Изменение термохимических параметров нано- и микропорошков железа после облучения потоком ускоренных электронов | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2016. № 1(3).

Изменение термохимических параметров нано- и микропорошков железа после облучения потоком ускоренных электронов

Исследовано влияние низкоэнергетического электронного пучка с энергией 360 кэВ на изменение параметров химической активности микро- и нанопорошков железа при нагревании в воздухе. С помощью метода дифференциального термического анализа установлено, что после воздействия электронного пучка происходило повышение температуры начала окисления порошков железа на ~30°С. Таким образом, воздействие электронного пучка с энергией 360 кэВ на порошки железа приводит к повышению их термической устойчивости к окислению в воздухе, но не влияет на другие параметры их химической активности. Вероятно, действие потока ускоренных электронов приводит к десорбции и удалению связанной воды с поверхности частиц железа, что понижает концентрацию основного окислителя железа - подвижных протонов.

The modification of thermochemical parameters of iron nanoand micropowder after irradiation by accelerated electron beam.pdf При переводе металлов в дисперсное состояние наблюдается изменение свойств материала в сравнении с массивным состоянием. С переходом в наноразмерное состояние проявляются новые свойства, например запасание нанопорошками энергии [1]. При этом запасенная энергия связана с энергией поверхности наночастиц, также энергия может запасаться в их структуре [2]. Запасенная поверхностью энергия ограничена устойчивостью наночастиц: если диаметр частицы меньше 30 нм, то такие частицы невозможно стабилизировать в воздухе. На основе экспериментальных результатов по снижению толщины защитной пленки при уменьшении диаметра частиц сделано предположение о существовании двойного электрического слоя, обладающего псевдоемкостью [3]. Порошки железа широко используются в порошковых технологиях [4]: в порошковой металлургии, в технологиях 3D печати, а также в качестве компонента пиротехнических смесей [5]. Развитие и распространение ре-сурсоэффективных и энергосберегающих технологий требует создания порошковых материалов, устойчивых к окислению в воздухе [6, 7]. Одним из возможных путей решения этой проблемы является высокоэнергетическое воздействие на порошковые материалы [1, 8, 9], в частности облучение высокоэнергетическими потоками электронов. Такое воздействие приводит к существенному изменению физико-химических свойств нанопо-рошков металлов. Подобное изменение свойств объяснено процессами накопления положительного заряда металлической части частицы внутри изолирующей оксидно-гидроксидной оболочки и релаксации зарядов при нагревании [1]. В работе [1] температура образцов при облучении не контролировалась, в то время как использовался высокоэнергетический электронный пучок с энергией 4 МэВ. Предположительно в экспериментах [Там же] при облучении электронами происходил разогрев нанопорошков, что влияло на величину теплового эффекта. Целью настоящей работы являлось установление закономерностей влияния облучения низкоэнергетическим электронным пучком с энергией 360 кэВ на параметры химической активности микро- и нанопорошков железа при нагревании. Методики экспериментов Для облучения порошков железа использовали поток ускоренных электронов с кинетической энергией ~360 кэВ. В качестве источника электронов использовали импульсный электронный ускоритель АСТРА-М [10], разработанный в Томском политехническом университете для проведения прикладных исследований [11, 12] и для применения в радиационных технологиях [13]. На рис. 1 представлена схема проведения эксперимента по облучению микро- и нанопорошков железа. 100 mm Рис. 1. Схема проведения эксперимента: 1 - выпускное окно ускорителя электронов; 2 - экспериментальный стол; 3 - дозиметрическая пленка; 4 - образец Образец облучаемого порошка 4 располагали на экспериментальном столе 2 на расстоянии 100 мм от плоскости выпускного окна ускорителя 1. Для заданного расстояния с помощью дозиметрической плёнки было установлено, что неоднородность распределения поглощённой дозы по сечению не превышает 5% для диаметра 100 мм по оси выпускного окна за 10 импульсов тока электронного пучка. Для проведения экспериментов порошок железа (100 мг) помещали в конверт из алюминиевой фольги толщиной 5 мкм с линейными размерами 5х3 см и толщиной свернутого конверта 15 мкм, что контролировали микрометром путем измерения толщины конверта в нескольких точках. Длина пробега электрона в алюминиевой фольге при 350 кэВ составляет 50 мкм, следовательно, образцы облучались «на прострел». Экспозиционную дозу регулировали количеством импульсов электронного пучка. Частота следования импульсов составляла 1 Гц. Температуру поверхности конверта с образцом контролировали с помощью тепловизора (Fluke TiR10). При облучении образца его температура не превышала 40°С. С помощью диагностического оборудования ускорителя [12, 13] была проведена оценка скорости набора поглощённой дозы в пробе порошка за определенное число импульсов электронного пучка. Длительность импульса электронного пучка, инжектированного в атмосферу, составляла ~ 100 нс. Усредненное по времени значение плотности мощности энергии электронного пучка составляло ~4 Вт/см2. С помощью калориметрического способа установлено, что за 50 импульсов электронного пучка в образце выделялось ~3,5 Дж, что соответствует поглощённой дозе ~13 кГр. Учитывая соотношение массовых толщин конверта и помещённого в него образца порошка, поглощённая доза в порошке железа составляла порядка 35% от поглощённой дозы всем образцом. Таким образом, поглощённая образцом порошком железа доза после 50 импульсов составила ~4,5 кГр. Для определения закономерностей изменения термохимических параметров после облучения образцов доза облучения варьировалась от 1,8 до 54,0 кГр. Параметры химической активности облученных порошков определяли с помощью метода дифференциального термического анализа [14] (ДТА) в Научно-аналитическом центре Томского политехнического университета (термоанализатор STD Q600) по изменению величины удельного экзотермического эффекта при окислении образца в воздухе. Точность измерения температуры составляла 110-3°С, величины массы навески - 110-4 мг, эталон -a-Al2O3. Для определения параметров активности порошковых материалов использование метода ДТА позволяет более точно оценить энергетическое состояние частиц, чем дифракционные методы анализа [15-17]. Результаты экспериментов На рис. 1 представлены результаты дифференциального термического анализа исходного нанопорошка железа (рис. 1, а) и нанопорошка железа, подвергнутого облучению при максимальной поглощенной дозе 54,0 кГр (рис. 2, а). Зависимость массы от температуры обозначена цифрой 1, тепловой эффект - 2, тепловой поток - 3. Остаток: 5' 200 400 600 800 1000 Экзо вверх Температура (°С) Экзо вверх Температура (°С) б Рис. 1. Термограммы нанопорошка железа: до облучения (а); после облучения (б), поглощенная доза 54,0 кГр а Согласно данным термического анализа (см. рис. 1), после облучения тепловой эффект окисления нанопорошка железа в воздухе уменьшился незначительно (~8%), степень окисленности практически не изменилась: изменение составляет менее 1%. В то же время температура начала окисления увеличилась на ~30°С, что свидетельствует о положительном влиянии электронного пучка на рост термической устойчивости нанопорошка железа к окислению в воздухе. В табл. 1 приведены результаты дифференциального термического анализа нанопорошка железа при увеличении поглощенной дозы облучения. Таблица 1 № Поглощенная доза, кГр Удельный тепловой эффект, Дж/г Степень окисленности, % Температура начала окисления, °С 1 0 5292 37,8 150 2 1,8 4971 35,8 100 3 3,6 4067 37,1 150 4 7,2 4586 36,9 170 5 10,8 4509 35,9 170 6 18,0 4400 35,6 170 7 27,0 4766 37,1 170 8 36,0 4496 37,9 170 9 45,0 4512 37,2 170 10 54,0 4827 37,1 180 Согласно экспериментальным данным (см. табл. 1), степень окисленно-сти при увеличении поглощенной дозы практически не менялась, что свидетельствует, в целом, о химической стабильности облученного образца. Удельный тепловой эффект окисления нанопорошка железа после облучения снижался: его максимальное изменение (образец № 3) составляло ~23%. На рис. 2 представлены результаты дифференциального термического анализа исходного микронного порошка железа (рис. 2, а) и микронного порошка железа, подвергнутого облучению при максимальной поглощенной дозе 54,0 кГр (рис. 2, б). Согласно данным термического анализа (рис. 2), после облучения тепловой эффект окисления микронного порошка железа в воздухе уменьшился незначительно (~4%), степень окисленности практически не изменилась (1,3%). В то же время температура начала окисления (как и для облученного нанопорошка железа) увеличилась на ~30°С, что свидетельствует об увеличении термической устойчивости микронного порошка железа к окислению в воздухе после облучения. В табл. 2 приведены результаты дифференциального термического анализа микронного порошка железа при увеличении поглощенной дозы облучения. Параметры химической активности нанопорошка железа Таблица 2 № Поглощенная доза, кГр Удельный тепловой эффект, Дж/г Степень окисленности, % Температура начала окисления, °С 1 0 5149 39,4 180 2 1,8 4954 38,7 200 3 3,6 4181 38,6 200 4 7,2 5169 40,7 200 5 10,8 5071 40,3 200 6 18,0 5339 39,0 220 7 27,0 4546 37,8 200 8 36,0 4705 38,2 220 9 45,0 4863 38,6 210 10 54,0 4938 38,1 210 Согласно данным термического анализа (см. табл. 2), степень окисленности при увеличении поглощенной дозы менялась незначительно, что свидетельствует, в целом, о химической стабильности облученного образца. Удельный тепловой эффект окисления нанопорошка железа после облучения в основном снижался, его максимальное изменение (образец № 3) составляло ~18%. Для образца № 6 происходило незначительное увеличение удельного теплового эффекта окисления (на ~3%), что указывает на запасание в образце энергии при действии электронного пучка. Подобный эффект был ранее обнаружен для нанопорошка железа при облучении потоком ускоренных электронов с энергией 4 МэВ [1]. Данный результат не является экспериментальной ошибкой, так как погрешность измерений температуры и теплового эффекта термоанализатора много меньше изменения полученных величин удельного теплового эффекта и температуры начала окисления. Заключение Установлено, что воздействие потока ускоренных электронов с энергией 360 кэВ на микро- и нанопорошки железа приводит к увеличению температуры начала окисления в обоих случаях примерно на 30°С. В то же время степень окисленности облученных порошков при нагревании до 1 000°С меняется незначительно (~1%). Таким образом, модифицирование микро- и нанопорошков железа с помощью электронного пучка позволяет повысить их термическую устойчивость к окислению (увеличить температуру начала окисления) без ухудшения свойств порошков. Вероятно, действие потока ускоренных электронов приводит к десорбции и удалению связанной воды с поверхности частиц железа, что понижает концентрацию основного окислителя железа - подвижных протонов. Это подтверждается Параметры химической активности микронного порошка железа понижением теплового эффекта окисления порошков в воздухе, а также повышением температуры начала окисления.

Ключевые слова

нанопорошок железа, микронный порошок железа, электронный пучок, параметры химической активности, пиротехнические смеси, порошковая металлургия, electron beam, powder metallurgy, iron powder, powder materials, na-nopowder, sintering aids

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Мостовщиков Андрей ВладимировичТомский политехнический университетканд. техн. наук, инженер кафедры общей химии и химической технологииpasembellum@mail.ru
Ильин Александр ПетровичТомский политехнический университетдоктор физ.-мат. наук, профессор кафедры общей химии и химической технологииgenchem@mail.ru
Егоров Иван СергеевичТомский политехнический университетканд. техн. наук, младший научный сотрудник лаборатории пучково-плазменных технологийgenchem@mail.ru
Шарафутдинова Анастасия СергеевнаТомский политехнический университетмагистрант кафедры общей химии и химической технологииgenchem@mail.ru
Всего: 4

Ссылки

Ильин А.П., Роот Л.О., Мостовщиков А.В. Повышение запасенной энергии в нанопорошках металлов // Журнал технической физики. 2012. Т. 82, вып. 8. С. 140142.
Ильин А.П., Роот Л.О., Мостовщиков А.В., Дитц А.А. Энергетика малых металлических частиц // Известия вузов. Физика. 2011. № 11 (3). С. 336-342.
Hauffe K. Reactions in and on solids. US : Atomic Energy Commission, Division of Technical Information. 1962.
Gromov A.A., Teipel U. Metal Nanopowders: Production, Characterization, and Energetic Applications, Wiley-VCH. Weinheim, 2014.
Ellern H. Military and Civilian Pyrotechnics. Chemical Publisher, 1968.
Khabas T.A. Solid-phase synthesis and sintering in oxide-metal mixtures of highly dispersed powders // Glass and Ceramics. 2002. Vol. 59. P. 404-408.
Коршунов А.В. Кинетика окисления электровзрывного нанопорошка железа при нагревании в воздухе // Химическая физика. 2012. Т. 31, № 5. С. 27-35.
Мостовщиков А.В., Ильин А.П., Егоров И.С., Захарова М.А. Изменение термохимических параметров нанопорошка алюминия после облучения потоком ускоренных электронов // Вестник Томского государственного университета. Химия. 2015. № 2. C. 6-13.
Мостовщиков А.В., Ильин А.П., Чумерин П.Ю., Юшков Ю.Г., Ваулин В.А., Алексеев Б.А. Влияние СВЧ-излучения на термическую стабильность нанопорошка алюминия // Письма в ЖТФ. 2016. Т. 42, вып. 7. C. 17-22.
Egorov I., Esipov V., Remnev G., Kaikanov M., Lukonin E., Poloskov A. A high-repetition rate pulsed electron accelerator // Proceedings of the 2012 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference, IPMHVC 2012. 2012. С. 716-719.
Кайканов М.И., Ремнев Г.Е., Юдина Н.В., Егоров И.С., Лоскутова Ю.В. Исследование реологических свойств нефти при облучении импульсным сильноточным электронным пучком // Известия вузов. Физика. 2012. Т. 55, № 6-2. С. 37-41.
Ремнев Г.Е., Степанов А.В., Войно Д.А., Егоров И.С., Кайканов М.И., Маслов А.С., Меринова Л.Р., Попов А.В., Сярг Б.А., Шиян Л.Н. Очистка и стерилизация промышленно-бытовых сточных вод импульсным электронным пучком наносекундной длительности // Ядерная и радиационная физика. 8-я Международная конференция: доклады. Институт ядерной физики Национального ядерного центра Республики Казахстан / отв. ред. К.К. Кадыржанов. 2011. С. 506-509.
Egorov I.S., Kaikanov M.I., Kolokolov D.Yu., Merinova L.R., Remnev G.E., Sazonov R.V., Stepanov A.V., Voyno D.A., Maslov A.S., Siarg B.A. Treatment of industrial and household waste water with the pulse electron accelerator-based setup // Известия высших учебных заведений. Физика. 2012. Т. 55, № 10/3. С. 61-64.
Wendlandt W.W. Thermal Methods of Analysis. NY : John Wiley & Sons, 1974.
Мостовщиков А.В., Ильин А.П., Захарова М.А. Запасание энергии нанопорошком алюминия в напряженно-деформированном состоянии кристаллической решетки // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т. 327, № 2. C. 77-80.
Ильин А.П., Тимченко Н.А., Мостовщиков А.В., Роот Л.О., Звягинцева Е.С., Галимов Р.М. Изучение зарождения, роста и формирования AlN при горении в воздухе нанопорошка алюминия с использованием синхротронного излучения // Известия вузов. Физика. 2011. № 11 (3). С. 307-311.
Ильин А.П., Мостовщиков А.В., Тимченко Н.А. Изучение последовательности фазообразования при горении прессованного нанопорошка алюминия в воздухе с применением синхротронного излучения // Физика горения и взрыва. 2013. Т. 49, № 3. С. 72-76.
 Изменение термохимических параметров нано- и микропорошков железа после облучения потоком ускоренных электронов | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2016. № 1(3).

Изменение термохимических параметров нано- и микропорошков железа после облучения потоком ускоренных электронов | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2016. № 1(3).