RU2756189C1 - Unit for electric pulse controlled production of nanoparticles of current-conductive materials - Google Patents

Unit for electric pulse controlled production of nanoparticles of current-conductive materials Download PDF

Info

Publication number
RU2756189C1
RU2756189C1 RU2020130899A RU2020130899A RU2756189C1 RU 2756189 C1 RU2756189 C1 RU 2756189C1 RU 2020130899 A RU2020130899 A RU 2020130899A RU 2020130899 A RU2020130899 A RU 2020130899A RU 2756189 C1 RU2756189 C1 RU 2756189C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
working
voltage
nanoparticles
interelectrode gap
gap
Prior art date
Application number
RU2020130899A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анна Олеговна Дителева
Дмитрий Юрьевич Кукушкин
Алексей Владимирович Савкин
Владимир Владимирович Слепцов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт" (национальный исследовательский университет)"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт" (национальный исследовательский университет)" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский авиационный институт" (национальный исследовательский университет)"
Priority to RU2020130899A priority Critical patent/RU2756189C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2756189C1 publication Critical patent/RU2756189C1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/14Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes using electric discharge
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • B82B3/0009Forming specific nanostructures
    • B82B3/0028Forming specific nanostructures comprising elements which are movable in relation to each other, e.g. slidable or rotatable
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures

Abstract

FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy and manufacture of nanostructures usable for production of quantum information science, radiophotonics and nanoelectronics equipment, as well as for production of coatings and in additive technology. The unit for electric pulse controlled production of nanoparticles of current-conductive materials comprises charging 3 and discharging 8 circuits. The charging circuit 3 consists of a laboratory autotransformer (LATR) 4, the input terminals 1 and 2 whereof are connected to an alternating voltage power supply network and the output is connected to the primary winding of a high-voltage step-up transformer (HVST) 5, the secondary winding whereof is connected to a high-voltage electric capacitor 7 through protective current-limiting resistors 6. Voltmeters 14 and 15 are provided for monitoring the operating mode at the output of the LATR 4 and HVST 5. The discharging circuit 8, connected in parallel with the high-voltage electric capacitor 7 by means of the output terminals of the latter, consists of an electric spark dispersion reactor 11 filled with a dielectric liquid wherein working dispersible electrodes with terminals 12 and 13, made rotating relative to each other, are submerged, wherein a working interelectrode gap 10 is formed between said electrodes, as well as of a reconfigurable air spark gap 9 with a breakdown voltage greater than the breakdown voltage of the working interelectrode gap 10.
EFFECT: ensured stable generation of an electric spark discharge at low discharge pulse energies of less than 100 mJ and an interelectrode gap of more than 50 mcm in order to produce nanoparticles of conductive materials, close to monodisperse.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии и изготовлению наноструктур, в частности к установкам для управляемого получения отдельных наночастиц, ансамблей наночастиц и нанопорошков металлических и полупроводниковых материалов и сплавов, методом электроискрового диспергирования материалов в жидком диэлектрике. При электроискровом диспергировании материалов наночастицы образуются путем конденсации расплавленных капель или паров материала, выброшенных с локальных участков поверхности электродов, между которыми происходит электроискровой пробой в диэлектрической жидкости. Для получения отдельных наночастиц используют одиночные дискретные электроискровые разряды, а для получения ансамблей наночастиц и нанопорошков необходимо поддержание повторяющихся искровых разрядов между рабочими диспергируемыми электродами, погруженными в диэлектрическую жидкость.The invention relates to powder metallurgy and the manufacture of nanostructures, in particular to installations for the controlled production of individual nanoparticles, ensembles of nanoparticles and nanopowders of metal and semiconductor materials and alloys, by the method of electrospark dispersion of materials in a liquid dielectric. In the case of electrospark dispersion of materials, nanoparticles are formed by condensation of molten droplets or material vapors ejected from local areas of the electrode surface, between which an electrospark breakdown occurs in a dielectric liquid. To obtain individual nanoparticles, single discrete electrospark discharges are used, and to obtain ensembles of nanoparticles and nanopowders, it is necessary to maintain repeated spark discharges between working dispersible electrodes immersed in a dielectric liquid.

Известны установки электроискрового диспергирования материалов для получения тонких порошков металлов, сплавов, полупроводников и других токопроводящих соединений, где могут быть изготовлены порошки с частицами от 5 нм до 75 мкм, при этом средний размер частиц и скорость их синтеза зависят от параметров мощности электрического импульса, рабочего диспергируемого материала и диэлектрической жидкости [Berkowitz А.Е., Walter J.L. Spark erosion: A method for producing rapidly quenched fine powders // Journal of Materials Research. 1987. vol. 2, issue 2, pp.277-288].Known installations for the electrospark dispersion of materials for the production of fine powders of metals, alloys, semiconductors and other conductive compounds, where powders with particles from 5 nm to 75 μm can be made, while the average particle size and the rate of their synthesis depend on the parameters of the electric pulse power, working dispersible material and dielectric fluid [Berkowitz AE, Walter JL Spark erosion: A method for producing rapidly quenched fine powders // Journal of Materials Research. 1987. vol. 2, issue 2, pp. 277-288].

Известны модификации установок электроискрового диспергирования материалов типа FG-SE и FG-RE [Carrey J., Radousky Н.В., Berkowitz A.E. Spark-eroded particles: Influence of processing parameters // Journal of applied physics. 2004. v. 95, №3, стр. 823-829.] В установке типа FG-SE рабочие диспергируемые электроды неподвижны и между ними сделан фиксированный зазор, в установке типа FG-RE один рабочий диспергируемый электрод неподвижно зафиксирован, а второй вращается вокруг собственной оси таким образом, чтобы поворачиваться к межэлектродному зазору всей боковой поверхностью поочередно. Для генерации электрических импульсов в обеих модификациях установок используется специальный генератор импульсов «Hansvedt H-Pulse 1506».Known modifications of installations for electrospark dispersion of materials such as FG-SE and FG-RE [Carrey J., Radousky NV, Berkowitz A.E. Spark-eroded particles: Influence of processing parameters // Journal of applied physics. 2004. v. 95, No. 3, pp. 823-829.] In the FG-SE device, the working dispersible electrodes are stationary and a fixed gap is made between them, in the FG-RE device, one working dispersible electrode is fixed, and the second rotates around its own axis in this way to rotate to the interelectrode gap with the entire side surface alternately. To generate electrical pulses in both modifications of the installations, a special pulse generator "Hansvedt H-Pulse 1506" is used.

Основным недостатком известных электроискровых установок диспергирования материалов является значительный разброс размеров (от единиц до сотен и более нм) получающихся наночастиц, то есть непредсказуемость размеров образующихся наночастиц и высокая дисперсность получаемых нанопорошков, что крайне осложняет получение или выделение наночастиц или нанопорошков с требуемыми размерными характеристиками.The main disadvantage of the known electric spark devices for dispersing materials is a significant spread in sizes (from units to hundreds or more nm) of the resulting nanoparticles, that is, the unpredictability of the sizes of the resulting nanoparticles and the high dispersion of the resulting nanopowders, which extremely complicates the preparation or isolation of nanoparticles or nanopowders with the required size characteristics.

Более совершенным техническим решением является установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов [Установка для получения нанодисперсных порошков из токопроводящих материалов // Патент РФ №2449859 С2. 2012. Бюл. №13 / Агеев Е.В., Семенихин Б.А., Латыпов Р.А., Аниканов В.И.], в которой реализуется более точное регулирование параметров импульсов тока в целях уменьшения дисперсности получаемых порошков. Приведенная установка формирует и регулирует разрядные импульсы напряжением до 300 В с помощью полупроводниковых коммутаторов и блока управления. Недостатками установки такого типа является:A more perfect technical solution is an installation for obtaining nanodispersed powders from conductive materials [Installation for producing nanodispersed powders from conductive materials // RF Patent No. 2449859 C2. 2012. Bul. No. 13 / Ageev EV, Semenikhin BA, Latypov RA, Anikanov VI], in which more accurate regulation of the parameters of current pulses is implemented in order to reduce the dispersion of the resulting powders. The given setup generates and regulates discharge pulses with voltage up to 300 V using semiconductor switches and a control unit. The disadvantages of this type of installation are:

1. Довольно высокая дисперсность получаемых нанопорошков, вызванная нестабильной работой полупроводниковых коммутаторов при малых энергиях разрядных импульсов, требующая центрифугирования для отделения полученных наночастиц от более крупноразмерных частиц.1. A rather high dispersion of the obtained nanopowders, caused by the unstable operation of semiconductor switches at low energies of discharge pulses, requiring centrifugation to separate the obtained nanoparticles from larger particles.

2. Небольшой рабочий межэлектродный зазор между рабочими диспергируемыми электродами, способствующий агломерации наночастиц в более крупные частицы непосредственно в процессе образования наночастиц.2. A small working interelectrode gap between the working dispersible electrodes, facilitating the agglomeration of nanoparticles into larger particles directly during the formation of nanoparticles.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является установка для электроимпульсного получения наночастиц токопроводящих материалов в форме гидрозоля [Способ получения наночастиц токопроводящих материалов // Патент РФ №2417862 С1. 2011. Бюл. №13 / Бабкин Е.А., Голубев В.Н., Коленков И.А., Слепцов В.В., Тянгинский А.Ю., Церулев М.В., Шмидт В.И.], которая включает трансформатор с первичной и вторичной обмотками, высоковольтный электрический конденсатор и заполненный рабочей жидкостью реактор электроискрового диспергирования, в который погружены подвижные друг относительно друга рабочие диспергируемые электроды, между которыми образован рабочий межэлектродный зазор. Генерируемые в процессе работы установки импульсные электрические разряды между рабочими диспергируемыми электродами модулируют высокочастотным сигналом, который формируют разрядным конденсатором, связанным с электродами через регулируемую индуктивность колебательного контура, а частоту модулирующего высокочастотного сигнала согласовывают с частотой собственных гидромеханических колебаний рабочей жидкости в межэлектродном промежутке.The closest technical solution adopted for the prototype is an installation for electropulse production of nanoparticles of conductive materials in the form of a hydrosol [Method for producing nanoparticles of conductive materials // RF Patent No. 2417862 C1. 2011. Bul. No. 13 / Babkin E.A., Golubev V.N., Kolenkov I.A., Sleptsov V.V., Tyanginsky A.Yu., Tserulev M.V., Schmidt V.I.], which includes a transformer with primary and secondary windings, a high-voltage electric capacitor and an electrospark dispersion reactor filled with a working liquid, in which working dispersible electrodes movable relative to each other are immersed, between which a working interelectrode gap is formed. The pulsed electrical discharges generated during the operation of the installation between the working dispersible electrodes are modulated with a high-frequency signal, which is formed by a discharge capacitor connected to the electrodes through the adjustable inductance of the oscillating circuit, and the frequency of the modulating high-frequency signal is matched to the frequency of natural hydromechanical oscillations of the working fluid in the interelectrode gap.

Недостатком известного устройства является сложность настройки и согласования рабочих режимов установки, а также нестабильность процесса ее функционирования при малых энергиях разрядных импульсов из-за нестабильности гидромеханических колебаний рабочей жидкости.The disadvantage of the known device is the complexity of setting and coordinating the operating modes of the installation, as well as the instability of the process of its functioning at low energies of discharge pulses due to the instability of hydromechanical vibrations of the working fluid.

Задача, на решение которой направлено данное изобретение состоит в обеспечении возможности стабильной генерации электроискрового разряда при малых энергиях разрядных импульсов и значительном межэлектродном зазоре в целях получениях нанопорошков близких к монодисперсным.The problem to be solved by this invention is to provide the possibility of stable generation of an electric spark discharge at low energies of discharge pulses and a significant interelectrode gap in order to obtain nanopowders close to monodisperse.

Технический результат заключается в проведении процесса электроискрового диспергирования материалов рабочих электродов в условиях значительного перенапряжения на рабочем межэлектродном зазоре, что позволяет обеспечить стабильную генерацию электроискрового разряда при энергиях разрядных импульсов менее и значительно менее 100 мДж и межэлектродном зазоре более 50 мкм.The technical result consists in carrying out the process of electrospark dispersion of materials of working electrodes under conditions of significant overvoltage at the working interelectrode gap, which makes it possible to ensure stable generation of an electrospark discharge at energies of discharge pulses less and significantly less than 100 mJ and an interelectrode gap of more than 50 μm.

Указанный технический результат достигается тем, что установка для электроимпульсного управляемого получения наночастиц и нанопорошков металлических и полупроводниковых материалов и сплавов, включающая вращающиеся относительно друг друга рабочие диспергируемые электроды, погруженные в заполненный диэлектрической жидкостью реактор электроискрового диспергирования, зарядный и разрядный контуры, включенные параллельно друг другу и высоковольтному электрическому конденсатору, входные выводы для подключения зарядного контура к электросети питания переменного напряжения, выходные выводы разрядного контура для подключения к рабочим диспергируемым электродам, причем зарядный контур состоит из лабораторного автотрансформатора выход которого соединен с первичной обмоткой высоковольтного повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к высоковольтному электрическому конденсатору через защитные токоограничивающие резисторы, а в разрядный контур состоящий из высоковольтного электрического конденсатора и рабочего межэлектродного зазора образованного между рабочими диспергируемыми электродами включен перестраиваемый воздушный искровой разрядник имеющий напряжение пробоя больше напряжения пробоя рабочего межэлектродного зазора.The specified technical result is achieved by the fact that the installation for the controlled electropulse production of nanoparticles and nanopowders of metallic and semiconducting materials and alloys, including working dispersed electrodes rotating relative to each other, immersed in an electrospark dispersion reactor filled with a dielectric liquid, charging and discharge circuits connected in parallel to each other and high-voltage electrical capacitor, input terminals for connecting the charging circuit to the AC power supply network, output terminals of the discharge circuit for connecting to working dispersible electrodes, and the charging circuit consists of a laboratory autotransformer, the output of which is connected to the primary winding of a high-voltage step-up transformer, the secondary winding of which is connected to a high-voltage electric capacitor through protective current-limiting resistors, and into the discharge circuit consisting of high-voltage electro a variable capacitor and a working interelectrode gap formed between the working dispersed electrodes, a tunable air spark gap is switched on, having a breakdown voltage greater than the breakdown voltage of the working interelectrode gap.

На фигуре 1 представлена функциональная схема предлагаемой установки.Figure 1 shows a functional diagram of the proposed installation.

Установка для электроимпульсного управляемого получения наночастиц и нанопорошков металлических и полупроводниковых материалов и сплавов содержит входные выводы 1 и 2 служащие для подключения к питающей электросети переменного тока 220 В 50 Гц зарядного контура 3. Зарядный контур 3 состоит из лабораторного автотрансформатора 4 регулируемый выход которого подключен к первичной обмотке высоковольтного повышающего трансформатора 5, вторичная обмотка которого через защитные токоограничивающие резисторы 6 подключена к высоковольтному электрическому конденсатору 7. Лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) 4 служит для преобразования входного переменного напряжения 220 В частотой 50 Гц в переменное напряжение в диапазоне от 0 до 250 В частотой 50 Гц. В качестве ЛАТР использован ЛАТР Ресанта TDGC2- 1K, в установке возможно использование аналогичного ЛАТР. Уровень выходного напряжения ЛАТР 4 задает входное напряжение на первичной обмотке высоковольтного повышающего трансформатора (ВПТ) 5, который предназначен для повышения входного напряжения примерно в 40 раз. В качестве ВПТ использован ВПТ INFINILITE 10000/37(45), имеющий коэффициент трансформации по напряжению 0,025, в установке возможно использование аналогичного ВПТ. Для защиты вторичной обмотки ВПТ 5 от перегрева в случае превышения рабочего тока служат токоограничивающие резисторы 6. В качестве токоограничивающих резисторов использованы две пары резисторов типа ТВО-20 75 кОм ± 5% общим сопротивлением 300 кОм. Включение токоограничивающих резисторов 6 в оба плеча вторичной обмотки ВПТ 5 обеспечивает лучшую защиту вторичной обмотки ВПТ при возникновении переходных процессов, вызванных работой разрядного контура установки. Высоковольтный электрический конденсатор (ВЭК) 7 в зарядном контуре отвечает за накопление электрической энергии. В качестве ВЭК использован керамический конденсатор КВИ-3-10 кВ - 2200 пФ, возможно использование аналогичного конденсатора.The installation for electropulse controlled production of nanoparticles and nanopowders of metal and semiconductor materials and alloys contains input terminals 1 and 2, which are used to connect the charging circuit 3 to the AC 220 V 50 Hz power supply. winding of a high-voltage step-up transformer 5, the secondary winding of which is connected to a high-voltage electric capacitor through protective current-limiting resistors 6 Hz. LATR Resant TDGC2-1K was used as LATR; similar LATR can be used in the installation. The LATR 4 output voltage level sets the input voltage on the primary winding of the high-voltage step-up transformer (HVT) 5, which is designed to increase the input voltage by about 40 times. An INFINILITE 10000/37 HCC (45) with a voltage transformation ratio of 0.025 was used as a HAC; a similar HAC can be used in the installation. Current-limiting resistors 6 are used to protect the secondary winding of VAC 5 from overheating in case of excess of the operating current. As current-limiting resistors, two pairs of TVO-20 75 kΩ ± 5% resistors with a total resistance of 300 kΩ are used. The inclusion of current-limiting resistors 6 in both arms of the secondary winding of the VAC 5 provides better protection of the secondary winding of the VAC in the event of transient processes caused by the operation of the discharge circuit of the installation. A high voltage electrical capacitor (HEC) 7 in the charging circuit is responsible for storing electrical energy. A ceramic capacitor KVI-3-10 kV - 2200 pF was used as a VEC, it is possible to use a similar capacitor.

Разрядный контур 8 состоит из ВЭК 7 подключенного через перестраиваемый воздушный искровой разрядник 9 к рабочему межэлектродному зазору 10 посредством выходных выводов 12 и 13. ВЭК 7 служит для генерации разрядного импульса при достижении на нем в процессе заряда напряжения достаточного для одновременного пробоя воздушного искрового разрядника 9 и рабочего межэлектродного зазора 10. Перестраиваемый воздушный искровой разрядник 9 задает уровень перенапряжения на рабочем межэлектродном зазоре 10, вместе с которым образует делитель напряжения в процессе разряда ВЭК 7. Перестраиваемый воздушный искровой разрядник 9 состоит из двух медных стержней обращенных торцами друг к другу, при этом один стержень зафиксирован, а второй имеет возможность поступательного движения по резьбе, за счет чего возможно изменение зазоров между стержнями в диапазоне от 0,5 до 5 мм. Рабочий межэлектродный зазор 10 образуют вращающиеся относительно друг друга рабочие диспергируемые электроды, погруженные в заполненный диэлектрической жидкостью реактор электроискрового диспергирования. Оба рабочих диспергируемых электрода выполняются из одного и того же материала. Для работы установки рабочие диспергируемые электроды помещаются в реактор электроискрового диспергирования 11, который служит для проведения процесса электроискрового диспергирования в жидкой диэлектрической среде, которая должна полностью заполнять рабочий межэлектродный зазор 10. Реактор электроискрового диспергирования 11 обеспечивает взаимное вращение диспергируемых электродов, поддержание размера рабочего межэлектродного зазора 10 на заданном уровне в диапазоне от 50 до 200 мкм и циркуляцию рабочей диэлектрической среды в замкнутом объеме реактора для лучшего удаления образующихся наночастиц из зоны рабочего межэлектродного зазора 10.The discharge circuit 8 consists of an EEC 7 connected through a tunable air spark gap 9 to the working interelectrode gap 10 by means of the output terminals 12 and 13. The EEC 7 serves to generate a discharge pulse when a voltage is reached on it during the charging process sufficient for the simultaneous breakdown of the air spark gap 9 and working interelectrode gap 10. The tunable air spark gap 9 sets the level of overvoltage at the working interelectrode gap 10, together with which it forms a voltage divider during the discharge of the VEC 7. The tunable air spark gap 9 consists of two copper rods facing each other, with one the rod is fixed, and the second has the possibility of translational movement along the thread, due to which it is possible to change the gaps between the rods in the range from 0.5 to 5 mm. The working interelectrode gap 10 is formed by working dispersible electrodes rotating relative to each other and immersed in an electrospark dispersion reactor filled with a dielectric liquid. Both working dispersible electrodes are made of the same material. For the operation of the installation, the working dispersible electrodes are placed in an electrospark dispersion reactor 11, which serves to carry out the process of electrospark dispersion in a liquid dielectric medium, which must completely fill the working interelectrode gap 10. The electrospark dispersion reactor 11 ensures mutual rotation of the dispersed electrodes, maintaining the size of the working interelectrode gap 10 at a given level in the range from 50 to 200 μm and circulation of the working dielectric medium in the closed volume of the reactor for better removal of the formed nanoparticles from the zone of the working interelectrode gap 10.

Для контроля за режимами работы установки электроимпульсного управляемого получения наночастиц и нанопорошков металлических и полупроводниковых материалов и сплавов предусмотрены вольтметр 14 контролирующий уровень напряжения на выходе ЛАТР 4 и входе ВПТ 5 и вольтметр 15 контролирующий уровень напряжения на выходе ВПТ 5.To control the operating modes of the installation for electropulse controlled production of nanoparticles and nanopowders of metal and semiconductor materials and alloys, a voltmeter 14 is provided that controls the voltage level at the output of LATR 4 and the input of the HCC 5 and a voltmeter 15 controls the voltage level at the output of the HCC 5.

Основным режимом работы зарядного контура установки является случай, когда зарядный контур питается от электросети переменного тока напряжением 220 В 50 Гц. С помощью ЛАТР 4 задается уровень входного напряжения на ВПТ 5, выходное напряжение вторичной обмотки которого определяет уровень напряжения, до которого будет заряжен ВЭК 7. Таким образом, в этом случае отличием в работе зарядного контура установки от прототипа является уровень напряжения на ВЭК которой может достигать значения до 10 кВ, а также периодическое изменение полярности заряда ВЭК с частотой 50 Гц.The main mode of operation of the charging circuit of the installation is the case when the charging circuit is powered from the AC mains with a voltage of 220 V 50 Hz. With the help of LATR 4, the level of the input voltage on the VAC 5 is set, the output voltage of the secondary winding of which determines the voltage level to which the VEC 7 will be charged. values up to 10 kV, as well as periodic change in the polarity of the VEC charge with a frequency of 50 Hz.

Основным режимом работы разрядного контура установки является случай, когда зазор воздушного искрового разрядника 9 больше рабочего межэлектродного зазора 10, при этом регулировкой выходного напряжения ЛАТР 4 в зарядном контуре устанавливают напряжение заряда ВЭК 7 достаточное для одновременного пробоя воздушного искрового разрядника 9 и рабочего межэлектродного зазора 10. В этом случае ВЭК 7 циклически заряжают до пробивного напряжения разрядного контура, обеспечивая поддержание повторяющихся искровых разрядов между рабочими диспергируемыми электродами, погруженными в диэлектрическую жидкость. Так как развитие искрового электрического пробоя в воздухе происходит быстрее нежели пробой жидкой среды, разница в скорости развития электрических разрядов создает перенапряжение на рабочих диспергируемых электродах, тем самым обеспечивая стабильную генерацию электроискрового разряда при малых энергиях разрядных импульсов и значительном рабочем межэлектродном зазоре 10.The main mode of operation of the discharge circuit of the installation is the case when the gap of the air spark gap 9 is greater than the working interelectrode gap 10, while adjusting the output voltage of the LATR 4 in the charging circuit sets the charge voltage VEC 7 sufficient for the simultaneous breakdown of the air spark gap 9 and the working interelectrode gap 10. In this case, the VEC 7 is cyclically charged to the breakdown voltage of the discharge circuit, ensuring the maintenance of repeated spark discharges between the working dispersible electrodes immersed in a dielectric liquid. Since the development of a spark electric breakdown in air occurs faster than the breakdown of a liquid medium, the difference in the rate of development of electric discharges creates an overvoltage on the working dispersible electrodes, thereby ensuring stable generation of an electric spark discharge at low energies of discharge pulses and a significant working interelectrode gap 10.

Пробивное напряжение в разрядном контуре задается установкой размеров зазора воздушного искрового разрядника 9 (в диапазоне от 0,5 до 5 мм) и рабочего межэлектродного зазора 10 (в диапазоне от 50 до 200 мкм), при этом напряжение пробоя в разрядном контуре в большей степени зависит от воздушного искрового разрядника 9. В процессе разряда ВЭК 7 воздушный искровой разрядник 9 образует делитель напряжения с рабочим межэлектродным зазором 10, таким образом соотношение размеров разрядных зазоров 9 и 10 позволяет управлять процессом диспергирования материалов, определяя долю энергии разрядного импульса используемую на расплавление диспергируемого материала.The breakdown voltage in the discharge circuit is set by setting the dimensions of the gap of the air spark gap 9 (in the range from 0.5 to 5 mm) and the working interelectrode gap 10 (in the range from 50 to 200 μm), while the breakdown voltage in the discharge circuit depends to a greater extent on from the air spark gap 9. During the discharge of the VEC 7, the air spark gap 9 forms a voltage divider with a working interelectrode gap 10, thus the ratio of the size of the discharge gaps 9 and 10 allows you to control the process of dispersion of materials, determining the fraction of the energy of the discharge pulse used to melt the dispersed material.

Дальнейшее увеличение выходного напряжения ЛАТР 4 приводит к увеличению напряжения заряда ВЭК 7 в зарядном контуре, выше напряжения пробоя в разрядном контуре, что при неизменном напряжении пробоя приводит к многократной перезарядке ВЭК 7 и формированию нескольких разрядных импульсов за каждый полупериод входного переменного напряжения и чем больше напряжение в зарядном контуре превышает пробивное напряжение в разрядном контуре, тем больше разрядных импульсов будет генерироваться за каждый полупериод. Таким образом регулировка выходного напряжения ЛАТР 4 позволяет управлять частотой следования разрядных импульсов в установке.A further increase in the output voltage of LATR 4 leads to an increase in the charge voltage of the VEC 7 in the charging circuit, higher than the breakdown voltage in the discharge circuit, which, with a constant breakdown voltage, leads to multiple recharging of the VEC 7 and the formation of several discharge pulses for each half-cycle of the input alternating voltage and the higher the voltage in the charging circuit exceeds the breakdown voltage in the discharge circuit, the more discharge pulses will be generated for each half-cycle. Thus, the regulation of the output voltage of LATR 4 makes it possible to control the repetition rate of the discharge pulses in the installation.

Периодическая смена полярности ВЭК 7 обуславливает периодическую смену полярности рабочих диспергируемых электродов, что в сочетании с их взаимным вращением друг относительно друга обеспечивает равномерное разрушение их поверхности, тем самым облегчая поддержание заданного зазора между рабочими диспергируемыми электродами и снижая вероятность агломерации наночастиц в межэлектродном зазоре.The periodic change in the polarity of the VEC 7 causes a periodic change in the polarity of the working dispersible electrodes, which, in combination with their mutual rotation relative to each other, ensures uniform destruction of their surface, thereby facilitating the maintenance of a given gap between the working dispersible electrodes and reducing the likelihood of nanoparticle agglomeration in the interelectrode gap.

Таким образом, в предлагаемом устройстве по сравнению с прототипом обеспечивается технический результат, заключающийся в проведении процесса электроискрового диспергирования материалов рабочих электродов в условиях значительного перенапряжения на рабочем межэлектродном зазоре, что позволяет обеспечить и стабильную генерацию электроискрового разряда при энергиях разрядных импульсов менее 100 мДж и межэлектродном зазоре более 50 мкм.Thus, in the proposed device, in comparison with the prototype, a technical result is provided, which consists in carrying out the process of electrospark dispersion of materials of working electrodes under conditions of significant overvoltage at the working interelectrode gap, which makes it possible to ensure stable generation of an electrospark discharge at energies of discharge pulses less than 100 mJ and an interelectrode gap more than 50 microns.

Снимки, сделанные с помощью просвечивающего электронного микроскопа, наночастиц и нанопорошков полученных в предлагаемой установке при величине зазора воздушного искрового разрядника 9 в 1 мм, величине рабочего межэлектродного зазора 10 в 50 мкм и уровне выходного напряжения ВПТ 5 в 6,5 кВ приведены на фигуре 2. Управление процессом получения наночастиц, ансамблей наночастиц и нанопорошков металлических и полупроводниковых материалов и сплавов, а также производительностью этого процесса осуществляется изменением напряжения заряда в зарядном контуре с помощью ЛАТР 4 и изменением пробивного напряжения в разрядном контуре с помощью регулировки разрядных зазоров 9 и 10. Полученные порошки могут быть использованы для производства приборов квантовой информатики, радиофотоники и наноэлектроники, а также для получения покрытий и в аддитивных технологиях.Pictures taken using a transmission electron microscope, nanoparticles and nanopowders obtained in the proposed installation with a gap size of an air spark gap of 9 in 1 mm, a working interelectrode gap of 10 in 50 μm and an output voltage of VAC 5 of 6.5 kV are shown in figure 2 The process of obtaining nanoparticles, ensembles of nanoparticles and nanopowders of metallic and semiconducting materials and alloys, as well as the productivity of this process, is controlled by changing the charge voltage in the charging circuit using LATR 4 and changing the breakdown voltage in the discharge circuit by adjusting the discharge gaps 9 and 10. Obtained powders can be used for the production of devices for quantum informatics, radio-photonics and nanoelectronics, as well as for the production of coatings and in additive technologies.

Claims (1)

Установка для электроимпульсного управляемого получения наночастиц токопроводящих материалов, включающая трансформатор с первичной и вторичной обмотками, высоковольтный электрический конденсатор и заполненный жидкостью реактор электроискрового диспергирования, в который погружены подвижные друг относительно друга рабочие диспергируемые электроды, между которыми образован рабочий межэлектродный зазор, отличающаяся тем, что она содержит зарядный и разрядный контуры, причем зарядный контур состоит из лабораторного автотрансформатора (ЛАТР), входные выводы которого подключены к электросети переменного напряжения питания, а выход - к первичной обмотке высоковольтного повышающего трансформатора (ВПТ), вторичная обмотка которого подключена к высоковольтному электрическому конденсатору через защитные токоограничивающие резисторы, при этом для контроля за режимом работы на выходе ЛАТР и ВПТ предусмотрены вольтметры, а разрядный контур, подключенный параллельно высоковольтному электрическому конденсатору посредством выходных выводов последнего, состоит из указанного реактора, заполненного диэлектрической жидкостью, рабочих диспергируемых электродов, выполненных вращающимися друг относительно друга, а также перестраиваемого воздушного искрового разрядника, имеющего напряжение пробоя больше напряжения пробоя рабочего межэлектродного зазора.Installation for electropulse controlled production of nanoparticles of conductive materials, including a transformer with primary and secondary windings, a high-voltage electric capacitor and a liquid-filled electrospark dispersion reactor, in which are immersed working dispersible electrodes movable relative to each other, between which a working interelectrode gap is formed, characterized in that it contains charging and discharging circuits, and the charging circuit consists of a laboratory autotransformer (LATR), the input terminals of which are connected to the AC power supply network, and the output to the primary winding of a high-voltage step-up transformer (HVT), the secondary winding of which is connected to a high-voltage electric capacitor through protective current-limiting resistors, while voltmeters are provided at the output of the LATR and VACT to control the operating mode, and the discharge circuit connected in parallel with the high-voltage electrical to the denser by means of the output terminals of the latter, it consists of the specified reactor filled with a dielectric liquid, working dispersible electrodes made rotating relative to each other, as well as a tunable air spark gap having a breakdown voltage greater than the breakdown voltage of the working interelectrode gap.
RU2020130899A 2019-12-19 2019-12-19 Unit for electric pulse controlled production of nanoparticles of current-conductive materials RU2756189C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020130899A RU2756189C1 (en) 2019-12-19 2019-12-19 Unit for electric pulse controlled production of nanoparticles of current-conductive materials

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020130899A RU2756189C1 (en) 2019-12-19 2019-12-19 Unit for electric pulse controlled production of nanoparticles of current-conductive materials

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2756189C1 true RU2756189C1 (en) 2021-09-28

Family

ID=78000304

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020130899A RU2756189C1 (en) 2019-12-19 2019-12-19 Unit for electric pulse controlled production of nanoparticles of current-conductive materials

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2756189C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU94492U1 (en) * 2010-02-26 2010-05-27 Владимир Владимирович Слепцов DEVICE FOR PRODUCING NANOPARTICLES OF CONDUCTIVE MATERIALS
RU2417862C1 (en) * 2009-11-16 2011-05-10 Ооо "Фрактал-М" Method to produce nanoparticles of current-conducting materials
RU2449859C2 (en) * 2010-02-08 2012-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Plant for producing nanodisperse powders from current conducting materials
WO2013056185A1 (en) * 2011-10-12 2013-04-18 The Regents Of The University Of California Nanomaterials fabricated using spark erosion and other particle fabrication processes
RU2604283C2 (en) * 2015-04-15 2016-12-10 Валентин Степанович Щербак Low-voltage pulse electric arc method of producing metal nanopowder in liquid medium

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2417862C1 (en) * 2009-11-16 2011-05-10 Ооо "Фрактал-М" Method to produce nanoparticles of current-conducting materials
RU2449859C2 (en) * 2010-02-08 2012-05-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) Plant for producing nanodisperse powders from current conducting materials
RU94492U1 (en) * 2010-02-26 2010-05-27 Владимир Владимирович Слепцов DEVICE FOR PRODUCING NANOPARTICLES OF CONDUCTIVE MATERIALS
WO2013056185A1 (en) * 2011-10-12 2013-04-18 The Regents Of The University Of California Nanomaterials fabricated using spark erosion and other particle fabrication processes
RU2604283C2 (en) * 2015-04-15 2016-12-10 Валентин Степанович Щербак Low-voltage pulse electric arc method of producing metal nanopowder in liquid medium

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BERKOWITZ A.E., WALTER J.L., Spark erosion: A method for producing rapidly quenched fine powders, J. Mater. Res., 1987, v. 2, no. 2, p. 277-288. *
J. CARREY et al, Spark-eroded particles: Influence of processing parameters, J. of Appl. Phys., 2004, v. 95, no. 3, p. 823-829. *
ФРОЛОВ Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления, Москва, Химия, 1989, с. 12, 23. *
ФРОЛОВ Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления, Москва, Химия, 1989, с. 12, 23. BERKOWITZ A.E., WALTER J.L., Spark erosion: A method for producing rapidly quenched fine powders, J. Mater. Res., 1987, v. 2, no. 2, p. 277-288. J. CARREY et al, Spark-eroded particles: Influence of processing parameters, J. of Appl. Phys., 2004, v. 95, no. 3, p. 823-829. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20140175941A1 (en) Variable capacitive electrostatic machinery with macro pressure-gap product
NL2008208C2 (en) Spark ablation device.
RU2756189C1 (en) Unit for electric pulse controlled production of nanoparticles of current-conductive materials
EP2415331B1 (en) Method and beam generator for creating a bundled plasma beam
Haque et al. Electret fabrication under various temperatures and partial discharge mitigation performance
RU2604283C2 (en) Low-voltage pulse electric arc method of producing metal nanopowder in liquid medium
US20220234899A1 (en) System and method of nanocarbon materials manufacturing by pulse electric discharge in liquid
US3556976A (en) Apparatus for cracking materials into gaseous components and eroding small bodies into microfine powder
RU2748277C1 (en) Low-voltage pulsed electric arc method for producing metal nanopowder in liquid medium
CN105797647A (en) Experimental device for generating cavitation bubbles on basis of electric sparks
Rodríguez-Serna et al. Streamer Simulation in Nano-Based Dielectric Fluids at Different Fe 3 O 4 Nanoparticle Concentrations
Jain et al. Design and development of a low cost, high current density power supply for streamer free atmospheric pressure DBD plasma generation in air
RU2417862C1 (en) Method to produce nanoparticles of current-conducting materials
RU210381U1 (en) Device for obtaining nanodispersed powders from conductive materials
Sleptsov et al. Investigation of the process of obtaining nanopowders for promising powder compositions, applicable in additive technologies, by electrospark dispersion of conductive materials
Sleptsov et al. Investigation of the synthesis of nanoparticles by the method of spark erosion with overvoltage of the discharge gap
Tsygankov et al. Oxide-coated al cathode for decreasing electron leakage and increasing electrical strength of vacuum insulation in the nanosecond pulse range
KR20180042701A (en) Apparatus and method for producing nanopowder by nanosecond pulse discharge
KR100367785B1 (en) Spark-gap switch having three-pole electrode characteristics with adjustable control electrode
US3360663A (en) High-voltage generator
RU2693734C1 (en) Generator for producing nanoparticles in pulse-periodic gas discharge
Ito et al. Fundamental Study on Suppression Effect of Micro Discharges and Dark Currents in Vacuum Gap by Short Pulse Voltage Conditioning
RU2545562C2 (en) Method of forming radar-absorbent topologies on carriers
Shcherba et al. FEATURES OF THE FORMATION OF MULTI-CHANNEL PULSE CURRENTS AND FAST-MIGRATING ELECTRIC SPARKS IN THE LAYER OF CURRENT-CONDUCTING GRANULES OF ELECTRIC-DISCHARGE INSTALLATIONS.
Zheng et al. Simulation Analysis of Metallic Particles Movement in Typical Structure of Oil-immersed Power Transformer