RU2535109C2 - Method for obtaining nanopowders of metals with increased stored energy - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method relates to powder metallurgy, namely to production of nanopowders of metals with increased stored energy. It can be used to increase a reactive capacity of nanopowders at sintering, burning, in energy-saving technologies. A specimen of metal nanopowder is obtained by a flux of accelerated electrons with energy of not more than 6 MeV in vacuum with provision of a positive charge of the inner part of a metal particle. Specimen thickness does not exceed electron run length.

EFFECT: providing increase of stored energy by 10-15%.

1 dwg, 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к технологии получения нанопорошков с повышенной запасенной энергией, в частности нанопорошков металлов, и может использоваться для повышения реакционной способности нанопорошков металлов при спекании, горении, в энергосберегающих технологиях.The invention relates to a technology for producing nanopowders with increased stored energy, in particular metal nanopowders, and can be used to increase the reactivity of metal nanopowders during sintering, combustion, in energy-saving technologies.

Известен способ запасания энергии нанопорошком алюминия при его пассивировании небольшими добавками воздуха (Ильин А.П. Особенности энергонасыщенной структуры малых металлических частиц, сформированных в сильнонеравновесных условиях // Физика и химия обработки материалов. 1997. №4. С.93-97).There is a method of storing energy with aluminum nanopowder when it is passivated with small air additives (Ilyin A.P. Features of the energy-saturated structure of small metal particles formed under highly nonequilibrium conditions // Physics and Chemistry of Materials Processing. 1997. No. 4. P.93-97).

Недостатком данного способа является низкая запасенная энергия, не превышающая 80-100 кДж/моль, что в 2-3 раза ниже энергии химической связи.The disadvantage of this method is the low stored energy, not exceeding 80-100 kJ / mol, which is 2-3 times lower than the energy of the chemical bond.

Наиболее близким по техническому эффекту является «Способ повышения запасенной энергии в нанопорошках металлов» (Патент РФ №2461445, опубл. 20.09.2012, бюл. №26) путем облучения нанопорошков металлов (железа, никеля, молибдена и меди) потоком ускоренных электронов с энергией не более 6 МэВ в вакууме, причем толщина образца превышает длину пробега электронов в нанопорошке.The closest in technical effect is the "Method of increasing the stored energy in metal nanopowders" (RF Patent No. 2461445, publ. 09/20/2012, bull. No. 26) by irradiating metal nanopowders (iron, nickel, molybdenum and copper) with a stream of accelerated electrons with energy not more than 6 MeV in vacuum, and the sample thickness exceeds the mean free path of electrons in the nanopowder.

Недостатком данного способа является относительно невысокая запасенная энергия: при пробеге электронов менее толщины слоя образца нанопорошка часть нанопорошка остается необлученной и это снижает запасенную энергию в нанопорошке (фиг.).The disadvantage of this method is the relatively low stored energy: when the range of electrons is less than the thickness of the sample layer of the nanopowder, a part of the nanopowder remains unirradiated and this reduces the stored energy in the nanopowder (Fig.).

Основной технической задачей изобретения является повышение запасенной энергии в нанопорошках металлов за счет уменьшения толщины образца, при которой облучение электронами происходит «на прострел».The main technical objective of the invention is to increase the stored energy in metal nanopowders by reducing the thickness of the sample at which the electron irradiation occurs "on the cross".

Основная техническая задача достигается тем, что в заявленном способе повышения запасенной энергии в нанопорошках металлов, согласно которому, так же как и в прототипе, энергия повышается за счет положительного заряда внутренней части частицы металла, в соответствии с предложенным решением нанопорошки металлов облучают потоком ускоренных электронов с энергией не более 6 МэВ в вакууме (без доступа воздуха), причем толщина образца нанопорошка не превышает длину пробега электронов в нанопорошке.The main technical problem is achieved by the fact that in the claimed method of increasing the stored energy in metal nanopowders, according to which, as in the prototype, the energy increases due to the positive charge of the inner part of the metal particle, in accordance with the proposed solution, metal nanopowders are irradiated with a stream of accelerated electrons with energy of not more than 6 MeV in vacuum (without air access), and the thickness of the nanopowder sample does not exceed the mean free path of electrons in the nanopowder.

В таблице приведена зависимость запасенной энергии в нанопорошках железа, никеля, молибдена и меди от дозы облучения потоком ускоренных электронов (4 МэВ) при толщине образца менее пробега электронов.The table shows the dependence of the stored energy in the nanopowders of iron, nickel, molybdenum and copper on the radiation dose by the accelerated electron flux (4 MeV) with a sample thickness less than the electron mean free path.

На фиг. представлена схема облучения нанопорошка металла (1 - нанопорошок металла, подвергающийся действию потока электронов, при толщине образца более длины пробега электронов; 2 - нанопорошок металла, не подвергающийся действию потока электронов, при толщине образца более длины пробега электронов; 3 - образец нанопорошка металла с толщиной менее длины пробега электронов, полностью подвергающийся действию потока электронов): а) толщина образца нанопорошка металла превышает длину пробега электронов; б) толщина образца нанопорошка металла не превышает длину пробега электронов.In FIG. a scheme of irradiation of a metal nanopowder is presented (1 - a metal nanopowder exposed to an electron stream with a sample thickness greater than the mean free path of the electrons; 2 - a metal nanopowder not exposed to an electron stream with a sample thickness greater than the electron mean free path; 3 - a metal nanopowder with a thickness less than the mean free path of electrons, completely exposed to the action of the electron flux): a) the thickness of the sample nanopowder metal exceeds the mean free path of electrons; b) the thickness of the sample of a metal nanopowder does not exceed the mean free path of electrons.

Пример исполнения. Образцы нанопорошка железа получают с помощью распыления железного проводника диаметром 0,3 мм мощными импульсами электрического тока (500 кА). Распределение частиц по диаметру соответствует нормально-логарифмическому. Максимум в распределении соответствует диаметру частиц, равному 100 нм.Execution example. Samples of iron nanopowder are obtained by spraying an iron conductor with a diameter of 0.3 mm by powerful pulses of electric current (500 kA). The distribution of particle diameter corresponds to the normal logarithmic. The maximum in the distribution corresponds to a particle diameter of 100 nm.

После получения нанопорошков металлов распылением в аргоне металлических проводников при пропускании мощных импульсов электрического тока (500 кА) все металлические нанопорошки пирофорны и требуют нанесения защитных покрытий: оксидно-гидроксидных или других функциональных. При облучении потоком электронов частиц металлов в них происходит ионизация, вследствие чего повышается положительный заряд, за счет которого в частице увеличивается энергия.After obtaining metal nanopowders by spraying metal conductors in argon while transmitting powerful pulses of electric current (500 kA), all metal nanopowders are pyrophoric and require the application of protective coatings: oxide-hydroxide or other functional ones. When irradiated with a stream of electrons of metal particles, ionization occurs in them, as a result of which the positive charge increases, due to which the energy in the particle increases.

Для повышения запасенной энергии две навески нанопорошка железа помещают в алюминиевую фольгу толщиной 40 мкм, придавая образцам плоскую форму. Толщина первого образца в фольге (5000 мкм) больше длины пробега электронов (2768 мкм), второго - меньше длины пробега электронов (2000 мкм). Образцы помещают в охлаждаемую ячейку и облучают потоком ускоренных электронов с энергией 4 МэВ (без доступа воздуха). Учитывая мощность ускорителя для получения образцами доз 1, 5, 10 Мрад, время облучения составляет 14, 70, 140 с, соответственно. При большей энергии ускоренных электронов возможно протекание ядерных реакций и появление наведенной радиоактивности.To increase the stored energy, two samples of iron nanopowder are placed in aluminum foil 40 μm thick, giving the samples a flat shape. The thickness of the first sample in the foil (5000 microns) is greater than the mean free path of electrons (2768 microns), and the second is less than the mean free path of electrons (2000 microns). Samples are placed in a cooled cell and irradiated with a stream of accelerated electrons with an energy of 4 MeV (without access of air). Considering the accelerator power for receiving doses of 1, 5, 10 Mrad by the samples, the irradiation time is 14, 70, 140 s, respectively. At a higher energy of accelerated electrons, the course of nuclear reactions and the appearance of induced radioactivity are possible.

При облучении потоком электронов образцов нанопорошков металлов с толщиной слоя более длины пробега электронов в образце не весь нанопорошок подвергается облучению (фиг., а), в связи с чем не весь нанопорошок запасает энергию.When irradiating with a stream of electrons samples of metal nanopowders with a layer thickness greater than the mean free path of electrons in the sample, not all nanopowders are exposed to radiation (Fig. A), and therefore not all nanopowders store energy.

После облучения образцы подвергают термическому анализу с помощью термоанализатора Q 600 SDT: масса навески 10 мг, скорость нагрева 10 град/мин, диапазон температур 20-1000°C. Результаты экспериментов приведены в таблице. При нагревании необлученного образца тепловой эффект слагается из теплоты окисления и из запасенной энергии, величину которой принимают за единицу. При нагревании облученных образцов фиксируют теплоту окисления и запасенную энергию. Учитывая, что степень окисленности необлученных и облученных нанопорошков одинакова, теплота окисления металлов также примерно одинакова. Повышение теплоты, выделившейся при окислении облученных образцов, составляет запасенную энергию.After irradiation, the samples are subjected to thermal analysis using a Q 600 SDT thermal analyzer: sample weight 10 mg, heating rate 10 deg / min, temperature range 20-1000 ° C. The experimental results are shown in the table. When heating an unirradiated sample, the thermal effect is composed of the heat of oxidation and the stored energy, the value of which is taken as unity. When heated, the irradiated samples record the heat of oxidation and the stored energy. Considering that the degree of oxidation of unirradiated and irradiated nanopowders is the same, the heat of oxidation of metals is also approximately the same. An increase in the heat released during the oxidation of the irradiated samples constitutes the stored energy.

Аналогичным образом облучают и анализируют нанопорошки никеля, молибдена, меди (таблица). После облучения потоком электронов, в соответствии с результатами термического анализа запасенная энергия повышается в нанопорошках: железа - на 15%; никеля - на 12%; молибдена - на 10%; меди - на 14%. Таким образом, заявленный способ дает существенно более высокую энергию, превышающую прототип на 10-15%.In a similar manner, nickel, molybdenum, and copper nanopowders are irradiated and analyzed (table). After irradiation with a stream of electrons, in accordance with the results of thermal analysis, the stored energy increases in nanopowders: iron - by 15%; nickel - by 12%; molybdenum - by 10%; copper - by 14%. Thus, the claimed method gives a significantly higher energy, exceeding the prototype by 10-15%.

ТаблицаTable № п/пNo. p / p НанопорошокNanopowder Доза облуче
ния, МрадDose dose
Niya, Mrad Энергия, выделяющаяся при окислении, Дж/гThe energy released during oxidation, J / g Запасенная энергия, отн. ед.Stored energy, rel. units ПримечаниеNote Толщина образца больше длины пробега электроновSample thickness greater than electron mean free path Толщина образца меньше длины пробега электроновSample thickness less than electron mean free path Толщина образца больше длины пробега электроновSample thickness greater than electron mean free path Толщина образца меньше длины пробега электроновSample thickness less than electron mean free path 1one FeFe 1one 1447414474 1664516645 2,132.13 2,442.44   22 NiNi 1010 1235812358 1384113841 1,501,50 1,681.68   33 MoMo 1010 77987798 85778577 1,181.18 1,301.30   4four CuCu 1one 33243324 37893789 2,272.27 2,592.59  

Claims (1)

Способ получения нанопорошка металла с повышенной запасенной энергией, включающий облучение образца нанопорошка металла потоком ускоренных электронов с энергией не более 6 МэВ в вакууме с обеспечением положительного заряда внутренней части частицы металла, отличающийся тем, что облучению подвергают образец нанопорошка металла, толщина которого на превышает длину пробега электронов. A method of producing a metal nanopowder with increased stored energy, comprising irradiating a sample of a metal nanopowder with a stream of accelerated electrons with an energy of not more than 6 MeV in a vacuum to ensure a positive charge of the inner part of the metal particle, characterized in that the sample is subjected to irradiation of a metal nanopowder whose thickness exceeds the path length electrons.

Images