WC-based powder. The resulting powder has a hexagonal structure and a wide range of average particle size from 0.03 to 1 μm. In addition, metal compounds selected from the groups V, Cr, Nb, and Ta are added to the reactor in an amount of 0.1-3.0 wt.% To obtain the corresponding carbides, which are grain growth inhibitors when compacting tungsten carbide-based hard alloys.
Авторами патента предложено устройство для получения нанопорошков оксидов металлов /11/. Устройство отличается возможностью варьирования направлениями газовых потоков, что позволяет изменять характеристики получаемых нанопорошков оксидов металлов.The authors of the patent proposed a device for producing nanopowders of metal oxides / 11 /. The device is characterized by the possibility of varying the directions of gas flows, which allows you to change the characteristics of the obtained nanopowders of metal oxides.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является патент (прототип), в котором описано получение наноразмерных порошков в плазменной установке, конструкция которой позволяет удалять осаждаемый нанопорошок металлов с различных поверхностей реактора /12/. Реактор имеет определенное соотношение геометрических размеров, связывающие выходной диаметр сопла плазмотрона, диаметр и длину реактора. Поверхности реактора, на которых осаждается получаемый нанопорошок, имеют специальные очистители для удаления нанопорошка. Реактор позволяет повысить температуру плазмы для осуществления процессов, не допуская при этом спекания получаемых нанопорошков, получить нанопорошок без загрязнения грубодисперсными включениями спеков.The closest in technical essence to the claimed invention is a patent (prototype), which describes the preparation of nanosized powders in a plasma installation, the design of which allows you to remove the deposited nanopowder of metals from various surfaces of the reactor / 12 /. The reactor has a certain ratio of geometric dimensions, connecting the output diameter of the plasma torch nozzle, the diameter and length of the reactor. The reactor surfaces on which the resulting nanopowder is deposited have special cleaners to remove the nanopowder. The reactor allows you to increase the temperature of the plasma for the implementation of the processes, while preventing sintering of the resulting nanopowders, to obtain a nanopowder without contamination with coarse inclusions of cakes.
Недостатками прототипа, как и других цитируемых изобретений, является невозможность предупреждения образования спеков и агломератов сконденсированных порошков и сложность конструкции удаления отложений нанопорошка с разных поверхностей реактора.The disadvantages of the prototype, as well as other cited inventions, is the inability to prevent the formation of cakes and agglomerates of condensed powders and the complexity of the design of removing deposits of nanopowder from different surfaces of the reactor.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение металлических наноразмерных порошков с минимальным содержанием спеков и агломератов.The technical result of the invention is the production of metal nanoscale powders with a minimum content of cakes and agglomerates.
Технический результат достигается тем, что в способе получения наноразмерных порошков металлов, включающем подачу исходного порошка оксидных соединений металлов с размерами частиц не более 50 мкм в реактор газоразрядной плазмы транспортирующим газом, нагревание исходного оксидного материала выше температуры сублимации исходных оксидов металла, испарение оксида металла и восстановление оксидных соединений металлов в потоке водорода или его смеси с азотом или аргоном, выделение металлического порошка при охлаждении паров металла инертным газом до температуры ниже температуры плавления металла, при этом инертный газ для охлаждения подают форсункой с пульсирующим вводом газа.The technical result is achieved in that in a method for producing nanosized metal powders, comprising supplying an initial powder of metal oxide compounds with particle sizes of not more than 50 μm to a gas-discharge plasma reactor with a conveying gas, heating the starting oxide material above the sublimation temperature of the starting metal oxides, evaporating the metal oxide and reducing metal oxide compounds in a stream of hydrogen or its mixture with nitrogen or argon, the allocation of metal powder when cooling metal vapor tnym gas to a temperature below the melting point of the metal while the inert gas serves to cool the nozzle to a pulsating gas input.
Пульсирующий ввод инертного газа обеспечивают использованием форсунки с импеллером. Применение более крупных исходных порошков оксидных соединений металлов нежелательно, т.к. при этом не будет обеспечиваться полная переработка исходного сырья в плазменном потоке.Inert gas is pulsed by an injector using an impeller. The use of larger starting powders of metal oxide compounds is undesirable since however, complete processing of the feedstock in the plasma stream will not be ensured.
Общим свойством всех малых металлических частиц является их агломерированность. Металлические нанопорошки обладают повышенной реакционной способностью, в частности они спекаются при относительно низких температурах. Высокая химическая активность нанопорошков связана с их метастабильностью и энергонасыщенностью, т.к. их образование происходит в сильно неравновесных условиях. Средняя скорость охлаждения частиц составляет 109 К/сек. Спекание нанопорошков металлов приводит к образованию в нанопорошке объемных агломератов из прочносвязанных частиц - фрактальных кластеров. Наночастицы объединяются между собой, образуя агломераты или цепочные структуры. Как правило, цепочные структуры из мелких частиц группируются вокруг крупных частиц. Согласно теории взаимного заряжения /13/ крупные частицы заряжены противоположно мелким частицам. Это явление негативно сказывается на формировании изделий из нанодисперсных порошков. Поэтому решение проблемы получения металлических порошков с минимальным содержанием агломератов является очень актуальным.A common property of all small metal particles is their agglomeration. Metal nanopowders have a high reactivity, in particular, they sinter at relatively low temperatures. The high chemical activity of nanopowders is associated with their metastability and energy saturation, because their formation occurs under highly nonequilibrium conditions. The average particle cooling rate is 10 9 K / s. Sintering of metal nanopowders leads to the formation of bulk agglomerates in nanopowders of strongly bonded particles - fractal clusters. Nanoparticles combine with each other, forming agglomerates or chain structures. As a rule, chain structures of small particles are grouped around large particles. According to the theory of mutual charge / 13 /, large particles are charged oppositely to small particles. This phenomenon adversely affects the formation of products from nanosized powders. Therefore, the solution to the problem of obtaining metal powders with a minimum content of agglomerates is very relevant.
Среди многочисленных методов борьбы с образованием агломератов и спеков из нанопорошков используются такие методы, как уменьшение контакта между частицами путем их покрытия (капсулирования), которое затем, перед компактированием, удаляется. Этот способ приводит к дополнительным технологическим операциям и, поэтому, малоэффективен.Among the numerous methods of combating the formation of agglomerates and cakes from nanopowders, methods are used such as reducing contact between particles by coating (encapsulation), which is then removed before being compacted. This method leads to additional technological operations and, therefore, is ineffective.
Механические способы вибрации поверхности приемных камер, где происходит конденсация наноразмерных порошков, малоэффективны, т.к. не влияют на поведение частиц в объеме камеры. Также неэффективно использование ультразвуковой энергии для предотвращения агломерации наночастиц, т.к. этот метод эффективен для сплошных сред.Mechanical methods of vibration of the surface of the receiving chambers, where the condensation of nanosized powders occurs, are ineffective, because do not affect the behavior of particles in the chamber volume. The use of ultrasonic energy to prevent the agglomeration of nanoparticles is also inefficient, since This method is effective for continuous media.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Исходный порошок оксидных соединений металлов, с размерами частиц не более 50 мкм подают в реактор газоразрядной плазмы транспортирующим газом - азотом или аргоном. Плазмообразующим газом служит водород или его смесь с азотом или аргоном. При температуре, выше температуры сублимации исходного оксида металла, происходит испарение оксида металла и восстановление оксидных соединений металлов в потоке водорода или его смеси с азотом или аргоном, с образованием в газовой фазе паров металла, которые на выходе из плазменного реактора подхватываются потоком охлаждаемого инертного газа и осаждаются в водоохлаждаемом приемнике при температуре ниже температуры плавления металла и частично выносятся газовым потоком в фильтр. Для предотвращения или минимизации агломерации конденсированных наноразмерных частиц металлического порошка поток охлаждаемого инертного газа подается форсункой, с пульсирующим вводом газа. Таким образом, вместо равномерного ламинарного потока создается турбулентность. Ламинарный поток охлаждаемого газа при соприкосновении со стенками водоохлаждаемого приемника образует так называемый «пограничный слой», который способствует агломерации наноразмерного металлического порошка. Пульсирующий турбулентный поток позволяет избежать образования «пограничного слоя». Кроме того, вибрация плотного газового потока создает дополнительные колебания металлических наночастиц, что также уменьшает вероятность образования агломератов конденсируемого металлического порошка. Пульсирующий ввод охлаждаемого инертного газа осуществляется форсункой с прерывателем подачи газа, выполненным в виде импеллера. Изменением скорости потока инертного охлаждаемого газа (расхода инертного газа) изменяют скорость вращения импеллера, т.е. частоту импульса газового потока. Расход инертного газа варьировали в диапазоне 1·10-6-1·10-3 м2/сек. Такой расход инертного газа обеспечивал скорость вращения импеллера, при которой импульсный поток газа позволял получать металлические порошки с типовыми размерами 0,5-100 нм и удельной поверхностью 10-55 м2/г.The proposed method is as follows. The initial powder of metal oxide compounds, with particle sizes of not more than 50 microns, is fed into the gas-discharge plasma reactor by a transporting gas - nitrogen or argon. The plasma-forming gas is hydrogen or a mixture thereof with nitrogen or argon. At a temperature above the sublimation temperature of the starting metal oxide, the metal oxide evaporates and the metal oxide compounds are reduced in a stream of hydrogen or its mixture with nitrogen or argon, with the formation of metal vapors in the gas phase, which at the outlet of the plasma reactor are picked up by a stream of cooled inert gas and precipitate in a water-cooled receiver at a temperature below the melting point of the metal and are partially carried out by the gas stream into the filter. To prevent or minimize agglomeration of condensed nanosized particles of metal powder, a stream of cooled inert gas is supplied by a nozzle with a pulsating gas inlet. Thus, instead of a uniform laminar flow, turbulence is created. The laminar flow of the cooled gas in contact with the walls of the water-cooled receiver forms the so-called “boundary layer”, which contributes to the agglomeration of nanosized metal powder. A pulsating turbulent flow avoids the formation of a “boundary layer”. In addition, the vibration of a dense gas stream creates additional vibrations of metal nanoparticles, which also reduces the likelihood of agglomerates of condensed metal powder. The pulsed input of the cooled inert gas is carried out by a nozzle with a gas feed chopper made in the form of an impeller. By changing the flow rate of the inert cooled gas (inert gas flow), the speed of rotation of the impeller, i.e. pulse frequency of the gas stream. The inert gas flow rate varied in the range 1 · 10 -6 -1 · 10 -3 m 2 / s. Such an inert gas flow rate provided the impeller rotation speed at which the pulsed gas flow made it possible to obtain metal powders with typical sizes of 0.5-100 nm and a specific surface area of 10-55 m 2 / g.
Способ реализуется следующим способом.The method is implemented in the following way.
Пример 1.Example 1
В поток термической плазмы, получаемой при нагреве в плазменном генераторе смеси водорода (70 об.%) и азота (30 об%), транспортирующим газом азотом вводится порошок оксида меди с размером частиц <50 мкм. В результате сублимации исходного оксида меди и восстановления водородом в газовой фазе образуется металлическая медь, которая на выходе из плазменного реактора подхватывается пульсирующим потоком инертного газа аргона при его расходе 5·10-4 м3/сек. Сконденсированный в водоохлаждаемой приемной камере порошок меди имел средний размер частиц 30 нм и удельную поверхность 35 м2/г.Copper oxide powder with a particle size <50 μm is introduced into the stream of thermal plasma obtained by heating a mixture of hydrogen (70 vol.%) And nitrogen (30 vol.%) In a plasma generator with a nitrogen transporting gas. Sublimation of the initial copper oxide and reduction with hydrogen in the gas phase results in the formation of metallic copper, which is picked up at the exit from the plasma reactor by a pulsating stream of inert argon gas at a flow rate of 5 · 10 -4 m 3 / s. The copper powder condensed in the water-cooled receiving chamber had an average particle size of 30 nm and a specific surface area of 35 m 2 / g.
Пример 2.Example 2
В поток термической плазмы, получаемой при нагреве в плазменном генераторе водорода (100 об.%), транспортирующим газом аргоном вводится порошок триоксида вольфрама с размером частиц <50 мкм. В результате сублимации исходного триоксида вольфрама и восстановления водородом в газовой фазе образуется металлический вольфрам, который на выходе из плазменного реактора подхватывается пульсирующим потоком инертного газа криптона при его расходе 2·10-5 м3/сек. Сконденсированный в водоохлаждаемой приемной камере порошок вольфрама имел средний размер частиц 20 нм и удельную поверхность 45 м2/г.Tungsten trioxide powder with a particle size <50 μm is introduced into the stream of thermal plasma obtained by heating in a plasma hydrogen generator (100 vol.%) Using argon transporting gas. As a result of the sublimation of the initial tungsten trioxide and reduction with hydrogen in the gas phase, metallic tungsten is formed, which is picked up at the outlet of the plasma reactor by a pulsating stream of inert gas of krypton at a flow rate of 2 · 10 -5 m 3 / s. The tungsten powder condensed in the water-cooled receiving chamber had an average particle size of 20 nm and a specific surface area of 45 m 2 / g.
Пример 3.Example 3
В поток термической плазмы, получаемой при нагреве в плазменном генераторе смеси водорода (50 об.%) и аргона (50 об.%), транспортирующим газом азотом вводится порошок оксида алюминия с размером частиц <50 мкм. В результате сублимации исходного оксида алюминия и восстановления водородом в газовой фазе образуется металлический алюминий, который на выходе из плазменного реактора подхватывается пульсирующим потоком инертного газа гелия при его расходе 1·10-3 м2/сек. Сконденсированный в водоохлаждаемой приемной камере порошок алюминия имел средний размер частиц 40 нм и удельную поверхность 30 м2/г.An alumina powder with a particle size <50 μm is introduced into the stream of thermal plasma obtained by heating a mixture of hydrogen (50 vol.%) And argon (50 vol.%) In a plasma generator by transporting nitrogen gas. As a result of the sublimation of the starting alumina and reduction with hydrogen in the gas phase, metallic aluminum is formed, which at the exit from the plasma reactor is picked up by a pulsating stream of inert helium gas at a flow rate of 1 · 10 -3 m 2 / s. The aluminum powder condensed in the water-cooled receiving chamber had an average particle size of 40 nm and a specific surface area of 30 m 2 / g.
Гранулометрический анализ наноразмерных порошков металлов, полученных в приведенных примерах, показал, что металлические порошки имели однородную структуру без агломератов. Предложенный способ получения наноразмерных порошков металлов отличается высокой эффективностью и надежностью его реализации и может быть использован для производства порошков чистых металлов, а также металлических сплавов в химической промышленности, порошковой металлургии, машиностроении и других областях промышленности.Granulometric analysis of nanoscale metal powders obtained in the above examples showed that metal powders had a homogeneous structure without agglomerates. The proposed method for producing nanosized metal powders is highly effective and reliable in its implementation and can be used for the production of powders of pure metals, as well as metal alloys in the chemical industry, powder metallurgy, mechanical engineering and other industries.
Список цитируемых источников:List of cited sources:
1. Чапайкина Р.А., Сафин Б.Р., Стародумов В.П., Крутовская Л.А. Способ получения порошка никеля. Патент РФ 2102191, 20.01.19981. Chapaykina R.A., Safin B.R., Starodumov V.P., Krutovskaya L.A. The method of producing nickel powder. RF patent 2102191, 01/20/1998
2. Сименюк Г.Ю., Образцова И.И., Еременко Н.К. Способ получениянанодисперсного порошка меди. Патент РФ 2426805, 21.12.2009.2. Simenyuk G.Yu., Obraztsova II, Eremenko N.K. The method of obtaining nanodispersed powder of copper. RF patent 2426805, 12/21/2009.
3. Коркина М.А., Земляницын Е.Ю., Фармаковский Б.В., Самоделкин Е.А., Васильев А.Ф., Тараканова Т.А., Маренников Н.В. Способ получения наноразмерного металлического порошка. Патент РФ 2397024. 20.08.2010.3. Korkina M.A., Zemlyanitsyn E.Yu., Farmakovsky B.V., Samodelkin E.A., Vasiliev A.F., Tarakanova T.A., Marennikov N.V. A method of obtaining a nanoscale metal powder. RF patent 2397024. 08.20.2010.
4. Новиков А.В., Новиков С.А., Гуреев А.К. Способ получения ультрадисперсного металлического порошка. Патент РФ 2170647, 20.07.2001.4. Novikov A.V., Novikov S.A., Gureev A.K. A method of obtaining ultrafine metal powder. RF patent 2170647, 07.20.2001.
5. Бардаханов С.П. Способ получения металлических наноразмерных порошков. Патент РФ 2432231, 27.01.2011.5. Bardakhanov S.P. A method of obtaining a metal nanoscale powders. RF patent 2432231, 01/27/2011.
6. Paserin V., Adams R.S., Boulos M.I., Jurewicz J., Guo J. Способ получения металлических нанопорошков разложением карбонила металла при использовании индукционной плазменной горелки. US Patent 7,967,891, 28.06.2011.6. Paserin V., Adams R.S., Boulos M.I., Jurewicz J., Guo J. A method for producing metal nanopowders by decomposing metal carbonyl using an induction plasma torch. US Patent 7,967,891, 06/28/2011.
7. Boulos M.I., Jurewicz J.W., Nessim C.A., Получение нанопорошков оксидов металлов и устройство для их получения. US Patent 6,994,837. 07.02.2006. Boulos M.I., Jurewicz J.W., Nessim C.A., Устройство для синтеза в плазме нанопорошков оксидов металлов. US Patent 7,501,599, 10.03.2009.7. Boulos M.I., Jurewicz J.W., Nessim C.A., Production of metal oxide nanopowders and apparatus for their preparation. US Patent 6,994,837. 02/07/2006. Boulos M.I., Jurewicz J.W., Nessim C.A., Device for plasma synthesis of nanopowders of metal oxides. US Patent 7,501,599, 03/10/2009.
8. Kim В.К., Kim J.C. Способ получения нанопорошков W из паровой фазы низкого давления. US Patent 7,208,028 24.04.2007.8. Kim V.K., Kim J.C. The method of producing nanopowders W from the vapor phase of low pressure. US Patent 7,208,028 04/24/2007.
9. Kim В.К., Kim J.C. На Gook H., Choi C.J. Способ получения нанопорошков WC из паровой фазы низкого давления. US Patent 7,118,724. 10.10.2006.9. Kim V.K., Kim J.C. By Gook H., Choi C.J. A method for producing WC nanopowders from a low-pressure vapor phase. US Patent 7,118,724. 10/10/2006.
10. Благовещенский Ю.В., Алексеев Н.В., Самохин А.В., Мельник Ю.И., Цветков Ю.В., Корнев С.А. Способ получения порошков на основе карбида вольфрама. Патент РФ 2349424. 20.03.2007.10. Blagoveshchensky Yu.V., Alekseev N.V., Samokhin A.V., Melnik Yu.I., Tsvetkov Yu.V., Kornev S.A. A method for producing tungsten carbide powders. RF patent 2349424. 03.20.2007.
11. Plischke J.K., De La Veaux S.C., Frerichs S.R., Witt J.L., Normand С. Устройство для получения нанопорошков оксидов металлов. US Patent 7,465,430. 16.12.2008.11. Plischke J.K., De La Veaux S.C., Frerichs S.R., Witt J.L., Normand C. Device for producing nanopowders of metal oxides. US Patent 7,465,430. 12/16/2008.
12. Алексеев Н.В., Самохин А.В., Цветков Ю.В. Плазменная установка для получения нанодисперсных порошков. Патент РФ 2 331 225. 27.11.2007.12. Alekseev N.V., Samokhin A.V., Tsvetkov Yu.V. Plasma apparatus for producing nanodispersed powders. RF patent 2 331 225. 11.27.2007.
13. Григорьева Л.К., Лидоренко Н.С., Нагаев Н.С.и др. ЖЭТФ. - 1986. - Т.91. - С.1050 - 1062.13. Grigoryeva L.K., Lidorenko N.S., Nagaev N.S. and other JETP. - 1986. - T. 91. - S.1050 - 1062.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152724/02A RU2489232C1 (en) | 2011-12-22 | 2011-12-22 | Method of producing metal nano-sized powders |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011152724/02A RU2489232C1 (en) | 2011-12-22 | 2011-12-22 | Method of producing metal nano-sized powders |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2011152724A RU2011152724A (en) | 2013-06-27 |
| RU2489232C1 true RU2489232C1 (en) | 2013-08-10 |
Family
ID=48701218
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011152724/02A RU2489232C1 (en) | 2011-12-22 | 2011-12-22 | Method of producing metal nano-sized powders |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2489232C1 (en) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103498067A (en) * | 2013-09-02 | 2014-01-08 | 江苏博迁新材料有限公司 | Production method of nano-grade sulfur-containing nickel powder alloy powder |
| RU2533622C1 (en) * | 2013-10-07 | 2014-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "НОРМИН" | Method for obtaining ultradisperse powders of alloys |
| RU2593021C1 (en) * | 2014-12-25 | 2016-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) | Method for production of nanomaterials by modification of surface of metal-containing frame compound (versions) |
| RU2669676C2 (en) * | 2016-12-16 | 2018-10-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Method for producing tungsten carbide nanopowder |
| RU2685564C1 (en) * | 2018-01-09 | 2019-04-22 | Всеволод Германович Кизнер | Method of synthesis of metal nanoparticles by deposition on a porous carbon material |
| RU2709304C1 (en) * | 2019-06-15 | 2019-12-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Передовые порошковые технологии" (ООО "Передовые порошковые технологии") | Method of producing mixture of micro- and nanoparticles of binary alloys |
| RU2719211C1 (en) * | 2019-08-12 | 2020-04-17 | Андрей Валерьевич Шеленин | Device for reduction of metals from minerals |
| RU2755222C1 (en) * | 2020-12-26 | 2021-09-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Plasma-ultrasonic method for producing metal powder (options) |
| RU2782748C1 (en) * | 2022-01-13 | 2022-11-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные технологии плазменной обработки" (ООО "Инплазм") | Method for spheroidization of metal micro-powders by microwave radiation |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2548357C2 (en) * | 2013-07-03 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук | Method of producing ultra-dispersed zinc powder |
| CN112310367A (en) * | 2020-10-09 | 2021-02-02 | 上海交通大学 | Ultrathin porous metal material for lithium battery electrode and preparation method and application thereof |
| CN114570922B (en) * | 2022-03-17 | 2023-06-02 | 中国石油大学(华东) | Nanometer material capable of rapidly and repeatedly detecting hydrogen and preparation method thereof |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1579936A1 (en) * | 2002-09-30 | 2005-09-28 | Toho Titanium Co., Ltd. | Method and apparatus for producing metal powder |
| RU2349424C1 (en) * | 2007-10-18 | 2009-03-20 | Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН | Method of powder receiving on basis of tungsten carbide |
| RU2397843C2 (en) * | 2004-04-23 | 2010-08-27 | Х.К. Штарк Гмбх унд Ко. КГ | Procedure for production of niobium and tantalum powders |
| RU2432231C2 (en) * | 2009-07-08 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Бардаханов" | Method of producing metal nano-sized powders |
-
2011
- 2011-12-22 RU RU2011152724/02A patent/RU2489232C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1579936A1 (en) * | 2002-09-30 | 2005-09-28 | Toho Titanium Co., Ltd. | Method and apparatus for producing metal powder |
| US7449044B2 (en) * | 2002-09-30 | 2008-11-11 | Toho Titanium Co., Ltd. | Method and apparatus for producing metal powder |
| RU2397843C2 (en) * | 2004-04-23 | 2010-08-27 | Х.К. Штарк Гмбх унд Ко. КГ | Procedure for production of niobium and tantalum powders |
| RU2349424C1 (en) * | 2007-10-18 | 2009-03-20 | Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН | Method of powder receiving on basis of tungsten carbide |
| RU2432231C2 (en) * | 2009-07-08 | 2011-10-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Бардаханов" | Method of producing metal nano-sized powders |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103498067A (en) * | 2013-09-02 | 2014-01-08 | 江苏博迁新材料有限公司 | Production method of nano-grade sulfur-containing nickel powder alloy powder |
| RU2533622C1 (en) * | 2013-10-07 | 2014-11-20 | Общество с ограниченной ответственностью "НОРМИН" | Method for obtaining ultradisperse powders of alloys |
| RU2593021C1 (en) * | 2014-12-25 | 2016-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ивановский государственный химико-технологический университет" (ИГХТУ) | Method for production of nanomaterials by modification of surface of metal-containing frame compound (versions) |
| RU2669676C2 (en) * | 2016-12-16 | 2018-10-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Дальневосточный государственный университет путей сообщения" (ДВГУПС) | Method for producing tungsten carbide nanopowder |
| RU2685564C1 (en) * | 2018-01-09 | 2019-04-22 | Всеволод Германович Кизнер | Method of synthesis of metal nanoparticles by deposition on a porous carbon material |
| RU2709304C1 (en) * | 2019-06-15 | 2019-12-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Передовые порошковые технологии" (ООО "Передовые порошковые технологии") | Method of producing mixture of micro- and nanoparticles of binary alloys |
| RU2719211C1 (en) * | 2019-08-12 | 2020-04-17 | Андрей Валерьевич Шеленин | Device for reduction of metals from minerals |
| RU2755222C1 (en) * | 2020-12-26 | 2021-09-14 | федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУ ВО КФУ) | Plasma-ultrasonic method for producing metal powder (options) |
| RU2782748C1 (en) * | 2022-01-13 | 2022-11-02 | Общество с ограниченной ответственностью "Инновационные технологии плазменной обработки" (ООО "Инплазм") | Method for spheroidization of metal micro-powders by microwave radiation |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2011152724A (en) | 2013-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2489232C1 (en) | Method of producing metal nano-sized powders | |
| Abid et al. | Synthesis of nanomaterials using various top-down and bottom-up approaches, influencing factors, advantages, and disadvantages: A review | |
| CA2654013C (en) | Method for producing metal nanopowders by decomposition of metal carbonyl using an induction plasma torch | |
| TWI402117B (en) | Process for producing ultrafine particles | |
| TWI474882B (en) | Ultrafine alloy particles, and process for producing the same | |
| JP5133065B2 (en) | Inductive plasma synthesis of nanopowder | |
| JP2980987B2 (en) | Method and apparatus for producing nanostructured materials | |
| Vollath | Plasma synthesis of nanopowders | |
| US20120027955A1 (en) | Reactor and method for production of nanostructures | |
| KR102020314B1 (en) | Method for manufacturing spherical high purity metal powder | |
| Yonezawa et al. | Microwave-induced plasma-in-liquid process for nanoparticle production | |
| WO2011071225A1 (en) | Production method for high purity copper powder using a thermal plasma | |
| Stein et al. | Effect of carrier gas composition on transferred arc metal nanoparticle synthesis | |
| JP2004124257A (en) | Metal copper particulate, and production method therefor | |
| Samokhin et al. | Nanopowders production and micron-sized powders spheroidization in dc plasma reactors | |
| RU2693989C1 (en) | Method of producing structurally gradient powder materials (versions) | |
| Bensebaa | Dry production methods | |
| WO2021100320A1 (en) | Microparticles | |
| Nazarenko et al. | Electroexplosive nanometals | |
| Zaharieva et al. | Plasma-chemical synthesis of nanosized powders-nitrides, carbides, oxides, carbon nanotubes and fullerenes | |
| Jagdeo | Physical Methods for Synthesis of Nanoparticles | |
| WO2011034129A1 (en) | Process for production of carbide fine particles | |
| Trusova et al. | Cryochemical synthesis of ultrasmall, highly crystalline, nanostructured metal oxides and salts | |
| JP2002180112A (en) | Method for manufacturing high melting point metal powder material | |
| Boskovic et al. | A novel approach for complex oxide nanoparticle production: A glowing multi-wire generator synthesis |