Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы
Показана возможность получения нанодисперсного TiN в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем. Процесс реализуется в кратковременном (≈10–3с) цикле работы ускорителя с титановыми электродами. Основной расходный материал нарабатывается эл...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Сверхтвердые материалы |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2008
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20742 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы / A.A. Сивков, Е.П. Найден, Д.Ю. Герасимов // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 33-39. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860089212740567040 |
|---|---|
| author | Сивков, А.А. Найден, Е.П. Герасимов, Д.Ю. |
| author_facet | Сивков, А.А. Найден, Е.П. Герасимов, Д.Ю. |
| citation_txt | Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы / A.A. Сивков, Е.П. Найден, Д.Ю. Герасимов // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 33-39. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Сверхтвердые материалы |
| description | Показана возможность получения нанодисперсного TiN в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем. Процесс реализуется в кратковременном (≈10–3с) цикле работы ускорителя с титановыми электродами. Основной расходный материал нарабатывается электроэрозионным путем с поверхности ускорительного канала. В зависимости от удельной подведенной энергии, диссипированной в канале, частицы порошка могут иметь как сферическую, так и неправильную форму, и размеры 10—300нм.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:21:49Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 33
УДК 661.88
A. A. Сивков, Е. П. Найден,
Д. Ю. Герасимов (г. Томск, Россия)
Прямой динамический синтез
нанодисперсного нитрида титана
в высокоскоростной импульсной струе
электроэрозионной плазмы
Показана возможность получения нанодисперсного TiN в высо-
коскоростной струе электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным
магнитоплазменным ускорителем. Процесс реализуется в кратковременном
(~ 10–3 с) цикле работы ускорителя с титановыми электродами. Основной рас-
ходный материал нарабатывается электроэрозионным путем с поверхности
ускорительного канала. В зависимости от удельной подведенной энергии, дисси-
пированной в канале, частицы порошка могут иметь как сферическую, так и
неправильную форму, и размеры 10—300 нм.
Ключевые слова: прямой синтез, нанодисперсный TiN, магнито-
плазменный ускоритель, гиперскоростная струя.
Высокотвердые тугоплавкие соединения, в частности, соеди-
нения титана (TiN, TiC, Ti2CN, TiB2 и др.), микротвердость которых достига-
ет значений более 20 ГПа, в нанодисперсном кристаллическом состоянии
могут стать сырьевой основой для изготовления консолидированных объем-
ных сверхтвердых материалов (СТМ) [1].
В этой связи разработка новых, простых и производительных методов
прямого синтеза нанодисперсных высокотвердых материалов является акту-
альной задачей. К ряду таких методов можно отнести прямое получение на-
нодисперсных кристаллических материалов в высокоскоростной импульсной
струе плотной электроэрозионной плазмы. Струя генерируется импульсным
сильноточным (порядка 105 А) коаксиальным магнитоплазменным ускорите-
лем (КМПУ) эрозионного типа [2]. Его конструкция базируется на классиче-
ском Z-пинч ускорителе, основными элементами которого являются цен-
тральный электрод (металлический стрежень диаметром 10—12 мм) и элек-
трод-ствол с цилиндрическим ускорительным каналом (УК) (отрезок метал-
лической трубы длиной до 250 мм, внутренним диаметром до 20 мм и тол-
щиной стенки 2—5 мм). Ускоритель называется “эрозионным” потому, что
основной материал, необходимый для синтеза требуемого продукта, нараба-
тывается электроэрозионным путем с цилиндрической поверхности УК, по
которой перемещаются опорные пятна ускоряемого сильноточного разряда
типа Z-пинч. Система может работать с любыми металлами и сплавами, при-
годными для изготовления электродов указанной геометрии. Титан во всех
отношениях является одним из наиболее “удобных” расходных материалов.
Это послужило предпосылкой для проведения исследований по реализации
динамического синтеза нанодисперсного нитрида титана в среде газообраз-
ного азота.
© A. A. СИВКОВ, Е. П. НАЙДЕН, Д. Ю. ГЕРАСИМОВ, 2008
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 34
Метод является прямым и относительно простым, так как процесс полно-
стью реализуется в кратковременном (порядка 10–3 с) цикле работы КМПУ.
Основной расходный материал (титан) нарабатывается электроэрозионным
путем с поверхности УК и в состоянии расплава захватывается ускоряемым
разрядом. При температуре в несколько тысяч градусов он переходит в плаз-
менное состояние, ускоряется до гиперзвуковых скоростей и выносится из
УК в виде плазменной струи в пространство цилиндрической камеры-
реактора (диаметром 0,31 м, длиной 0,75 м и объемом 0,056 м3), заполненное
технически чистым азотом при близком к атмосферному давлении и комнат-
ной температуре.
Электропитание КМПУ осуществляется от импульсного источника — ем-
костного накопителя энергии с емкостью конденсаторной батареи С до
48·10–3 Ф и зарядным напряжением Uз = 3—4 кВ.
Динамические характеристики плазменной струи на этапе ее формирова-
ния в заполненном пространстве камеры-реактора анализировали по кадрам
фотограммы, полученным с помощью высокоскоростной фотоустановки
ВФУ-1 (рис. 1). Как видно из рисунка, основное распыление выносимого
материала происходит с фронта головной ударной волны за первым прямым
скачком уплотнения при интенсивном охлаждении вещества. Видимо в это
время при снижении температуры и возникают условия протекания реакции
плазмохимического синтеза TiN. Следует ожидать, что дисперсность полу-
чаемого продукта должна зависеть от энергии струи и скорости ее истечения,
т. е. с их увеличением размер частиц должен уменьшаться.
ствол
∅ 25 мм
t = 2,76 мкс t = 21,73 мкс t = 32,6 мкс t = 43,5 мкс
t = 54,4 мкс t = 65,3 мкс t = 76,2 мкс t = 87,1 мкс t = 98,0 мкс
t
1
Рис. 1. Фотограмма гиперзвуковой плазменной струи, истекающей из УК титанового ство-
ла. Условия эксперимента: С = 48·10–3 Ф, Uз = 3,0 кВ, W = 113 кДж, р = 1,0 атм; t1 — мо-
мент выхода плазмы из УК.
Ранее было установлено [3], что при заданных геометрии УК и материале
электродов основным фактором, определяющим величину эродированной
массы m и скорость плазменного течения ϑ на срезе ствола является величина
подведенной и диссипированной в ускорительном канале энергии W. При
этом величина удельного электроэрозионного износа m/W прямопропорцио-
нальна удельной подведенной энергии W/V (V — объем УК). Подведенную
энергию определяли интегрированием кривой мощности разряда, полученной
по осциллограммам тока i(t) и напряжения U(t) на электродах КМПУ (рис. 2).
Вынесенную из УК массу определяли взвешиванием ствола до и после
плазменного выстрела.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 35
U, кВ
i, кA
1,5
1,38
1,0
0,5
0
50
64
100
150
200
232
100
t, мкс
t
1
Рис. 2. Типичные осциллограммы напряжения на электродах u(t) и рабочего тока i(t).
Условия эксперимента см. на рис. 1.
Отбор полученного продукта динамического синтеза проводили через не-
сколько часов после осаждения взвешенной фракции на стенки камеры при
комнатной температуре.
Аналитические исследования наиболее мелкой фракции, которая состав-
ляет не менее 50 % от m, проводили с использованием методов рентгенов-
ской дифрактометрии (дифрактометры Дрон-4 (FeKα) и Shimadzu XRD6000
(CuKα)), электронной растровой (Philips SEM 515) и просвечивающей (Philips
SM 30) микроскопии.
При исследовании в одинаковых условиях проводили по три-четыре плаз-
менных выстрела. Исходные данные и усредненные результаты аналитиче-
ских исследований полученного продукта приведены в таблице в порядке
убывания величин W, W/V, ϑ (опыты 1, 2, 3).
По микрофотографиям с разным увеличением (рис. 3), полученным на
растровом электронном микроскопе, видно, что порошкообразные продукты,
синтезированные в опытах 1, 2, 3, представляют собой довольно крупные
агломераты мелких частиц. Следует отметить, что агломерированность есть
характерное состояние для ультрадисперсных порошков, получаемых элек-
трофизическими методами, в частности, методом электрического взрыва
проволочек [4]. Размер и визуально оцениваемая плотность агломератов (см.
рис. 3, а) уменьшаются с уменьшением подведенной энергии и скорости
струи. Из фотографий (см. рис. 3, б) хорошо видно, что округлые (сфериче-
ские) образования с рыхлой поверхностью действительно являются скопле-
ниями очень мелких частиц. Размер этих частиц заметно увеличивается с
уменьшением энергии ускорителя и скорости плазменного течения.
Причем из фотографии с наибольшим увеличением (см. рис. 3, в) следует,
что порошок, полученный в опыте 3, состоит преимущественно из сфериче-
ских частиц с основным диапазоном размера от 30 до 300 нм при небольшой
доле частиц, размер которых близок к 400 нм. Растровые изображения по-
рошкообразных продуктов, полученных в опытах 1, 2 и 3 (см. рис. 3, в) не
дают возможности оценить размер частиц, показывая лишь то, что в опыте 1
частицы значительно мельче, чем в опытах 2 и 3.
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 36
Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3
100 мкм 100 мкм
а
100 мкм
10 мкм
10 мкм
б
10 мкм
1 мкм
1 мкм
в
1 мкм
Рис. 3. Микрофотографии порошкообразных продуктов динамического синтеза в опытах
1, 2 и 3 (см. таблицу) при различном увеличении.
Основные условия и усредненные результаты опытов по получению
порошка TiN
№
опыта
W,
кДж
W/V,
кДж/см3
p,
атм.
(азот)
m,
г
ϑ,
км/с
Средний раз-
мер частиц
(ОКР), нм
Dmin—Dmax,
нм
1 113 1,2 1,0 16,74 3,5 30,0 10—200
2 81 1,0 1,0 12,64 3,2 40,0 25—250
3 70 0,8 1,0 33,95 2,0 90,0 30—300
4 100 1,2 2,0 14,45 — 25,0 10—150
Эти экспериментально установленные факты могут быть объяснены тем,
что с уменьшением вводимой в разряд энергии и скорости струи снижается
интенсивность распыления продукта в неизменном объеме камеры-реактора.
Частицы в среднем становятся бóльшими по размеру и естественно уменьша-
ется их удельная поверхность. При этом, в отсутствие искусственной цирку-
ляции газообразной среды со взвешенными частицами, естественная цирку-
ляция интенсивнее в случае более высокоэнергетического выстрела. Это, в
совокупности с фактором удельной поверхности обеспечивает формирование
более крупных агломератов. То есть, более мелкие частицы в циркуляцион-
ных потоках движутся интенсивнее и дольше по времени, и имеют большую
вероятность присоединиться к образовавшимся агломератам. Аналогичная
закономерность наблюдается при электровзрывном получении субмикрон-
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 37
ных порошков с усилением принудительной циркуляции газообразной среды
со взвешенными частицами [4].
На рис. 4 приведена типичная дифрактограмма порошкообразного про-
дукта, полученного в одном из плазменных выстрелов опыта 2 (таблица),
снятая на дифрактометре Дрон-4 (FeKα) с никелевым фильтром. Расшифров-
ка и анализ этой и других аналогичных дифрактограмм показывает, что син-
тезированный дисперсный продукт представляет собой кристаллическую
фазу кубического TiN (а = 2,229±0,02 Å) со следами TiO2 (рутил). Большая
погрешность определения параметра решетки обусловлена существенным
инструментальным уширением дифракционных линий, что не позволяет су-
дить о степени возможного растворения кислорода в соединении TiN. Анализ
физического уширения дифракционных рефлексов, проведенный с помощью
программы полнопрофильного анализа “PowderCell 2.4” показывает, что раз-
мер областей когерентного рассеивания (ОКР), совпадающий со средним
размером частиц, определенным методом электронной микроскопии во всех
случаях (таблица) составляет от единиц до нескольких десятков нанометров,
что также дает основание считать получаемый порошкообразный продукт
нанодисперсным. Причем этот размер явно коррелирует с величинами W и ϑ,
т. е. увеличивается с их уменьшением.
30 40 50 60 70 2θ, град
0
1
2
И
н
те
н
си
вн
ос
ть
, ×
10
3
ус
л.
е
д.
11
1 20
0
22
0
31
1
22
2
Рис. 4. Рентгенограмма нанодисперсного порошка TiN с ГЦК структурой.
Более убедительные данные о размерах и геометрии частиц порошков
TiN, а также дополнительная информация о кристаллической структуре по-
лучены с использованием просвечивающей электронной микроскопии и ана-
лиза дифракционных картин. Так, из микрофотографий (рис. 5) видно, что
при W/V ≥ 1,0 кДж/см3 и средней скорости струи ϑ > 3,0 км/с (опыты 1 и 2)
частицы порошка имеют как округлую, так и неокруглую форму с естествен-
ной огранкой. В основном, размер частиц не превышает 250 нм. Судя по
практически одинаковой плотности изображения близких по размеру, но
разных по форме частиц, можно предположить, что они представляют одну
кристаллическую фазу — кубический TiN. Это предположение подтвержда-
ется анализом дифракционных картин, в частности, электронограмм отдель-
ных частиц, темнопольные изображения которых показаны рядом со светло-
польным снимком скопления частиц. На электронограммах присутствуют
www.ism.kiev.ua; www.rql.kiev.ua/almaz_j 38
дифракционные рефлексы, соответствующие отражениям от плоскостей
(111), (200), (220) кубической решетки.
Наличие гало на этой электронограмме свидетельствует о присутствии
аморфизированной составляющей этой фазы или очень мелких, порядка 1 нм,
частиц. Возможно, бесформенное образование в центре светлопольного
снимка является их скоплением (см. рис. 5, а).
220
200
111
100 нм
220
200
111
а б
Рис. 5. Электронная микрофотография нанодисперсного порошка (светлопольное изобра-
жение) (а) и темнопольное изображение (б) отдельных кристаллов с соответствующими
им электронограммами.
При уменьшении удельной энергии (опыт 3) происходит формирование
частиц сферической формы с меньшими, в среднем, размерами (см. рис. 3, в).
Еще меньшие по размерам сферические частицы TiN формируются при мак-
симальной для данной серии экспериментов удельной энергии, но при давле-
нии азота 2,0 атм (рис. 6). Анализ экспериментальных данных позволяет
предположить, что форма частиц определяется скоростью охлаждения и кри-
сталлизации из парогазовой фазы. При достаточно быстром охлаждении рас-
пыленного расплава синтезированной фазы формируются мелкие кристалли-
ты. При снижении скорости фронта струи процесс кристаллизации твердых
частиц происходит медленнее и за счет этого успевают сформироваться час-
тицы округлой формы. Кроме того, снижение скорости охлаждения может
быть вызвано повышением температуры на фронте головной ударной волны
и на границе струи при повышении внешнего давления (опыт 4, см. таблицу).
200 нм
а
200 нм
б
200 нм
в
Рис. 6. Электронные микрофотографии нанодисперсных порошков, полученных в опытах
1 (а), 3 (б) и 4 (в).
Полученные на просвечивающем микроскопе микрофотографии (см. рис.
6) дали возможность провести оценочный анализ дисперсности порошков,
синтезированных в разных условиях.
ISSN 0203-3119. Сверхтвердые материалы, 2008, № 5 39
Как видно из рис. 7, распределение частиц по размерам близко к нормаль-
ному логарифмическому закону [4]. Стоит отметить, что размер частиц
уменьшается с увеличением давления азота в камере-реактора (опыт 4, см.
таблицу).
10 100 D, нм
0
10
20
30
1 3
4
n
i
/∑n
i
, %
Рис. 7. Распределение синтезированных частиц по размерам, номер кривой соответствует
номеру опыта, см таблицу.
Выводы
Метод на основе эрозионного КМПУ позволяет в высокоскоростной струе
электроразрядной плазмы осуществлять прямой динамический синтез нано-
дисперсных порошков нитрида титана с кубической кристаллической решет-
кой. В зависимости от удельной подведенной энергии, диссипированной в
ускорительном канале, частицы порошка могут иметь как сферическую, так и
неправильную форму.
При отсутствии принудительной циркуляции газообразной среды в ограни-
ченном объеме камеры-реактора с увеличением подведенной к ускорителю
энергии снижается размер частиц TiN, но увеличиваются размеры агломератов.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 07-08-00804.
1. Андриевский Р. А. Сверхтвердые материалы на основе тугоплавких соединений // Вто-
рая Всерос. конф. по наноматериалам “Нано-2007”. IV Междунар. семинар ”Наност-
руктурные материалы-2007 Беларусь-Россия”, Новосибирск, 13—16 марта 2007: Сб. те-
зисов — Новосиб.: Ред.-изд. центр НГУ, 2007. — С. 349
2. Пат. 2243474 РФ. МКИ 7 F 41 В 6/00. Коаксиальный ускоритель / Д. Ю. Герасимов,
А. А. Сивков. — Приор. 31.07.2003; Опубл. 27.12.2004, Бюл. № 36.
3. Сивков А. А., Герасимов Д. Ю., Цыбина А. С. Электроэрозионная наработка материала в
коаксиальном магнитоплазменном ускорителе для нанесения покрытий //
Электротехника. — 2005. — № 6. — С. 25—33.
4. Назаренко О. Б. Электровзрывные нанопорошки: получение, свойства, применение —
Томск: Изд-во Томского ун-та, 2005. — 148 с.
Томский политехнический ун-т Поступила 27.02.08
Томский государственный ун-т
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-20742 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0203-3119 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:21:49Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Сивков, А.А. Найден, Е.П. Герасимов, Д.Ю. 2011-06-04T17:57:59Z 2011-06-04T17:57:59Z 2008 Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы / A.A. Сивков, Е.П. Найден, Д.Ю. Герасимов // Сверхтвердые материалы. — 2008. — № 5. — С. 33-39. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 0203-3119 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20742 661.88 Показана возможность получения нанодисперсного TiN в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем. Процесс реализуется в кратковременном (≈10–3с) цикле работы ускорителя с титановыми электродами. Основной расходный материал нарабатывается электроэрозионным путем с поверхности ускорительного канала. В зависимости от удельной подведенной энергии, диссипированной в канале, частицы порошка могут иметь как сферическую, так и неправильную форму, и размеры 10—300нм. Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 07-08-00804. ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Сверхтвердые материалы Получение, структура, свойства Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы Article published earlier |
| spellingShingle | Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы Сивков, А.А. Найден, Е.П. Герасимов, Д.Ю. Получение, структура, свойства |
| title | Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы |
| title_full | Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы |
| title_fullStr | Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы |
| title_full_unstemmed | Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы |
| title_short | Прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы |
| title_sort | прямой динамический синтез нанодисперсного нитрида титана в высокоскоростной импульсной струе электроэрозионной плазмы |
| topic | Получение, структура, свойства |
| topic_facet | Получение, структура, свойства |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/20742 |
| work_keys_str_mv | AT sivkovaa prâmoidinamičeskiisinteznanodispersnogonitridatitanavvysokoskorostnoiimpulʹsnoistrueélektroérozionnoiplazmy AT naidenep prâmoidinamičeskiisinteznanodispersnogonitridatitanavvysokoskorostnoiimpulʹsnoistrueélektroérozionnoiplazmy AT gerasimovdû prâmoidinamičeskiisinteznanodispersnogonitridatitanavvysokoskorostnoiimpulʹsnoistrueélektroérozionnoiplazmy |