RU2643288C2 - Method for obtaining non-metal nanopowder - Google Patents

Abstract

FIELD: nanotechnology.

SUBSTANCE: target is evaporated by laser radiation, followed by condensation of the evaporated substance in the gas flow. The evaporated target contains an evaporated material and a chemical compound of a transition metal that absorbs radiation at the wavelength of the laser used to evaporate this substance. The concentration of the chemical compound of the transition metal is from 0.0001 to 10 mol. % of the evaporated material. In particular embodiments of the invention, the radiation of a solid-state laser operating on transition metal ions is used. The chemical compound of the target is a chemical compound of a transition metal, on whose ions the laser operates. The chemical compound of the target is a kind of a chemical compound of a transition metal, which corresponds to the evaporated material. When the oxides are evaporated, transition metal oxides are used, and when the nitrides are evaporated - transition metal nitrides are used. The chemical compound of the target is a chemical compound of a transition metal, decomposable in an oxygen atmosphere.

EFFECT: increasing the efficiency of the process of obtaining non-metal nanopowders by means of substance evaporation by laser radiation.

4 cl

Description

Изобретение относится к области получения порошковых материалов, в том числе к способам и устройствам для получения нанопорошков.The invention relates to the field of production of powder materials, including methods and devices for producing nanopowders.

Известен способ и реализующее его устройство для получения дисперсий наночастиц металлов и сплавов при помощи сверхбыстрой лазерной абляции в жидкости [US 2010/0196192 А1, 05.08.2010. 'Production of metal and metal-alloy nanoparticles with high repetition rate ultrafast pulsed laser ablation in liquids' B. Liu, Z. Hu, Y. Che, M. Murakami]. Способ заключается в абляции металлов или сплавов, находящихся в потоке жидкости, под действием импульсного лазерного излучения со следующими характеристиками: частота следования импульсов излучения от 10 кГц до 100 МГц, длительность импульса 10 фс - 200 пс, энергия импульса 100 нДж - 1 мДж. Способ позволяет получать стабильные суспензии наночастиц металлов и сплавов в жидкости.A known method and its implementing device for producing dispersions of metal and alloy nanoparticles using ultrafast laser ablation in a liquid [US 2010/0196192 A1, 05/05/2010. 'Production of metal and metal-alloy nanoparticles with high repetition rate ultrafast pulsed laser ablation in liquids' B. Liu, Z. Hu, Y. Che, M. Murakami]. The method consists in ablation of metals or alloys in a liquid stream under the action of pulsed laser radiation with the following characteristics: pulse repetition rate from 10 kHz to 100 MHz, pulse duration 10 fs - 200 ps, pulse energy 100 nJ - 1 mJ. The method allows to obtain stable suspensions of nanoparticles of metals and alloys in a liquid.

Недостатками данного способа и реализующего его устройства являются: низкая производительность процесса получения наночастиц (несколько миллиграмм в час), низкий КПД импульсного фемто- /пикосекундного лазера (менее 1%) и соответственно высокие энергозатраты на получение наночастиц, необходимость дополнительных технологических этапов (фильтрация, сушка) при извлечении наночастиц из жидкости.The disadvantages of this method and its implementing device are: low productivity of the process of producing nanoparticles (several milligrams per hour), low efficiency of a pulsed femto / picosecond laser (less than 1%) and, accordingly, high energy consumption for producing nanoparticles, the need for additional technological steps (filtering, drying ) when extracting nanoparticles from a liquid.

Известен способ и реализующее его устройство для получения нанокристаллических интерметаллических порошков при помощи лазерного испарения [US 6368406 В1 09.04.2002. 'Nanocrystalline intermetallic powders made by laser evaporation' Deevi, Seetharama C. Pithawalla, Yezdi B. Shall, El M. S.]. Способ заключается в испарении смеси металлов или сплавов под действием лазерного излучения. При этом испарение мишени может производиться второй гармоникой Nd-YAG лазера на длине волны 532 нм, с энергией 15-40 мДж, в атмосфере реакционного (кислорода) или инертного газа. Испарению могут подвергаться как одна мишень со смесью или сплавом металлов, так и две мишени с отдельными металлами.The known method and its implementing device for producing nanocrystalline intermetallic powders using laser evaporation [US 6368406 B1 04/09/2002. 'Nanocrystalline intermetallic powders made by laser evaporation' Deevi, Seetharama C. Pithawalla, Yezdi B. Shall, El M. S.]. The method consists in vaporizing a mixture of metals or alloys under the action of laser radiation. In this case, the target can be evaporated by the second harmonic of an Nd-YAG laser at a wavelength of 532 nm, with an energy of 15-40 mJ, in an atmosphere of a reaction (oxygen) or inert gas. Both one target with a mixture or alloy of metals and two targets with separate metals can undergo evaporation.

Недостатком данного способа и устройства является то, что в качестве исходного материала использованы металлы и сплавы, так как коэффициент отражения лазерного излучения от металлов очень высок (до 97%). В результате производительность и эффективность данного способа оказываются очень низкими: производительность - порядка 0,1-0,5 г/ч, энергозатраты - порядка 2 кВт*ч/г. Кроме того, использование двух мишеней, испаряемых одним лазером, делает необходимым перенос луча с одной мишени на другую и точный учет времени испарения каждого материала, что в сочетании с протекающими химическими реакциями взаимодействия паров металлов с газом в реакционной камере делает практически невозможным получение наночастиц сложных соединений и точных смесевых составов неметаллов.The disadvantage of this method and device is that metals and alloys are used as the starting material, since the reflection coefficient of laser radiation from metals is very high (up to 97%). As a result, the productivity and efficiency of this method are very low: productivity - about 0.1-0.5 g / h, energy consumption - about 2 kW * h / g. In addition, the use of two targets, vaporized by one laser, makes it necessary to transfer the beam from one target to another and to accurately account for the evaporation time of each material, which, in combination with the ongoing chemical reactions of the interaction of metal vapors with gas in the reaction chamber, makes it practically impossible to obtain complex nanoparticles and accurate mixed formulations of non-metals.

Известен способ и реализующее его устройство для получения нанопорошков оксидов путем испарения материалов под действием излучения CO₂-лазера и последующей конденсации паров в потоке газов [Muller Е., Oestreich Ch., Рорр U., Michel G., Staupendahl G., Henneberg K.-H. Characterization of nanocrystalline oxide powders prepared by CO₂ laser evaporation. J. KONA - Powder and Particle, 1995, №13, pp. 79-90]. В устройстве, реализующем данный способ, порошки оксидов, их смесей или твердых растворов насыпанные в кювету, подвергали действию сфокусированного лазерного излучения. В зоне воздействия луча происходило испарение материала мишени. Пары мигрировали в холодную зону и конденсировались. Сконденсировавшиеся наночастицы переносились газовым потоком и собирались в фильтре. При средней мощности излучения порядка 5 кВт максимальная производительность нанопорошка ZrO₂ составляла 130 г/час, размер частиц составлял d_BET=60 нм.A known method and a device implementing it for producing nanopowders of oxides by evaporation of materials under the action of CO ₂ laser radiation and subsequent condensation of vapors in a gas stream [Muller E., Oestreich Ch., Porr U., Michel G., Staupendahl G., Henneberg K .-H. Characterization of nanocrystalline oxide powders prepared by CO ₂ laser evaporation. J. KONA - Powder and Particle, 1995, No. 13, pp. 79-90]. In a device that implements this method, powders of oxides, mixtures thereof or solid solutions poured into a cuvette were exposed to focused laser radiation. In the area of the beam, the evaporation of the target material occurred. Vapors migrated to the cold zone and condense. Condensed nanoparticles were transported by a gas stream and collected in a filter. At an average radiation power of about 5 kW, the maximum productivity of ZrO ₂ nanopowder was 130 g / h, and the particle size was d _BET = 60 nm.

Недостатком данного способа является то, что при воздействии на материал мишени непрерывного лазерного излучения образуется зона постоянно существующего расплава, за счет высокой теплопроводности которого происходит рассеяние поглощенной энергии лазерного излучения и снижение эффективности процесса испарения материала мишени. Кроме того, так как процесс испарения непрерывный, над зоной расплава постоянно существует облако паров материала мишени, что создает условия для неограниченного роста в нем зерен нанопорошка. Для снижения размеров зерна вынужденно используют в качестве носителей чистые газы (гелий, кислород) при давлениях ниже атмосферного, что значительно усложняет конструкцию и эксплуатацию всей установки. При использовании же импульсного режима с высокой частотой следования импульсов излучения (т.е., когда поверхность мишени не успевает переместиться за время между импульсами на расстояние, большее или равное диаметру фокусного пятна) процесс испарения-конденсации в данном случае аналогичен непрерывному и имеет все вышеперечисленные недостатки, а энергозатраты такого режима возрастают за счет потерь на модуляцию излучения лазера.The disadvantage of this method is that when a continuous laser radiation is applied to the target material, a zone of permanently existing melt is formed, due to the high thermal conductivity of which the absorbed laser energy is scattered and the efficiency of the evaporation of the target material is reduced. In addition, since the evaporation process is continuous, a cloud of vapor of the target material constantly exists over the melt zone, which creates the conditions for unlimited growth of nanopowder grains in it. To reduce grain size, they are forced to use pure gases (helium, oxygen) as carriers at pressures below atmospheric, which greatly complicates the design and operation of the entire installation. When using a pulsed mode with a high repetition rate of radiation pulses (i.e., when the target surface does not have time to move a distance greater than or equal to the diameter of the focal spot during the time between pulses), the evaporation-condensation process in this case is similar to continuous and has all of the above disadvantages, and the energy consumption of this mode increases due to losses on the modulation of laser radiation.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу (прототип) является способ получения ультрадисперсных порошков и устройство для его реализации [RU, 2185931 C1, B22F 9/02, 9/12 Иванов М.Г., Котов Ю.А., Осипов В.В., Саматов О.М., 24.01.2001], в котором получение нанопорошков сложных соединений и смесевых составов осуществляют за счет испарения вещества излучением импульсно-периодического лазера с последующей конденсацией испаренного вещества в потоке газа, при этом поверхность испаряемого вещества перемещают в фокальной плоскости относительно точки фокуса лазерного излучения с постоянной скоростью v_п такой, что:The closest in technical essence to the proposed method (prototype) is a method for producing ultrafine powders and a device for its implementation [RU, 2185931 C1, B22F 9/02, 9/12 Ivanov MG, Kotov Yu.A., Osipov V. V., Samatov OM, January 24, 2001], in which nanopowders of complex compounds and mixed compositions are produced by evaporation of the substance by radiation from a repetitively pulsed laser, followed by condensation of the vaporized substance in a gas stream, while the surface of the evaporated substance is moved to the focal plane relative on the point of focus of the laser radiation at a constant velocity v _n such that:

v_п≥d/τ,v _p ≥d / τ,

где d - диаметр фокусного пятна,where d is the diameter of the focal spot,

τ - время между импульсами излучения;τ is the time between radiation pulses;

поток газа направляют перпендикулярно поверхности испаряемого вещества, а скорость потока газа v_г над поверхностью вещества выбирают из условия:the gas flow is directed perpendicular to the surface of the evaporated substance, and the gas flow rate v _g above the surface of the substance is selected from the condition:

v_г≥2r/τ,v _g ≥2r / τ,

где r - радиус зоны разлета испаренного вещества в паровой фазе,where r is the radius of the expansion zone of the vaporized substance in the vapor phase,

τ - время между импульсами излучения.τ is the time between radiation pulses.

Недостатком данного способа является то, что, как и в случае аналога [Muller Е., Oestreich Ch., Рорр U., Michel G., Staupendahl G., Henneberg K.-H. Characterization of nanocrystalline oxide powders prepared by CO₂ laser evaporation. J. KONA - Powder and Particle, 1995, №13, pp. 79-90.], при испарении материала под действием лазерного излучения эффективность этого процесса крайне низка. В работе [В. Лисенков, В. Осипов. Численное моделирование воздействия излучения импульсного CO₂-лазера на мишень из тугоплавких оксидов. Оптика атмосферы и океана, 2012, т. 25, №3, с. 216-220] показано, что при воздействии излучения CO₂-лазера (длина волны 10,6 мкм) на диэлектрики в материале мишени поглощается порядка 30% энергии, и от этой энергии доля, приходящаяся на испарение, составляет 35-45% в зависимости от материала мишени. Таким образом, на испарение и получение нанопорошка используется только 10-12% энергии лазерного излучения. В работе [Котов Ю.А., Саматов О.М., Иванов М.Г., Мурзакаев A.M., Медведев А.И., Тимошенкова О.Р., Демина Т.М., Вьюхина И.В. Получение композиционных нанопорошков с помощью волоконного иттербиевого лазера и их характеристики, ЖТФ, 2011, №5. с. 65-68.] было показано, что ровно такие же потери энергии при испарении материала происходят и в случае использования излучения волоконного иттербиевого лазера с длиной волны 1,07 мкм. Более того, при испарении материалов, плохо поглощающих (прозрачных) на длине волны излучения лазера, эффективность процесса испарения может стремиться к нулю. Испарение мишени, изготовленной из таких чистых монокристаллических материалов, не происходит, а изготовленной из порошков, происходит только в начальный момент времени. Затем поверхность испаряемого порошка оплавляется, глубина поглощения увеличивается, и удельной энергии становится недостаточно не только для испарения, но иногда даже и для плавления материала. При этом вся поглощенная в мишени энергия лазерного излучения теряется за счет теплопроводности.The disadvantage of this method is that, as in the case of the analogue [Muller E., Oestreich Ch., Porr U., Michel G., Staupendahl G., Henneberg K.-H. Characterization of nanocrystalline oxide powders prepared by CO ₂ laser evaporation. J. KONA - Powder and Particle, 1995, No. 13, pp. 79-90.], When the material is evaporated by laser radiation, the efficiency of this process is extremely low. In the work of [V. Lisenkov, V. Osipov. Numerical simulation of the effect of radiation from a pulsed CO ₂ laser on a target of refractory oxides. Optics of the atmosphere and ocean, 2012, v. 25, No. 3, p. 216-220] it is shown that under the influence of CO ₂ laser radiation (wavelength 10.6 μm) on dielectrics, about 30% of the energy is absorbed in the target material, and the fraction attributable to evaporation is 35-45% of this energy, depending from the target material. Thus, only 10-12% of laser radiation energy is used for evaporation and nanopowder production. In the work [Kotov Yu.A., Samatov O.M., Ivanov M.G., Murzakaev AM, Medvedev A.I., Timoshenkova O.R., Demina T.M., Vyukhina I.V. Obtaining composite nanopowders using a ytterbium fiber laser and their characteristics, ZhTF, 2011, No. 5. from. 65-68.] It was shown that exactly the same energy losses during material evaporation occur in the case of using radiation from a ytterbium fiber laser with a wavelength of 1.07 μm. Moreover, during the evaporation of materials that are poorly absorbing (transparent) at the laser radiation wavelength, the efficiency of the evaporation process can tend to zero. The evaporation of a target made of such pure single-crystal materials does not occur, but made of powders occurs only at the initial moment of time. Then the surface of the evaporated powder is melted, the absorption depth increases, and the specific energy becomes insufficient not only for evaporation, but sometimes even for melting the material. In this case, all the laser radiation energy absorbed in the target is lost due to thermal conductivity.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности процесса получения нанопорошка неметалла с помощью испарения вещества излучением лазера.An object of the present invention is to increase the efficiency of the process for producing a non-metal nanopowder by evaporation of a substance by laser radiation.

Решение технической задачи достигается тем, чтоThe solution to the technical problem is achieved by the fact that

1. в способе получения нанопорошка неметалла, включающем испарение мишени излучением лазера с последующей конденсацией испаренного вещества в потоке газа, испаряют мишень, содержащую испаряемый материал и химическое соединение переходного металла, поглощающие излучение на длине волны, используемого для испарения данного вещества лазера, при этом концентрация химического соединения переходного металла составляет от 0,0001 до 10 мольных % испаряемого материала.1. in the method for producing a non-metal nanopowder, including evaporation of a target by laser radiation followed by condensation of an evaporated substance in a gas stream, a target containing the vaporized material and a transition metal chemical compound that absorbs radiation at a wavelength used to vaporize this laser substance is vaporized, the concentration the chemical compound of the transition metal is from 0.0001 to 10 mol% of the vaporized material.

2. в способе по п. 1 используют излучение твердотельного лазера, работающего на ионах переходных металлов, при этом в качестве химического соединения мишени используют химическое соединение переходного металла, на ионах которого работает лазер.2. in the method according to claim 1, the radiation of a solid-state laser operating on transition metal ions is used, while the chemical compound of the transition metal on whose ions the laser operates is used as a target chemical compound.

3. в способе по п. 2 в качестве химического соединения мишени используют вид химического соединения переходного металла, которому соответствует испаряемый материал, при этом при испарении оксидов используют оксиды переходного металла, а нитридов - нитриды переходного металла.3. in the method according to claim 2, the type of chemical compound of the transition metal corresponding to the vaporized material is used as the target chemical compound, while the transition metal oxides and the nitrides are the transition metal nitrides when the oxides are evaporated.

4. в способе по п. 2 в качестве химического соединения мишени используют химическое соединение переходного металла, разлагаемое в атмосфере кислорода.4. in the method according to claim 2, a chemical compound of a transition metal decomposed in an oxygen atmosphere is used as a target chemical compound.

Заявляемый способ отличается от известных признаками, указанными в отличительной части формулы.The inventive method differs from the known features indicated in the characterizing part of the formula.

Новый технический результат обусловлен тем, чтоThe new technical result is due to the fact that

- при больших концентрациях (до 10 мольн. %) химическое соединение переходного металла, добавленное к испаряемому материалу, поглощает лазерное излучение,- at high concentrations (up to 10 mol.%) the chemical compound of the transition metal added to the evaporated material absorbs laser radiation,

поглощенная энергия выделяется в тонком (обычно, единицы - десятки микрометров) поверхностном слое мишени, и реализуется режим, близкий к развитому испарению, т.е. когда выделение энергии в поверхностном слое вещества мишени за счет поглощения в нем падающего излучения происходит настолько быстро, что он успевает испариться прежде, чем процесс теплопроводности и другие процессы теплоотдачи способны отвести от слоя выделившееся тепло. При этом эффективность процессов испарения материала и получения наночастиц существенно возрастает. В идеальном случае до 100% поглощенной лазерной энергии может быть затрачено на испарение материала.the absorbed energy is released in a thin (usually a few tens of micrometers) surface layer of the target, and a regime close to developed evaporation is realized, i.e. when the energy release in the surface layer of the target material due to absorption of the incident radiation in it is so fast that it has time to evaporate before the heat conduction process and other heat transfer processes can remove the released heat from the layer. In this case, the efficiency of the processes of evaporation of the material and the production of nanoparticles increases significantly. In the ideal case, up to 100% of the absorbed laser energy can be spent on the evaporation of the material.

- в случае малых концентраций (от 0,0001 мольн. %) добавляемое вещество (примесь) создает дефекты с энергетическими уровнями, находящимися внутри запрещенной зоны испаряемого полупроводника или диэлектрика. Под действием лазерного излучения в испаряемом веществе существенно возрастает концентрация электронов и дырок в соответствующих зонах (проводимости и валентной соответственно) вследствие их многоступенчатого перехода через промежуточные энергетические уровни дефектов (примеси). На свободных носителях зарядов происходит дополнительное поглощение лазерного излучения, при этом в облучаемом объеме выделяется тепло, дополнительно происходит тепловая генерация ионных дефектов, повышается показатель преломления среды, происходит самофокусировка пучка и повышается интенсивность излучения, что приводит к ускорению всех вышеперечисленных процессов. Таким образом, даже исходно (без примеси) прозрачный для лазерного излучения полупроводниковый или диэлектрический материал при наличии примеси малой концентрации начинает интенсивно поглощать излучение, эффективность процессов испарения и соответственно получения наночастиц существенно возрастает. Следует отметить, что если в начальный момент времени добавляемое вещество (примесь) не входило в кристаллическую структуру испаряемого вещества (например, добавлено в виде порошка или нанесено на поверхность частиц в виде раствора солей), то после первоначального воздействия лазерного излучения на поверхности мишени формируется оплавленный слой. В структуре этого оплавленного слоя испаряемого вещества примесь образует атомарные дефекты - замещенные и междоузельные атомы, вакансии с энергетическими уровнями, находящимися внутри запрещенной зоны, и взаимодействие лазерного излучения с веществом происходит в соответствии с описанным выше процессом.- in the case of low concentrations (from 0.0001 mol.%), the added substance (impurity) creates defects with energy levels located inside the forbidden zone of the evaporated semiconductor or dielectric. Under the action of laser radiation in the evaporated material, the concentration of electrons and holes in the corresponding bands (conductivity and valence, respectively) substantially increases due to their multi-stage transition through intermediate energy levels of defects (impurities). On free charge carriers, additional absorption of laser radiation occurs, while heat is generated in the irradiated volume, ion defects are thermally generated, the refractive index of the medium increases, the beam self-focuses, and the radiation intensity increases, which accelerates all of the above processes. Thus, even a semiconductor or dielectric material that is initially transparent (without an impurity) and begins to absorb radiation intensively in the presence of a low-concentration impurity, the efficiency of the evaporation processes and, accordingly, the production of nanoparticles increases significantly. It should be noted that if at the initial moment of time the added substance (impurity) did not enter the crystalline structure of the evaporated substance (for example, it was added in the form of a powder or applied to the particle surface in the form of a solution of salts), then after the initial exposure to laser radiation, a fused layer. In the structure of this melted layer of the evaporated substance, the impurity forms atomic defects — substituted and interstitial atoms, vacancies with energy levels inside the band gap, and the interaction of laser radiation with matter occurs in accordance with the process described above.

- в случае использования твердотельного лазера, работающего на ионах переходных металлов, проблема выбора примесного вещества, повышающего эффективность процесса испарения, упрощается. Ионы переходных металлов, на которых работает лазер, будут эффективно поглощать лазерное излучение в испаряемом материале.- in the case of using a solid-state laser operating on transition metal ions, the problem of choosing an impurity substance that increases the efficiency of the evaporation process is simplified. The transition metal ions on which the laser operates will effectively absorb the laser radiation in the vaporized material.

- если к испаряемому веществу добавляется тот вид химического соединения переходного металла, который соответствует испаряемому веществу, т.е. при испарении оксидов, добавляют оксиды, нитридов - нитриды и т.п., то получаемый нанопорошок в наименьшей степени загрязнен примесными химическими веществами. Во время испарения под действием лазерного излучения происходит разложение большинства химических веществ. Так, при испарении Al₂O₃ наибольшее давление паров при фиксированной температуре над поверхностью мишени имеют Al₂O и AlO. В случае, когда к испаряемому материалу добавлено химическое соединение другого вида, например к оксиду - нитрид, возможно формирование наночастиц примесной фазы нитрида (в некоторых случаях нитрита, нитрата), загрязняющей полученный материал.- if the type of chemical compound of the transition metal corresponding to the vaporized substance is added to the evaporated substance, i.e. during the evaporation of oxides, oxides are added, nitrides - nitrides, etc., then the resulting nanopowder is least contaminated with impurity chemicals. During evaporation, most chemicals are decomposed by laser radiation. So, during the evaporation of Al ₂ O ₃ , Al ₂ O and AlO have the highest vapor pressure at a fixed temperature above the target surface. In the case when a chemical compound of a different type is added to the material being evaporated, for example, nitride, an oxide, it is possible to form nanoparticles of an impurity phase of nitride (in some cases nitrite, nitrate), which pollutes the obtained material.

- если вещество испаряется в кислородсодержащей атмосфере (воздухе), то при использовании химических соединений переходного металла, разлагаемых в атмосфере кислорода, получаемый порошок будет в наименьшей степени загрязнен примесными соединениями. Так, ацетилацетонаты редкоземельных элементов (например, C₁₅H₂₁O₆Nd) при нагреве в воздухе разлагаются на оксид редкоземельного элемента, воду и углекислый газ, не приводя к загрязнению (исключая редкоземельные ионы) получаемого нанопорошка.- if the substance evaporates in an oxygen-containing atmosphere (air), then when using chemical compounds of a transition metal decomposed in an oxygen atmosphere, the resulting powder will be least contaminated with impurity compounds. Thus, rare earth acetylacetonates (e.g., C ₁₅ H ₂₁ O ₆ Nd) decompose upon heating in air into rare earth oxide, water and carbon dioxide, without leading to contamination (excluding rare earth ions) of the resulting nanopowder.

- в случае, когда испаряемое вещество в виде порошка пропитывается раствором соли переходного металла, достигается максимальная однородность распределения примесных ионов в материале мишени, что очень важно для формирования необходимой энергетической структуры испаряемого материала и эффективного испарения. При добавлении малых концентраций (0,0001-0,01 мольн. %) необходимая однородность перемешивания (на уровне отдельных частиц) возможна, в большинстве случаев только в случае пропитки порошка раствором соли примесного вещества (нитрата, карбоната и др.) и невозможна при перемешивании порошка с порошком.- in the case when the evaporated substance in the form of a powder is impregnated with a solution of a salt of a transition metal, the maximum uniformity of the distribution of impurity ions in the target material is achieved, which is very important for the formation of the necessary energy structure of the evaporated material and effective evaporation. When adding small concentrations (0.0001-0.01 mol.%), The necessary uniformity of mixing (at the level of individual particles) is possible, in most cases only if the powder is impregnated with a solution of a salt of an impurity substance (nitrate, carbonate, etc.) and is impossible when mixing powder with powder.

Предложенный способ по сравнению с прототипом обеспечивает повышение эффективности процесса получения нанопорошков неметаллов при испарении вещества излучением лазера.The proposed method in comparison with the prototype provides an increase in the efficiency of the process of obtaining nanopowders of non-metals upon evaporation of a substance by laser radiation.

Работоспособность предлагаемого способа проверена на примере установки по получению нанопорошка, где для испарения материала мишени использовался волоконный иттербиевый лазер. Средняя мощность излучения лазера до 1 кВт. Средняя плотность мощности лазерного излучения на мишени ~10⁶ Вт/см². В качестве рабочего газа использовался воздух при атмосферном давлении. Расход газа составлял 3 л/мин. Мишень состояла из прессованных порошков оксидов.The operability of the proposed method was tested on the example of a plant for producing nanopowder, where a ytterbium fiber laser was used to evaporate the target material. The average laser radiation power is up to 1 kW. The average power density of laser radiation on the target is ~ 10 ⁶ W / cm ² . Air was used as a working gas at atmospheric pressure. The gas flow rate was 3 l / min. The target consisted of pressed oxide powders.

При испарении мишени из оксида алюминия в виде прессованного порошка с размерами частиц 5-10 мкм излучением волоконного иттербиевого лазера со средней мощностью 500 Вт в начальный момент времени производительность составляла 8 г/ч, т.е. энергозатраты составляли 62,5 кВт*ч/кг. Через несколько (5-10) минут поверхность мишени оплавлялась, испарение практически прекращалось, т.е. энергозатраты стремились к бесконечности. При пропитке порошка оксида алюминия водным раствором нитрата эрбия с концентрацией 0,0001 мольн. % производительность составляла 8-10 г/ч и не изменялась в течение всего процесса получения нанопорошка (порядка 2 ч). При добавлении к порошку Al₂O₃ порошка Yb₂O₃ с концентрацией 0,1 мольн. % производительность составляла 10-12 г/ч и не изменялась в течение всего процесса получения нанопорошка (2 ч).When an aluminum oxide target was evaporated in the form of a pressed powder with a particle size of 5–10 μm by radiation from a ytterbium fiber laser with an average power of 500 W at the initial time, the productivity was 8 g / h, i.e. energy consumption was 62.5 kWh / kg. After a few (5-10) minutes, the target surface was melted, the evaporation practically stopped, i.e. energy costs tended to infinity. When impregnating alumina powder with an aqueous solution of erbium nitrate with a concentration of 0.0001 mol. % productivity was 8-10 g / h and did not change during the entire process of obtaining nanopowder (about 2 hours). When adding to the powder Al ₂ O ₃ powder Yb ₂ O ₃ with a concentration of 0.1 mol. % productivity was 10-12 g / h and did not change during the entire process of obtaining nanopowder (2 h).

При испарении мишени из оксида иттрия производительность в начальный момент времени составляла 25 г/ч, энергозатраты - 20 кВт*ч/кг. Через 10-20 минут производительность снижалась до 18 г/ч, а энергозатраты возрастали до 28 кВт*ч/кг. При добавлении к порошку Y₂O₃ порошка Yb₂O₃ с концентрацией 5 мольн. % производительность составляла 30-32 г/ч и не изменялась в течение всего процесса получения нанопорошка (3,5 ч). При добавлении к порошку Y₂O₃ порошка ацетилацетоната неодима (C₁₅H₂₁O₆Nd) с концентрацией 0,1 мольн. % производительность составляла 28-30 г/ч и не изменялась в течение всего процесса получения нанопорошка (3 ч).When the target was evaporated from yttrium oxide, the productivity at the initial time was 25 g / h, and the energy consumption was 20 kW * h / kg. After 10-20 minutes, the productivity decreased to 18 g / h, and energy consumption increased to 28 kW * h / kg. When adding to the powder Y ₂ O ₃ powder Yb ₂ O ₃ with a concentration of 5 mol. % productivity was 30-32 g / h and did not change during the entire process of obtaining nanopowder (3.5 h). When adding to the powder Y ₂ O ₃ powder of neodymium acetylacetonate (C ₁₅ H ₂₁ O ₆ Nd) with a concentration of 0.1 mol. % productivity was 28-30 g / h and did not change during the entire process of obtaining nanopowder (3 h).

Claims (4)

1. Способ получения нанопорошка неметалла, включающий испарение мишени излучением лазера с последующей конденсацией испаренного вещества в потоке газа, отличающийся тем, что испаряют мишень, содержащую испаряемый материал и химическое соединение переходного металла, поглощающие излучение на длине волны используемого для испарения данного вещества лазера, при этом концентрация химического соединения переходного металла составляет от 0,0001 до 10 мольных % испаряемого материала.1. A method of producing a non-metal nanopowder, including evaporation of a target by laser radiation followed by condensation of the vaporized substance in a gas stream, characterized in that the target containing the vaporized material and a transition metal chemical compound absorbing radiation at the wavelength of the laser substance used to vaporize is vaporized this concentration of the chemical compounds of the transition metal is from 0.0001 to 10 mol% of the vaporized material. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют излучение твердотельного лазера, работающего на ионах переходных металлов, при этом в качестве химического соединения мишени используют химическое соединение переходного металла, на ионах которого работает лазер.2. The method according to p. 1, characterized in that the radiation of a solid-state laser operating on transition metal ions is used, while the chemical compound of the transition metal on whose ions the laser is used is used as the target chemical compound. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве химического соединения мишени используют вид химического соединения переходного металла, которому соответствует испаряемый материал, при этом при испарении оксидов используют оксиды переходного металла, а нитридов - нитриды переходного металла.3. The method according to p. 2, characterized in that the type of chemical compound of the transition metal to which the material to be vaporized is used as the target chemical compound, while the transition metal oxides are used for the evaporation of the oxides, and the transition metal nitrides are used. 4. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве химического соединения мишени используют химическое соединение переходного металла, разлагаемое в атмосфере кислорода.4. The method according to p. 2, characterized in that as the chemical compound of the target using a chemical compound of a transition metal, decomposable in an oxygen atmosphere.