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].
Ex1.1.JPG


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
table1.1.JPG
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].
Ex2.2.JPG
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).
Ex3.3.JPG
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.
Ex4.JPG
Рис. 4. Характерные изображения порошков карбида вольфрама, полученные сканирующей микроскопией: стрелки указывают на трещины в индивидуальных частицах
Ex5.JPG
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.
Мы предлагаем нашим партнерам:
  • Индивидуальный подход к заказу
  • Научно-технологическое сотрудничество
  • Систему скидок
  • Доставку продукции
Новости
19 Мая 2020 КОМПАНИЯ «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» (ТОМСК, РФ) ИЗГОТАВЛИВАЕТ НАНОПОРОШКИ ОКСИДА МЕДИ И ЦИНКА С АНТИМИКРОБНЫМ ДЕЙСТВИЕМ
КОМПАНИЯ «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» (ТОМСК, РФ) ИЗГОТАВЛИВАЕТ НАНОПОРОШКИ ОКСИДА МЕДИ И ЦИНКА С АНТИМИКРОБНЫМ ДЕЙСТВИЕМ

Пандемия коронавируса COVID-19 показала, что существует неотложная потребность в эффективных мерах по предотвращению распространения вирусных инфекций различных нозологий. Последние случаи вспышек вируса атипичной пневмонии, птичьего гриппа, гриппа H1N1, и наконец, коронавируса COVID-19 показали, что высокоэффективные бытовые технические средства, позволяющие прервать пути  распространения инфекций, отсутствуют. На данный момент известно, что есть два главных пути передачи вирусов. Во-первых, это воздушно-капельный механизм передачи инфекции, во-вторых, это контакт человека с зараженными поверхностями.
В настоящее время для прерывания путей передачи вирусов в быту в качестве индивидуальных защитных средств используются маски, защищающие органы дыхания, перчатки и различные антисептики, которыми обрабатываются руки и окружающие предметы и поверхности.
Защитные маски позволяют уменьшить распространение респираторных вирусов, особенно при использовании в замкнутом пространстве или при тесном контакте с человеком с симптомами заражения [1, 2]. Однако сами маски также могут быть источником инфекции [3]. Маска примерно через два часа становится влажной и уже в ней начинают размножаться микроорганизмы. По мнению ВОЗ, маски не гарантируют защиты от COVID-19. Установлено, что эффективность хирургических масок даже самого высокого класса защиты FFP3 недостаточна (гриппом заражается не менее 23 % медицинских сестер, носивших хирургические маски класса FFP3).
Вирус COVID-19 передается не только воздушно-капельным, но и контактным путем, и может сохраняться на поверхностях до 72 часов. Поэтому другой стороной вышеуказанной проблемы является передача вирусов, в т.ч. COVID-19, в лечебных учреждениях через медицинскую одежду, постельное белье, корпуса медицинского оборудования и др.
Одним из путей решений вышеуказанных проблем является придание натуральным и искусственным, в т.ч. медицинским, материалам и поверхностям антисептических свойств, например, с помощью биоцидных наночастиц. Волокна, импрегнированные биоактивными наночастицами, проявляют биоцидные свойства – антибактериальные, противогрибковые, противовирусные [4]. В большинстве современных исследований в области применения наночастиц для уничтожения патогеннов, основное внимание уделяется однокомпонентным наноматериалам (например, наночастицам оксида меди CuO, оксида цинка ZnO, серебра Ag). До недавнего времени серебро оставалось наиболее популярным материалом, который предлагался как эффективное антимикробное средство. Однако последние исследования показывают, что серебро при применении в действующих концентрациях оказывает цитотоксический эффект на клетки организма человека [5]. Кроме того серебро имеет высокую стоимость, что приведет к заметному увеличению цены конечной продукции. Поэтому сейчас основное внимание уделяется применению в качестве бактерицидных и противовирусных материалов наночастицам CuO и ZnO, которые практически малотоксичны для человека.
Например, импрегнация биоактивных наночастиц оксида меди в фильтрующий материал позволяет придать одноразовым респираторным маскам мощные биоцидные свойства без изменения их барьерных свойств [6]. При контакте с вирусом ионы меди вызывают массовое повреждение компонентов клеточной стенки, вирусных генов и ключевых белков [7].
Таким образом, с использованием нанопорошков оксидов меди и цинка, возможно разработать ряд продуктов, позволяющих прервать пути передачи вирусов в быту и в медицинских учреждениях – лицевых масок, одежды медицинского персонала, перчаток, больничных простыней, корпусов медицинского оборудования, контейнеры для хранения продуктов, клавиатуру компьютеров, корпуса мобильных телефонов и др.

Компания «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» может изготовить нанопорошки оксидов меди и цинка для разработки новых антимикробных материалов.

1.  Jefferson T, Foxlee R, Del Mar C, Dooley L, Ferroni E, et al. (2008) Physicalinterventions to interrupt or reduce the spread of respiratory viruses: systematicreview. BMJ 336: 77–80.
2. Jefferson T, Foxlee R, Del Mar C, Dooley L, Ferroni E, et al. (2007) Interventions for the interruption or reduction of the spread of respiratoryviruses. Cochrane Database Syst Rev 6207.
3. Zhiqing L. et al. Surgical masks as source of bacterial contamination during operative procedures //Journal of orthopaedic translation.2018; 14: 57-62.
4. Borkow, G. and Gabbay, J. (2004). Putting Copper into Action:Copper-impregnated Products with Potent Biocidal Activities, FASEB Jounal,18(14): 1728–1730.
5. Akter M. et al. A systematic review on silver nanoparticles-induced cytotoxicity: Physicochemical properties and perspectives //Journal of advanced research. – 2018. – Т. 9. – С. 1-16.
6. Gadi Borkow et al. A Novel Anti-Influenza Copper Oxide Containing Respiratory Face Mask // PLoS ONE, June 2010, Volume 5, Issue 6.
7. Borkow & Gabbay (2005) Copper as a biocidal tool. Current Medicinal Chemistry12:2163-75


ООО "ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ"
Адрес: 634055, Российская Федерация, Томск, проспект Академический, 8/8
Телефон/Факс: +7 (3822) 28-68-72 , 8-961-888-16-24
http://www.nanosized-powders.com

4 Апреля 2019 Компания «ПЕРЕДОВЫЕ ПОРОШКОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» успешно выполнила работы по третьему этапу проекта «НТИ - Развитие» (www.fasie.ru)
На третьем этапе выполнения проекта разработаны методы изготовления гранулированных термопластичных материалов на основе микро- и наночастиц сплавов 03Х17Н14М3, Ti-Al, ВТ-6, ВНЖ-90 и Al2O3 (фидстоков) и исследованы их физико-химические характеристики. Для получения гранулированных материалов на основе микро- и наночастиц сплава 03Х17Н14М3 выбран комбинированный метод, включающий получение мелкого гранулята обработкой частиц со структурой ядро-оболочка раствором полимеров и совмещение мелкого гранулята с расплавом полимеров. Для получения гранулированных материалов на основе микро- и наночастиц сплавов ВТ-6, Ti-Al, ВНЖ-90 и Al2O3 выбран метод введения частиц ядро-оболочка в расплав полимеров. Определены режимы формования сложнопрофильных деталей из гранулированных материалов и исследованы их механические характеристики. Установлено, что по микротвердости, пределу прочности при растяжении и изгибе образцы сложнопрофильных деталей близки характеристикам соответствующих объемных материалов.
Разработка методов изготовления гранулированных материалов на основе микро- и наночастиц сплавов 03Х17Н14М3, Ti-Al, ВТ-6, ВНЖ-90 и Al2O3, а также литье под давлением сложнопрофильных деталей с требуемыми механическими характеристиками позволяет приступить к выполнению следующего этапа работ - разработке лабораторного технологического регламента получения гранул из частиц со структурой ядро-оболочка, наработке и исследованию гранулированных материалов. Проект выполняется при поддерже Фонда содействия инновациям (www.fasie.ru).