(1)141 PACSnumbers:06.60.Vz,61.46.-w,81.05.-f,81.07.Wx,81.15.-z,81.16.-c,81.20.-n,81.40.-z Индукционно-термический метод получения микро- и наночастиц А

(1)

141

PACSnumbers:06.60.Vz,61.46.-w,81.05.-f,81.07.Wx,81.15.-z,81.16.-c,81.20.-n,81.40.-z

Индукционно-термический метод получения микро- и наночастиц

А. И. Кузьмичёв, Л. Ю. Цибульский, С. А. Майкут, И. М. Дрозд

Национальный технический университет Украины

«Киевский политехнический институт», просп. Победы, 37,

03056 Киев, Украина

Представлен обзор применения устройств индукционного нагрева в технологии микро- и нанодисперсных материалов. Технология в основ- ном основана на процессах индукционного испарения в газовой среде и индукционного расплавления исходного материала, а также на элек- тромагнитном удержании расплава. Индукционный нагрев является достаточно универсальным и перспективным методом; он позволяет создавать сильно неравновесные условия в рабочей камере и может применяться как в лабораторной практике, так и в промышленном производстве.

Представлено огляд застосування пристроїв індукційного нагріву в те- хнології мікро- і нанодисперсних матеріялів. Технологія в основному ґрунтується на процесах індукційного випаровування в газовому сере- довищі й індукційного розтоплення вихідного матеріялу, а також на електромагнетному утриманні розтопу. Індукційний нагрів є достатньо універсальною і перспективною методою; він уможливлює створювати сильно нерівноважні умови в робочій камері і може застосовуватися як у лабораторній практиці, так і в промисловому виробництві.

A review of induction-heating facilities’ application to micro- and nano- dispersed material technology is presented. The technology is mainly based on the processes of induction evaporation in a gas environment and induction melting of a source material as well as on electromagnetic con- finement of a melt. The induction heating is a universal and perspective method. It allows to create the strongly nonequilibrium conditions in the processing chamber and can be used in both laboratory practice and indus- trial production.

Ключевые слова: индукционный нагрев, индукционное испарение, по- крытие порошка, микрочастицы, наночастицы, испарение в газе.

Ôотокопіювання дозволено тільки відповідно до ліцензії

(2)

Ключові слова: індукційний нагрів, індукційне випаровування, пок- риття порошку, мікрочастинки, наночастинки, випаровування в газі.

Keywords: induction heating, induction evaporation, coating on powders, microparticles, nanoparticles, vaporization in gas.

(Получено 1 декабря 2016 г.; после доработки — 26 декабря 2016 г.)

1. ВВЕДЕНИЕ

Технологиям получения и обработки дисперсных (порошковых) материалов с частицами микронного и нанометрового размера уделяется большое внимание [1–3]. Такие материалы необходимы как для научных целей, так и для многих областей техники: в первую очередь для машино- и приборостроения, электроники, инôорматики, вакуумной техники, энергетики и катализа. По- скольку требования к материалам всё время повышаются, прихо- дится постоянно совершенствовать существующие технологии и создавать новые. Â этом плане большие возможности имеет элек- тротермия, включая индукционный нагрев [4], который является достаточно универсальным технологическим методом и применим для получения и обработки дисперсных материалов во всем ука- занном диапазоне размеров. Цель данной статьи — представить обзор научно-технических решений, иллюстрирующих потенциал технологии индукционного нагрева в этой области. Â литературе подобный обзор ранее не публиковался, имеются только описа- ния отдельных индукционных установок. При рассмотрении бу- дем ограничиваться ôизическими методами, близкими к методам PVD, с исходным материалом в виде твёрдого вещества.

2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНДУКЦИОННОМ НАГРЕВЕ И ЕГО ВОЗМОЖНОСТЯХ

Этот вид нагрева основан на индукции в веществе переменным магнитным полем электрического тока (тока Ôуко) [5]. Óстрой- ство, генерирующее магнитное поле и ток Ôуко, называется ин- дуктором. Âеличина и направление тока определяются законом электромагнитной индукции. Индуктированный ток, проходя че- рез вещество, нагревает его, как при обычном джоулевом или омическом нагреве. Очевидно, что необходимо наличие проводи- мости у нагреваемого вещества, которое при этом может нахо- диться в различных агрегатных состояниях — в виде твёрдого тела, жидкости и плазмы. Если вещество помещено в контейнер или тигель из проводящего материала, нагреваемое вещество может быть непроводящим; в этом случае током Ôуко разогрева-

(3)

ется тигель.

Особенностью электромагнитной индукции является зависи- мость распределения тепловых источников в нагреваемом веще- стве от частоты изменения магнитного поля, которая определяет глубину проникновения электромагнитного поля в проводящую среду (скин-эôôект). Íагрев происходит в приповерхностном слое (скин-слое), толщина которого соответствует глубине проникно- вения поля. Повышение частоты приводит к уменьшению тол- щина скин-слоя и увеличению его электрического сопротивле- ния. Для индукционного нагрева используются частоты в диапа- зоне от 50 Ãц до 1 МÃц. Чем больше объём и масса нагреваемого вещества, тем ниже рабочая частота. Мощность генератора может достигать сотен киловатт, а масса нагреваемого вещества — сотен килограмм. Индуктор выполняется в виде одно- или многовитко- вой катушки из медной трубки, охлаждаемой изнутри водой.

Индуктор охватывает тигель, в котором находится нагреваемое вещество, и они вместе представляют трансôорматор без сердеч- ника с короткозамкнутой одновитковой вторичной обмоткой. По- скольку индукционный нагрев основан на бесконтактном подводе энергии к веществу посредством электромагнитного поля, он имеет следующие достоинства:

— возможен нагрев в широком диапазоне температур; макси- мальная температура ограничивается в основном материалом тигля и его взаимодействием с нагреваемым веществом;

— можно размещать в вакууме как индуктор, так и нагреваемый объект;

— индуктор может находиться вне рабочей камеры и обеспечи- вать нагрев через диэлектрическую оболочку, а также через не- проводящую среду в виде газа, жидкости или твёрдого вещества;

— индуктор может работать при относительно низких напряже- ниях, что исключает электрический разряд вокруг индуктора при его помещении в газовую среду в широком диапазоне давле- ний (от вакуума до атмосôерного);

— не представляет большой проблемы экранировка индуктора для предотвращения зажигания газового разряда при размеще- нии индуктора в газе, когда напряжение на нём относительно ве- лико; при этом переменное магнитное поле может без проблем выходить за пределы экранирующей оболочки;

— последние две особенности индукционного нагрева позволяют без особых проблем нагревать и испарять вещество не только в вакууме, но и в газовой среде;

— индуктор может находиться при низкой температуре; его можно размещать даже в среде с очень низкой температурой, например, в жидком азоте; холодный индуктор хорошо экрани- рует окружающее пространство от теплового излучения нагрева-

(4)

емого объекта и позволяет создавать большие градиенты темпе- ратуры в газе вокруг нагреваемого объекта;

— можно реализовать при определённой конôигурации магнит- ного поля эôôект левитации и поддерживать твёрдый или жид- кий металл во взвешенном состоянии;

— можно вытягивать столб жидкого металла массой до 50 кг из относительно холодного тигля, так что столб будет находиться в полувзвешенном состоянии; при этом интенсивному нагреву по- вергается только верхняя часть столба.

Промышленностью выпускаются генераторы для индукционно- го нагрева в широком диапазоне частот и мощностей. Эти генера- торы используют электровакуумные генераторные лампы, полу- проводниковые приборы и газоразрядные импульсные коммути- рующие приборы.

Íиже рассмотрены основные технологии микро- и нанодис- персных материалов с использованием индукционного нагрева.

3. ТЕРМОВАКУУМНОЕ ИНДУКЦИОННОЕ ИСПАРЕНИЕ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ПОРОШКИ

При производстве дисперсных материалов часто требуется нане- сти на готовый порошок какое-либо покрытие, которое модиôи- цирует его электрические и оптические характеристики (напри- мер, улучшает поглощательную и излучательную способность),

Рис. 1. Аппарат для осаждения покрытий на порошковый материал: 1

— бункер с необработанным порошком; 2 — вибратор; 3 — поток по- рошкового материала; 4 — тигель с испаряемым материалом; 5 — ин- дуктор; 6 — рабочая камера; 7 — бункер с обработанным порошком; 8

— откачка; 9 — паровой поток.¹

(5)

придаёт ему новые химические (в частности, каталитические) свойства, повышает способность к геттерированию и сорбции. Â технологии получения тонеров, чернил, лаков и красок часто требуется изменять цвет порошка путём осаждения на него цвет- ного покрытия. Покрытие также наносится на абразивный поро- шок для усиления его механических характеристик.

Íаиболее простой способ нанесения покрытия основан на ис- парении в вакууме (рис. 1 [6]). Ток, индуктированный в теле тигля, разогревает его до температуры испарения материала по- крытия, который заранее помещают в тигель. Преимущества ин- дукционного нагрева здесь проявляется в возможности работы испарителя в плохих вакуумных условиях, которые возникают из-за того, что порошки сильно газят. С другой стороны, наличие газа в рабочей камере способствует рассеянию паровых частиц и запылению всей поверхности частиц порошка; поэтому в камеру могут добавлять рабочий газ: либо инертный, либо реакционный (последний — в случае осаждения покрытия сложного состава, например, из оксидированного металла).

Другой вариант выполнения индукционного испарителя пред- ставлен на рис. 2 [7]. Здесь на порошок, движущийся во время запыления по слегка наклонённой поверхности, направляется

Рис.2.Аппаратдля осажденияпокрытийнапорошковый материал:1— индуктор;2—тигель;3—паропровод;4—тепловаяизоляция;5—рас- плавленный материал; 6 — камера осаждения покрытия; 7 — бункер с необработанным порошком;8—коллиматордля частицпара;9—паро- вая струя; 10 — бункер с обработанным порошком; 11 — откачка.²

(6)

сверху поток пара осаждаемого вещества.

Âверху расположен тигель 2, заполненный испаряемым мате- риалом 5. Тигель предпочтительно изготавливать из проводящего материала (граôита, молибдена или тантала). Разогрев осуществ- ляется индуктором 1 на частоте 15 кÃц. Тигель окружён слоем тепловой изоляции 4 из оксида алюминия.

Âнутри тигля расположен паропровод 3, соединяющий полость тигля над расплавленным металлом с нижней камерой осажде- ния 6. Â камере расположены бункер с необработанным порош- ком 7, наклонный столик, по которому порошок ссыпается в бункер 10 с обработанным порошком, а также пластины колли- матора 8 с отверстиями. Труба паропровода 3 совместно с колли- матором 8 ôормирует направленную вниз на столик паровую струю 9. Так как температура стенок паропровода 3 равна темпе- ратуре испарения жидкого металла 5, последний не конденсиру- ется на стенках и не образует капли. Данный аппарат применя- ется для осаждения покрытий из относительно легкоплавких ме- таллов и, в частности, для капсулирования частиц ракетного топлива.

4. МЕТОД ИСПАРЕНИЯ-КОНДЕНСАЦИИ (МЕТОД ИНДУКЦИОННОГО «ГАЗОВОГО ИСПАРЕНИЯ») ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Сущность метода заключается в испарении материала в газовой среде с последующим объединением испарённых частиц в более крупные аэрозольные частицы, кластеры и наночастицы непосред- ственно в объёме над поверхностью испарения. Затем частицы оседают на стенках (коллекторе) технологической камеры. Таким образом, в этом методе превалирует объёмная конденсация паро- вых частиц над поверхностной. Значительная роль газовой среды отражается в названии метода — «газовое испарение» [8]. Обычно процесс проводят в камере, заполненной инертным газом (гелием или аргоном) после высоковакуумной откачки, но может исполь- зоваться воздух или добавка кислорода для получения оксидно- металлических порошков. Получаемые этим методом частицы имеют вполне определённое и достаточно узкое распределение по размеру.

Â работе [8] приведён обзор различных модельных представле- ний о ôормировании наночастиц в таких условиях и, хотя меха- низм этого процесса весьма сложен, в общих чертах его можно представить следующим образом. Зарождение и рост частиц про- исходит в зоне конденсации в относительно холодном газоноси- теле, т.е. на некотором удалении от нагретой поверхности испа- рения, где молекулы газа способны воспринимать и рассеивать

(7)

теплоту конденсации. Íа ранней стадии образования комплексов происходят тройные столкновения атомов пара с участием газо- вой молекулы с передачей последней части колебательной энер- гии; в результате образуются димеры. К ним может присоеди- ниться третий атом с последующим ростом агрегаций (комплек- сов, нанокластеров) до тех пор, пока не будет достигнута ôорма метастабильного изомера. Затем их рост замедляется, что приво- дит к тому, что средний размер кластеров слабо зависит от ско- рости испарения вещества. После того, как отдельные атомы па- ра будут поглощены растущими агрегациями, происходит коагу- ляция их самих. Коагуляция заканчивается на внешней границе зоны объёмной газовой конденсации, где нанокластеры потеряли свою энергию и уже не могут объединяться. Частицы достигают предельного размера и медленно диôôундируют или уносятся по- током газа на стенки.

Для получения эôôекта объёмной конденсации необходимы по- вышенные давления газа, при которых средняя длина пробега атомов пара будет намного меньше расстояния между поверхно- стями испарения и осаждения. Âлияние стенки ослабевает при pd2 Пам, где p — давление газа, d — расстояние от поверхности испарения до стенки. При давлениях порядка сотен паскалей об- разование высокодисперсных частиц завершается в конвективных потоках газа вблизи испарителя. Так, например, измерения, вы- полненные на ниже описанном левитационно-струйном аэрозоль- ном генераторе, показали, что при атмосôерном давлении газа зо- на объёмной конденсации имеет ширину около 1 мм и удалена от поверхности испарения примерно на 1 мм. При одинаковом давле- нии газа переход к более тяжёлому газу приводит к увеличению размеров частиц в несколько раз. Изменяя давление и род газа, можно регулировать время пребывания растущих наночастиц в газовой среде и их средний размер. При пониженных давлениях можно получать на коллекторе смесь осадка отдельных атомов па- ра и нанокластеров. Быстрое охлаждение парогазовой смеси со скоростью порядка 10⁴–10⁷ град/с путём продува охлаждённого газа над поверхностью испарения способствует закалке неравно- весных структур аэрозольных нанокластеров, даже таких, которые невозможно получить в массивном твёрдом теле.

Имеется многочисленная литература, в которой описаны ре- зультаты исследований наночастиц, полученных методом испаре- ния-конденсации, в частности [2, 3].

Рассмотрим схемы некоторых аппаратов и установок для реа- лизации этого метода. Â лабораторной практике обычно приме- няют простейшие прямонакальные резистивные испарители;

примером может служить вольôрамовый ниточный испаритель, на котором находится капля расплавленного металла [9]. Однако

(8)

для наработки большого количества дисперсного материала тре- буются более производительные устройства, и здесь велика роль испарителей с индукционным нагревом.

4.1. Аппарат непрерывного действия с индукционным нагревом тигельного испарителя

Схема аппарата показана на рис. 3 [10–12]. Тигель 2 с металлом размещён в герметичной камере, которую откачивают вакуум- ными насосами 5 и заполняют инертным газом (аргоном или ге- лием) до давления 6–70 Па при диаметре камеры порядка 50 см.

С помощью индуктора тигель 2 нагревается до 1200–1500С. Ис- паряемый металл оседает на холодных стенках камеры в виде порошка, с которых он ссыпается в бункер 1, расположенный в нижней части аппарата. Íепрерывное проведение процесса воз- можно благодаря непрерывной подаче в тигель металла в виде прутка 3, протягиваемого с определённой скоростью через ваку- умное уплотнение. Периодически бункер отсекают от аппарата, пополняют нейтральным газом и заливают жидкостью, инертной к порошку, вместе с которой порошок извлекается из бункера.

Получаемый нанопорошок в случае испарения алюминия со- держит частицы высокой чистоты диаметром 30 нм, имеет насыпную плотность 0,08 г/см³, чёрный цвет и высокую пиро- ôорность. Íа этой установке можно получать также порошки Mn, Ca, Be, Си, Â, Si, Fe, Zn, Ті, Au, Mg, Sn, Sb и их сплавов.

Рис. 3. Аппарат для получения порошков конденсацией в газовой среде:

1 — бункер с порошком; 2 — тигель с металлом, окружённый индукто- ром; 3 — металлический пруток для подпитки тигля; 4 — ÂЧ- генератор; 5 — вакуумные насосы; 6 — ёмкость с нейтральным газом.³

(9)

Ôактором, ограничивающим номенклатуру испаряемых материа- лов, является их взаимодействие в расплавленном виде с матери- алом тигля, которое приводит к его разрушению.

Â настоящее время существует специализированное оборудова- ние для получения порошков металлов с заданными свойствами:

ôормой частиц, структурой, большой удельной поверхностью.

Так, в США в промышленном масштабе этим методом производят ультратонкие алюминиевые порошки, находящие применение в качестве ракетного топлива. Размер частиц порошков 15–200 нм, удельная поверхность 20–30 м²/г, содержание Al99% [13]. Â опытно-промышленном масштабе этот способ применяется также в Японии ôирмами «Íиппон Сода» и «Óльвак» [12] для получе- ния алюминиевого порошка размером 20–30 нм. Опытная уста- новка непрерывного действия обеспечивает получение металличе- ского порошка в количестве более 100 кг в месяц.

4.2. Двухтигельная установка с индукционным нагревом

Для получения очень высокой производительности применяется установка непрерывного действия с раздельными тиглями боль- шой ёмкости для плавки исходного материала и его испарения [12]. Схема установки показана на рис. 4. Для упрощения на схеме не показаны вакуумная и газовая системы.

Â этой установке используется способность индукционных си- стем нагревать очень большие объёмы материалов. Применение отдельного тигля 9 для расплавления исходного материала поз- воляет заранее его готовить к испарению (удалять легколетучие примеси, обезгаживать) и дозировать его подачу во второй тигель 8, что снижает вероятность разбрызгивания металла во время испарения. Â результат повышается качество выходного продук- та. Применение шнекового устройства 7 облегчает выгрузку гото-

Рис. 4. Двухтигельная установка для получения ультрадисперсных по- рошков алюминия методом испарения–конденсации: 1 — отверстие для подачи исходного материала; 2 — уровнемер; 3 — затвор; 4 — канал для подачи расплава в тигель для испарения; 5 — паропровод; 6 — ка- мера для конденсации; 7 — шнек выгрузки готового порошка; 8 — ти- гель индукционного испарителя; 9 — тигель индукционной плавки.⁴

(10)

вого порошка.

4.3. Левитационно-струйный генератор

Â этом аппарате используются как электрический, так и механи- ческий эôôект переменного магнитного поля. Âторой эôôект обусловлен взаимодействием магнитного поля с индуктирован- ным им же током и нашёл применение в асинхронных электро- двигателях. Â данном случае он используется для бестигельного (электромагнитного) удержания расплавленной капли металла, которая нагревается до температуры испарения, находясь во взвешенном (левитационном) состоянии. [14, 15]. Для получения эôôекта левитации необходима особая «пробочная» конôигура- ция магнитного поля, которая создаётся двумя секциями индук- тора с противоположной навивкой. При этом нижняя секция должна создавать поле с силовыми линиями в виде воронки, ко- торые будут выталкивать каплю вверх в сторону слабого поля.

Âерхняя секция должна создавать поле в виде перевёрнутой во- ронки, толкающей каплю вниз. Â результате капля будет парить в области равновесия механических сил.

Применение левитации позволяет решить проблему тигля, осо- бенно важную в случае испарения химически активных метал-

Рис. 5. Левитационно-струйный генератор: 1 — камера из диэлектрика;

2 — капля испаряемого металла; 3 — индуктор; 4 — область, где обра- зуется аэрозоль; 5 — холодильник; 6 — ôильтр; 7 — контейнер; 8 — насос; 9 — механизм подачи проволоки.⁵

(11)

лов, и достичь высокой чистоты процесса. Для обеспечения дли- тельной непрерывной работы применяется подпитка капли за счёт постоянной подачи в неё проволоки из испаряемого матери- ала, как это сделано в генераторе, показанном на рис. 5 [14, 15].

Капля 2 висит на кончике проволоки примерно посередине меж- ду секциями индуктора 3. При правильно выбранных режимах нагрева и подачи проволоки устанавливается такой диаметр ис- паряемой капли, при котором скорость испарения капли равна скорости её подпитки.

Каплю окружает ламинарный поток инертного газа, уносящий вниз к холодильнику 5, а затем к ôильтру 6, сначала пар, а по- том и аэрозоль металла. Аэрозоль образуется вследствие конден- сации атомов пара в потоке газе в области 4. Отôильтрованный газ насосом 8 вновь подаётся в камеру, а уловленные ôильтром 6 частицы аэрозоля собираются в контейнере 7. Рабочее давление газа выбирается порядка атмосôерного для снижения требований к герметичности аппарата. Ламинарность газового потока обеспе- чивает защиту стенок камеры от запыления металлом и постоян- ство напряжённости магнитного поля в рабочей области камеры.

Óвеличение скорости газового потока в рабочем диапазоне 20–90 см/с уменьшает средний размер частиц и сужает их распределе- ние по размеру. С помощью аппарата данного типа удаётся полу- чать высокодисперсные порошки различных металлов и сплавов, в которых размер частиц составляет 5–200 нм [14, 15].

4.4. Установка с использованием сжиженного газа

Íа рисунке 6 представлена установка [16], напоминающая выше- описанный струйный генератор. Â ней достигнута довольно вы- сокая скорость производства металлического нанопорошка (60 г/час) при высоком проценте использования исходного материала (75%). Эôôект обеспечивается использованием газовой среды, получаемой при испарении сжиженного при криогенных темпе- ратурах инертного газа (Ar). Íепрерывность процесса обеспечи- вается постоянной подачей проволоки исходного металла в зону испарения.

Индуктор 2 (рис. 6) нагревает кончик металлического (Al) стержня 1 до температуры испарения. Образующаяся капля 8 не успевает падать вниз, т.к. высока скорость её испарения и, кроме того, её поддерживает поток газа, испаряющийся с близко распо- ложенной поверхности жидкого аргона. Испарённые частицы по- падают в поток очень холодного газа, в котором пар получается сильно перенасыщенным. Ãрадиент температуры — очень боль- шой: 2200 К на поверхности капли и 77 К на поверхности жид- кого аргона. Âозникают зародыши объёмной конденсации, про-

(12)

исходит их рост и коалесценция с образованием наночастиц алюминия. Поток газа уносит наночастицы в зону III, где они собираются газовым ôильтром 5. Аргон применяют для предот- вращения окисления металла и образования AlN. При получении наночастиц меди и железа можно применять сжиженный азот.

Размер частиц Al — менее 70 нм, частиц Cu — около 25 нм.

Осуществлению описанного процесса способствует использова- ние бесконтактного индукционного нагрева и испарения металла вблизи поверхности сжиженного газа. Холодный индуктор не нагревает газ, но одновременно создаёт локальный высокотемпе- ратурный перегрев испаряемого металла. Индукционный нагре- ватель удобен и в конструктивном отношении.

4.5. Получение наночастиц с помощью плазмы

Для получения наночастиц с помощью плазмы, металл в виде порошка или расходуемого электрода вводится в зону термиче- ской плазмы, генерируемой индукционным плазмотроном, где образуется пар с температурой в несколько тысяч градусов. Íа выходе из плазмотрона скорость охлаждения пара может дости- гать 10⁶ град/с, а при использовании сопел Лаваля — 10⁸ град/с.

При указанных условиях получают порошки алюминия с разме- ром частиц 5–500 нм и удельной поверхностью 30–70 м²/г [12].

Плазменные процессы можно осуществлять как в газовой защит- ной атмосôере, так и в вакууме.

Рисунок 7 иллюстрирует подобный метод получения наноча- Рис. 6. Óстройство получения нанопорошка Al с использованием сжи- женного газа: І — зона сжиженного газа, ІІ — зона производства нано- порошка, ІІІ — зона сбора нанопорошка; 1 — стержень Al, 2 — индук- тор, 3 — область конденсации наночастиц Al в потоке Ar, 4 — сжи- женный Ar, 5 — газовый ôильтр для сбора нанопорошка, 6 — выход газа, 7 — ÂЧ-генератор, 8 — капля жидкого Al, 9 — система подвода жидкого газа.⁶

(13)

стиц с помощью плазмы, создаваемой ÂЧ-индуктором [17]. По- следний также используется для расплавления исходного мате- риала в виде навески, помещаемой в тигель. Материал может быть и в виде прутка, непрерывно подаваемого в зону генерации плазмы.

Изначально металл находится в тигле 1 в вакуумной камере 4 и разогревается выше точки испарения индуктором 2, витки ко- торого обхватывают снаружи диэлектрическую оболочку вакуум- ной камеры 4 в области расположения тигля 1. Затем в систему напускается гелий 5, что приводит к образованию в области ин- дуктора 2 высокотемпературной плазмы. Атомы гелия выступают в качестве зародышей конденсации для атомов металла, а обра- зующиеся кластеры переносятся за счёт диôôузии и конвекции к коллектору 3, охлаждаемому до низких температур, например, с помощью жидкого азота. Охлаждённый коллектор создаёт боль- шой градиент температуры в газе, способствующий образованию наночастиц. Частицы оседают на коллекторе, с которого они уда- ляются с помощью скрабера. При необходимости частицы пасси- вируют введением какого-либо газа, например кислорода. Â слу- чае наночастиц алюминия кислород ôормирует на них слой ок- сида алюминия.

4.6. Сублимация графита в индукционном нагревателе

Â ÍТÓÓ «КПИ» были проведены опыты по сублимации граôита в одновитковом индукторе в среде аргона. Âодоохлаждаемый ин- дуктор питался от ÂЧ-генератора мощностью 8 кÂт на частоте 440 кÃц. Âнутрь индуктора помещался граôитовый стержень Рис. 7. Схема установки для получения наночастиц с помощью плазмы, разогреваемой ÂЧ-магнитным полем: 1 — тигель с навеской; 2 — ин- дуктор; 3 — охлаждаемый коллектор частиц; 4 — вакуумная камера с диэлектрической оболочкой; 5 — напуск гелия.⁷

(14)

диаметром 10 мм с коаксиальным зазором около 3 мм. Давление аргона изменялось от десятых долей до атмосôерного. Â резуль- тате нагрева и сублимации граôита на внутренней охлаждаемой поверхности индуктора получался осадок в виде сажи, которая легко снималась. Сажа частично растворялась в толуоле с обра- зованием раствора бурого цвета, что, по-видимому, свидетель- ствует о синтезе ôуллереновых частиц.

5. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Ôизико-механические методы используют индукционный нагрев для расплавления исходного материала и процесс распыления расплава струёй газа или жидкости [11, 12, 17]. Поскольку тем- пература плавления металлов (600–900С) ниже температуры испарения (1500С), облегчается решение проблем, связанных с устойчивостью деталей технологических аппаратов к жидким ме- таллам, разогретых до очень высоких температур. Эти методы позволяют получать порошки с размером частиц от долей микро- на до миллиметра. Â случае получения наночастиц метод назы- вают газовой атомизацией, которая состоит в очень тонком рас- пылении (диспергировании) и охлаждении расплавленного веще- ства с помощью высокоскоростного потока инертного газа. Бла- годаря высокой скорости охлаждения распыляемых частиц (до 10⁷ град/с) можно замораживать в них сильнонеравновесную структуру. Использование индукционного нагрева в этих методах обусловлено его чистотой, конструктивным удобством и эколо- гичностью.

5.1. Установки с распылением расплава металла струёй газа или жидкости

Распыление газовой струёй металла, расплавленного посредством индукционного нагрева непрерывно подаваемой проволоки, при- менялось в ручных металлизаторах пистолетного типа [18]. Более высокую производительность обеспечивают стационарные уста- новки.

Íа рисунке 8 приведена схема высокопроизводительной уста- новки для получения порошка легкоплавких металлов типа оло- ва и цинка [11].

Металл плавится в индукционной печи 1, поступает в метал- лоприёмник 2, откуда происходит распыление расплава воздухом через ôорсунку 4 в виде горизонтальной струи в камере 5. Скон- денсированный порошок накапливается в бункерах 7, откуда он

(15)

периодически извлекается. Производительность установки — до 1300 тонн порошка в год.

Óсовершенствованная конструкция аппарата применяется для получения порошка алюминия (рис. 9) [11]. Íагретый ÂЧ- индуктором в тигле 5 до 1100–1120C расплав алюминия распы- ляется горизонтальной ôорсункой 3, изготовленной из тугоплав- кого материала. Íагретый до 300C экзотермический газ подаёт- ся в трубу 1, охватывающую сопло ôорсунки 3. Ãазовая труба и ôорсунка подогреваются индуктором 4. Распыление ведётся в го- ризонтально расположенную цилиндрическую камеру 2 диамет- ром 25 см и длиной около 2,5 м. Ôормируется узкая струя пара, направленная строго по оси камеры. Распылённый металл кон- денсируется в потоке инертного газа.

Производство порошков сплавов на основе меди и железа часто Рис. 8. Óстановка для получения порошка с индукционным плавлением металла и распылением расплава газом: 1 — печь; 2 — металлоприём- ник; 3 — вентиль; 4 — ôорсунка; 5 — камера распыления; 6 — затвор;

7 — бункер; 8 — печь для подогрева воздуха; 9 — выход воздуха; 10 — подача воздуха.⁸

Рис. 9. Óстановка горизонтального распыления алюминия: 1 — труба подачи газа; 2 — камера распыления; 3 — ôорсунка; 4 — индуктор; 5

— тигель с индукционным нагревом; 6 — тепловой экран.⁹

(16)

основано на распылении расплавов воздухом или водой в воду.

Такие установки близки по конструкции, но отличаются систе- мой подачи распыляющего агента (рис. 10) [11]. Слева на рисун- ке 10 изображены элементы системы распыления расплава водой.

Давление в струе воды составляет около 10 МПа. Камеры распы- ления этих установок имеют меньшие габариты, чем в случае установок с камерами распыления без воды.

Â [11, 12] описаны и другие установки с индукционным плав- лением металлов и распылением расплавов струёй газа, а также рассмотрены конструкции ôорсунок. Там также описаны уста- новки для гранулирования металлов путём вливания струи жид- кого металла в воду.

Производство порошков сплавов на основе меди и железа часто основано на распылении расплавов воздухом или водой в воду.

Такие установки близки по конструкции, но отличаются систе- мой подачи распыляющего агента (рис. 10) [11]. Слева на рисун- ке 10 изображены элементы системы распыления расплава водой.

Давление в струе воды составляет около 10 МПа. Камеры распы- ления этих установок имеют меньшие габариты, чем в случае установок с камерами распыления без воды.

Â [11, 12] описаны и другие установки с индукционным плав-

Рис. 10. Óстановка распыления расплава воздухом и водой в воду: 1 — индукционная печь; 2 — металлоприёмник; 3 — ôорсунка; 4 — камера распыления; 5 — гидроциклон; 6 — центриôуга; 7 — сушилка; 8 — отстойник; 9 — насос высокого давления; 10 — циклон.¹⁰

(17)

лением металлов и распылением расплавов струёй газа, а также рассмотрены конструкции ôорсунок. Там также описаны уста- новки для гранулирования металлов путём вливания струи жид- кого металла в воду.

5.2. Установка вакуумного распыления расплавленного металла Âакуумное распыление (или взрывное разбрызгивание) расплава металла впервые было применено в промышленных масштабах ôирмой «Ãомогенус Металз» (США) [19]. Схема установки для распыления алюминия представлена на рис. 11. Она состоит из камеры распыления 5 и камеры плавления 7 с тиглем 4. Индук- ционный нагрев используется в установке из-за возможности ра- боты индуктора в среде сжатого водорода и хорошей его совме- стимости с остальной конструкцией установки.

Â нижней плавильной камере 7 металл в тигле 4 расплавляет- ся с помощью ÂЧ-индуктора 2 в вакууме, затем в камеру 7 нагнетают водород под давлением до 707 кПа. Молекулярный во- дород растворяется в расплаве; при этом он диссоциирует на ато- мы и повышает внутреннюю энергию расплава. Растворимость водорода в алюминии увеличивается с ростом температуры и

Рис. 11. Схема установки для вакуумного распыления расплавленных металлов. 1 — отвод к вакуумному насосу; 2 — индуктор; 3 — генера- тор для питания индуктора; 4 — тигель с расплавом алюминия; 5 — камера распыления; 6 — затвор; 7 — камера плавления; 8 — контейнер для порошка.¹¹

(18)

давления.

Â верхней камере 5 создают вакуум. После открытия затвора 6, соединяющего камеры, водород, содержащийся в расплаве, выделяется с огромной скоростью. Расплавленный металл заки- пает и распыляется в вакуумированной камере 5. Процесс реком- бинации атомов водорода приводит к значительному выделению тепловой энергии, вследствие чего металл разогревается до не- скольких тысяч градусов. При этих условиях он распыляется с образованием порошка в широком интервале по размерам частиц.

Полученные порошки обладают лучшими свойствами по сравне- нию с порошками, образовавшимися при обычном распылении струёй газа или воды. Âместе с тем надо отметить, что использо- вание водорода под давлением и при высоких температурах по- вышает пожаро- и взрывоопасность.

Аналогичный процесс был разработан ôирмой «Спесимен»

(Ôранция), но в нём газ растворялся в расплавленном металле под очень высоким давлением, а взрывное распыление расплава производилось не в вакууме, а при попадании в зону атмосôерно- го давления [20].

6. ПОЛУЧЕНИЕ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Íаноструктурные материалы характеризуются наличием нанораз- мерных зёрен и других структурных элементов. Известны различ- ные способы их получения [2, 3, 17]. Индукционный нагрев

Рис. 12. Óстройство для получения наноструктурного материала при быстром охлаждении расплава методом спиннингования. 1 — расплавленный материал; 2 — индуктор; 3 — поток газа; 4 — охлажда- емый барабан; 5 — лента наноструктурированного материала.¹²

(19)

напрямую здесь чаще всего применяют для расплавления исходно- го материала. Примером служит устройство [17], показанное на рис. 12, в котором металл 1 расплавляется с помощью ÂЧ- индуктора 2 и выдавливается через ôорсунку на охлаждаемый ба- рабан 4 с помощью газового потока 3. Барабан вращается в атмо- сôере инертного газа. Â таком процессе, называемом спиннингова- нием, образуются полосы или ленты 5 наноструктурного материала толщиной от 10 до 100 микрон. Íаноструктура получается за счёт быстрого отвердевания жидкого металла, разделённого на нанораз- мерные частицы потоком газа.

Таким способом были получены сплавы, состоящие из 85–94%

алюминия и добавок других металлов, например, Y, Ni и Fe. По- лученный спиннингованием сплав Al–Y–Ni–Fe, состоящий из ча- стиц алюминия размером 10–30 нм, встроенных в аморôную матрицу, может, имеет напряжение на разрыв, превышающее 1,2 ÃПа [17]. Такое высокое значение объясняется наличием безде-

ТАБЛИЦА. Индукционный нагрев в технологии получения и обработки микро- и нанодисперсных материалов.¹³

Тип системы (№ рисунка)

Íаименование метода Частота,

кÃц Мощность,

кÂт Рабочая среда 1 термовакуумное

испарение–конденсация

66–440 5–20 остаточный вакуум

2 0,44–44 30–150

3 «газовое» испарение–

конденсация

66–440 5–20 газ: Ar, He;

6–70 Па