Синтез сплавов и тугоплавких химических соединений

Перспективное применение электровзрывных нанопорошков - это синтез интерметаллических и высокотемпературных соединений. Как показывают исследования, частицы электровзрывных нанопорошков обладают повышенной дефектностью. Вероятно, вследствие этого при нагреве некоторых нанопорошков выделяется энергия (Еэ), не связанная с химическими процессами, подобный эффект наблюдался при нагреве электровзрывных нанопорошков металлов [1, 2], частности серебра [3, 4].



Рис. 1. Дериватограмма электровзрывного порошка серебра | при его нагреве в атмосфере аргона

На рис. 1 показано, что при повышении температуры до 215...220 ºС в атмосфере аргона в электровзрывном порошке серебра начинается экзотермический процесс. При этом энергия Еэ составляет 37 % от теплоты плавления металла (Еэ = 38,73 кДж/кг, величина теплоты плавления серебра 104,7 кДж/кг). Эксперимент проводился в Национальной Лаборатории Лос-Аламоса, США

Таблица 1 - Получение интерметаллических соединений

Высокая активность и особенности энергетического состояния нанопорошков позволяют получать соединения металлов, имеющих существенно различные температуры плавления, например железоалюминия [5]. В табл. 1 показаны примеры нескольких реакций, где электровзрывные нанопорошки были использованы для формирования интерметаллических соединений [6]. В реакциях в качестве металла 1 использовались нанопорошки, в качестве металла 2 - промышленный порошок, либо электровзрывной нанопорошок. Все реакции протекали в режиме СВС.
Благодаря высокой химической активности, электровзрывные порошки могут выступать также в качестве сырья для синтеза тугоплавких химических соединений, например, карбида вольфрама [7].

Рис. 2. Характерные изображения порошка вольфрама: (а) - сканирующая электронная микроскопия, (б) - просвечивающая электронная микроскопия

Для карбонизации, порошок вольфрама (рис. 2) и стружка из спектрально-чистого графита смешивались между собой. Смесь помещалась в герметичную реторту из нержавеющей стали (рис. 3).

Рис. 3. Принципиальная схема прибора для карбонизации порошка вольфрама: 1 - порошок вольфрама, 2 - спектрально-чистые стрежни графита, 3 - реторта, 4 - нагреватель, 5 - теплоизоляция, 6 - ниппель, 7 - мотор-редуктор

Компоненты реакции взвешивались в стехиометрической пропорции: на 1% веса стружки графита - 15,3% веса порошка вольфрама. Смесь нагревалась до температуры 1000 оС в течение 14 часов. Для более равномерного контакта реактивных компонентов и предотвращения агломерации порошка, реторта вращалась со скоростью 0,5 оборотов в минуту. Снижение избыточного давления в реторте осуществлялось через ниппель. Рентгенофазовый анализ показывает, что продуктом реакции является карбид вольфрама WC (94% вольфрама, 6% углерода).

Характерные изображения частиц карбида вольфрама приведены на рис. 4. Крупные частицы (рис. 4, б, в) состоят из блоков, на поверхности частиц наблюдаются трещины.

Рис. 4. Характерные изображения порошков карбида вольфрама, полученные сканирующей микроскопией: стрелки указывают на трещины в индивидуальных частицах

Рис. 5. Функции распределения по размерам частиц W и WC (N - число частиц, а - размер в нм): для порошков W - аn = 210 нм; аs = 740 нм; аm = 2390 нм; для порошков WC - аn = 774 нм; аs = 1140 нм; аm = 1564 нм
На рис. 5 изображены функции распределения частиц по размерам порошков вольфрама и карбида вольфрама. Анализ функций распределения показывает, что максимум кривой WC несколько сместился в область больших размеров, при этом в порошке уменьшилась доля как мелкой, так и крупной фракций.

Вероятно, уменьшение доли мелкой фракции связанно со спеканием частиц при нагреве, а уменьшение числа крупных частиц связанно с их растрескиванием во время процесса карбидизации.

Наличие крупных частиц в порошке карбида вольфрама связанно с полидисперсностью исходного порошка вольфрама. Размеры частиц вольфрама лежат в интервале 10-9 мкм < а < 10-4 мкм, размеры частиц карбида вольфрама - в интервале 10-7 мкм ≤ а < 10-5 мкм.

Литература

1. Ильин А. П. Структурно-энергетическое состояние электровзрывных ультрадисперсных порошков и процессы релаксации в них // Изв. высш. уч. заведений. Физика. - 1996. - № 4. - С. 136 - 144.

2. Ильин А. П. Об избыточной энергии ультрадисперсных порошков, полученных методом электрического взрыва проволок // Физика и химия обработки материалов.- 1994. - № 3. - С. 94.

3. Tepper F. Lerner M. Ginley D. Metallic Nanopowders // Dekker Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology. - Marcel Dekker, Inc., N. Y., 2004. - P. 1921 - 1933.

4. Яворовский Н. А., Ильин А. П., Лернер М. И., Проскуровская Л. Т. Явление теплового взрыва в ультрадисперсных порошках чистых металлов // Первый всесоюзный симпозиум по макроскопической кинетике и химической газодинамике. Тезисы докладов. - Черноголовка, 1984. - Т. 1. - Ч. 1. - С. 55-56.

5. А. с. 1287611 (СССР). Способ получения дисперсно-упрочненного
железоалюминиевого сплава / Каратеева Е. А., Лернер М. И., Хабас Т. А., Проскуровская Л. Т., Ильин А. П. - 1986.

6. Ivanov G., Lerner M., Tepper F. Intermetallic Alloy Formation from Nanophase Metal Powders Produced by Electro-Exploding Wires // Advances in Powder Metallurgy & Particulate Materials. - 1996. - Vol. 4. - Р. 15/55-15/63.

7. Dammer V., Davydovich V., Eckl W., Eisenreih N., Kirilov V., Lerner M., Sakovich G., Vorozhtsov A., Weller F. New method of WC nanosized powder manufacturing // Energetic Materials Performance and Safety. 36th International Annual Conference of ICT & 32th International Pyrotechnics Seminar. June 28 - Jule 1. - Karlsruhe, Federal Republic of Germany, 2005. - P. 38-1 - 38 - 6.