Pozdnyakov G.A. Katsnelson S.S. Литвинцева А.А.
Получение гетерогенных газовых потоков с наночастицамии и исследование процессов в них
Reporter: Pozdnyakov G.A.
Гетерогенные газовые потоки с микрочастицами, их взаимодействие с поверхностями интенсивно изучаются в течение последних нескольких десятилетий. В результате этих исследований получены не только новые фундаментальные знания, но и разрабатываются и создаются новые технологии. Технологии горячего (плазмотронного) и холодного напыления используются во многих промышленных производствах и позволяют существенно улучшать эксплуатационные характеристики и создавать новые материалы. Ожидается, что уменьшение частиц до десятков нанометров и менее позволит, в конечном счете, получить новые технологические возможности.
Изучение гетерогенных газовых потоков с наночастицами с размерами частиц от нескольких десятков нанометров и менее находится на начальной стадии. Известна работа [1], где в упрощенной постановке численно решается задача о взаимодействии сверхзвукового потока, содержащего углеродные сферические наночастицы. Обнаружен, в частности, эффект напыления теневой стороны пластины. Авторы [1] не обнаружили экспериментальных работ в этой области по причине, как они предполагают, отсутствия источников таких потоков.
В представленной работе описан способ генерации импульсных гетерогенных газовых потоков с наноразмерными частицами с помощью специальной газодинамической установки, где в качестве форкамеры используется поршневой химический реактор, в котором протекают газофазные реакции с объемным образованием веществ или химических соединений в конденсированной фазе в виде наночастиц. Такие химические процессы инициируются в результате адиабатического сжатия подготовленной газообразной смеси исходных реагентов, имеющей достаточно высокую начальную температуру. Один из возможных вариантов исходной смеси – 10% моносилана в аргоне. Моносилан при температуре порядка 400ºC подвергается пиролизу с образованием водорода и кремния. Кремний при этом образует наночастицы. Поршневой реактор для получения нанопорошков кремния описан в [2]. Наши ранние эксперименты [3] показали, что при начальной температуре указанной смеси 120ºC, степени сжатия более 4, времени сжатия порядка нескольких десятков миллисекунд в объеме реактора образуется кремниевый порошок из частиц близких размером, в среднем около 50 нм. При этом в реакторе развивается давление более 2 МПа. Присоединяя к поршневому реактору сопло через, например, разрушаемую диафрагму, можно получить гетерогенный поток, истекающий из реактора, с температурой от сотен градусов Цельсия и давлением торможения более 2 МПа. Частицы в потоке распределены однородно, что обусловлено объемной однородностью химических процессов в поршневом реакторе. Наши эксперименты показали, что частицы электрически заряжены. Кроме этого, они имеют ювенильные поверхности. Эти свойства частиц являются одними из отличительных особенностей получаемых гетерогенных потоков. Представленная работа демонстрирует возможность получения нанопорошков из частиц различного состава, в том числе из частиц, покрытых слоем графена. Приводятся также некоторые результаты исследования взаимодействия получаемых гетерогенных потоков с поверхностями. Делается вывод о возможности разработки технологии производства наномодификаторов, внедрения их в защитную матрицу и использования МГД-насоса для дальнейшего модифицирования расплава металла и литья последнего с возможностью управления процессом кристализации.
1. Hiroshi Miyake, Makoto Yamamoto, Junichiro Hara, Mitsuru Iwasaki, Norimitsu Matsudaira Fundamental investigation of nano-particle deposition phenomenon //Proceedings of XII ISAIF, July 13-16, 2015 Villa Marigora Lerici, Italy
2. P.W.Morrison. Silane Pyrolysis in a Piston Reactor; AlChe Journal, 1989, vol. 35, No. 5, p. 793-802;
3. Поздняков Г.А., Сапрыкин А.И., Яковлев В.Н. Получение наноразмерных порошков кремния разложением моносилана в адиабатическом процессе //ДАН Т. 456, №1, с. 1-4, 2014]
To reports list