Изменение термохимических параметров нанопорошка алюминия после облучения потоком ускоренных электронов | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2015. № 2.

Изменение термохимических параметров нанопорошка алюминия после облучения потоком ускоренных электронов

Изучено влияние облучения потоком электронов на параметры окисления нанопорошка алюминия при нагревании в воздухе. Установлено, что температура начала окисления находится в интервале от 410 до 460°С и не зависит от дозы облучения. Степень окисленности изменялась от 44,4 до 58,3%; ее зависимость от дозы облучения не установлена. Выделение тепловой энергии происходило в две стадии: на первой стадии (до ~660°С) наблюдался рост теплового эффекта; на второй стадии окисления нанопорошка алюминия после его облучения также наблюдался рост теплового эффекта. Максимальный тепловой эффект при облучении на 2 576 Дж/г превышает тепловой эффект для не-облученного нанопорошка алюминия.

The modification of thermochemical parameters of aluminum nanopowder after irradiation by accelerated electron beam.pdf Введение При переводе металлов в нанодисперсное состояние наблюдается появление новых свойств нанопорошков, в том числе запасание нанопорошка-ми энергии. При этом запасенная энергия связана с энергией поверхности наночастиц, а также энергия может запасаться в их структуре. Запасенная поверхностью энергия ограничена устойчивостью наночастиц: если диаметр частицы меньше 30 нм, то такие частицы невозможно стабилизировать в воздухе [1]. На основе экспериментальных результатов, например снижения толщины защитной пленки при уменьшении размеров частиц, сделано предположение о существовании двойного электрического слоя, обладающего псевдоемкостью [2]. Возрастающий интерес к порошкам и нанопорошкам алюминия [3] обусловлен их использованием в качестве спекающих добавок в порошковой металлургии [4] и высокоэнергетических добавок в ракетные топлива и пиротехнические смеси. Кроме того, развитие и распространение технологий 3D печати требует создания порошковых материалов, способных спекаться при низких энергозатратах на разогрев и за короткий промежуток времени. Одним из возможных путей решения этой проблемы является облучение порошковых материалов высокоэнергетическими потоками электронов, что приводит к запасанию энергии в нанопорошке [5]. Ранее было установлено, что при облучении нанопорошков Fe, Co, Ni, Cu, W, Al наблюдалось увеличение теплового эффекта их окисления в воздухе, которое авторы связали с процессом накопления положительного заряда металлической части частицы внутри изолирующей оксидно-гидроксидной оболочки и релаксации зарядов при нагревании. Предположительно, в этих экспериментах при облучении электронами происходил разогрев нанопо-рошков, что влияло на величину теплового эффекта. В этих экспериментах температура нанопорошков при облучении не контролировалась. Поэтому для получения более корректных данных было необходимо облучить нанопорошок алюминия с контролем температуры. Целью настоящей работы являлось установление закономерностей влияния облучения нанопорошка алюминия потоком ускоренных электронов на величину его запасенной энергии и другие параметры окисления. Экспериментальная часть Нанопорошок алюминия представлял собой совокупность сферических частиц, распределение которых близко к нормально-логарифмическому с максимумом 120 нм. В пассивированном малыми добавками воздуха [6] нанопорошке алюминия содержание металлического алюминия составляло 88 масс. %, содержание оксидов и гидрооксидов ~ 6 масс. %, общее содержание ад- и абсорбированных газов составляло ~ 6 масс. %. При этом содержание металлических примесей (железо, марганец, медь) не превышает 0,3 масс. %. Насыпная плотность исследуемого образца нанопорошка алюминия равна 0,2 г/см3. Пассивированный нанопорошок алюминия, полученный с помощью электрического взрыва проводников в аргоне, не пирофорен, но при нагревании взаимодействует практически со всеми известными веществами [7-9]. На рис. 1, а представлена микрофотография нанопорошка алюминия, согласно которой нанопорошок алюминия представляет собой совокупность сферических частиц. При исследовании нанопорошка алюминия методом рентгенофазового анализа (дифракто-метр Shimadzu XRD 7000, излучение CuKa, база данных PDF4+) примеси других металлов не были обнаружены или их содержание составляло менее 1 масс. % (рис. 1, б). Для облучения нанопорошка алюминия использовали поток ускоренных электронов с кинетической энергией до 360 кэВ, который генерировали с использованием импульсного электронного ускорителя АСТРА-М, разработанного в Томском политехническом университете [10-12]. На рис. 2 представлена схема проведения эксперимента по облучению нанопорошка алюминия. а б Рис. 1. Микрофотография (а) и фазовый анализ (б) исходного нанопорошка алюминия 100 mm Рис. 2. Схема проведения эксперимента: 1 - выпускное окно ускорителя электронов; 2 - экспериментальный стол; 3 - дозиметрическая пленка; 4 - образец Образец 4 располагали на экспериментальном столе 2 на расстоянии 100 мм от плоскости выпускного окна ускорителя 1. Для заданного расстояния с помощью дозиметрической пленки было установлено, что неоднородность распределения поглощенной дозы по сечению не превышает 5% для диаметра 100 мм по оси выпускного окна за 10 импульсов тока электронного пучка. Для проведения экспериментов нанопорошок алюминия (100 мг) помещали в конверт из алюминиевой фольги с линейными размерами 5^3 см и толщиной 10 мкм. Экспозиционную дозу регулировали количеством импульсов электронного пучка. Частота следования импульсов составляла 1 Гц. Температуру поверхности образца контролировали с использованием тепловизора Fluke TiR10. При облучении образца его температура не превышала 40°С. Используя результаты оценки поглощенной дозы, с помощью диагностического оборудования ускорителя была произведена оценка скорости набора поглощенной дозы в пробе порошка за 1 импульс электронного пучка. Длительность импульса мощности электронного пучка, инжектированного в атмосферу, составляла ~100 нс. С помощью калориметрического способа установлено, что за 50 импульсов электронного пучка в образце выделяется ~3,5 Дж, что соответствует поглощенной дозе ~13 кГр. Учитывая соотношение массовых толщин конверта и помещенной в него пробы порошка, поглощенная доза в пробе составляла порядка 35% от поглощенной дозы образца. Таким образом, поглощенная нанопорошком алюминия доза после 50 импульсов составила ~4,5 кГр. Величину запасенной энергии в нанопорошке алюминия определяли с помощью метода дифференциального термического анализа (ДТА) [5] в Научно-аналитическом центре Томского политехнического университета (термоанализатор STD Q600) по изменению величины экзотермического эффекта при нагревании нанопорошка алюминия в воздухе. 706.4-С 703.2°С 4554J/C] 2.696°C-min/mg' 800 1000 8.1- 15 4.» 200 400 I 600 Temperature (°С) а 800 1000 -10 200 Рис. 3. Термограммы нанопорошка алюминия до (а) и после (б) облучения дозой 54,0 кГр Результаты экспериментов Окисление нанопорошка алюминия в воздухе при нагревании протекало в несколько стадий с образованием оксида и нитрида алюминия в конечных продуктах [8, 13]. Окисление нанопорошка алюминия на первой стадии сопровождалось экзотермическим эффектом сгорания накопленного водорода на поверхности наночастицы [5]. В процессе выгорания водорода происходило накопление y-Al2O3, который с внутренней поверхности взаимодействовал с алюминием, образуя газообразный Al2O, что приводило к росту скорости окисления и тепловыделения. Затем происходило расплавление алюминия внутри наночастиц, что сопровождалось эндоэффектом [14]. На рис. 3 представлены термограммы нанопорошка алюминия до и после облучения при поглощенной дозе 54,0 кГр. Зависимость массы от температуры обозначена цифрой 1, тепловой эффект - 2, тепловой поток - 3. В таблице приведены данные ДТА по изменению тепловых эффектов образцов нанопорошка алюминия в зависимости от поглощенной дозы. Измерение эндоэффекта плавления алюминия показало (таблица), что с увеличением дозы облучения величина теплового эффекта в целом возрастает. Степень окисленности облученного нанопорошка алюминия при нагревании в воздухе в целом возрастает с увеличением дозы облучения (таблица). Учитывая большую степень окисленности образца на 1,9% и меньший тепловой эффект, увеличение дозы облучения с 45,0 до 54,0 кГр не приводит к повышению запасенной энергии. Степень окисленности облученного нанопорошка алюминия при нагревании в воздухе № п/п Поглощенная доза, кГр Тепловой эффект 1, Дж/г Тепловой эффект 2, Дж/г Эндоэффект, Дж/г Степень окис-ленности, % Температура начала окисления, °С 1 0 3 549 3 201 60,29 53,7 445 2 1,8 3 791 3 874 83,48 49,4 415 3 3,6 3 968 3 991 71,47 56,2 440 4 10,8 4 001 4 330 95,48 51,4 425 5 18,0 4 138 4 334 85,00 53,8 420 6 27,0 4 231 4 183 101,10 52,7 410 7 45,0 4 608 4 718 98,56 57,4 415 8 54,0 4 653 4 554 105,7 58,3 420 Примечание. Экзотермический эффект первой стадии окисления - тепловой эффект 1, экзотермический эффект второй стадии окисления - тепловой эффект 2, эндотермический эффект при плавлении - эндоэффект, прирост массы после двух стадий окисления - степень окисленности, температура начала окисления. При поглощенной дозе 45,0 кГр тепловой эффект являлся максимальным (9 326 Дж/г). Дальнейшее увеличение поглощенной дозы привело к уменьшению теплового эффекта на 119 Дж/г. Заключение Установлено, что температура начала окисления находится в интервале от 410 до 460°С и не зависит от дозы облучения. Степень окисленности изменялась от 44,4 до 58,3%; ее зависимость от дозы облучения не установлена. Выделение тепловой энергии происходило в две стадии: на первой стадии (до ~660°С) наблюдался в целом рост теплового эффекта; на второй стадии окисления нанопорошка алюминия после его облучения также наблюдался рост теплового эффекта. Максимальный тепловой эффект, достигнутый при облучении (поглощенная доза 45,0 кГр), на 2 576 Дж/г превышает тепловой эффект для необлученного нанопорошка алюминия, что в 6 раз превышает стандартную теплоту плавления алюминия (400 Дж/г) [15]. Таким образом, облучение нанопорошка алюминия потоком ускоренных электронов с энергией до 360 кэВ приводит к увеличению запасенной в нанопорошке энергии и может быть использовано для улучшения термохимических параметров нанопорошка алюминия.

Ключевые слова

нанопорошок алюминия, электронный пучок, запасенная энергия, спекающие добавки, нанопорошок, порошковые материалы, aluminum nanopowder, electron beam, stored energy, sintering aids, nanopowder, powder materials

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 № 1 Института физики высоких технологийgenchem@mail.ru
Захарова Маргарита АнатольевнаТомский политехнический университетмагистрант кафедры общей физикиtibiboreth@gmail.com
Всего: 4

Ссылки

Korshunov A. V. Influence of dispersion aluminum powders on the regularities of their in teraction with nitrogen // Russ. J. Phis. Chem. 2011. № 85. Р. 1202-1210.
Хауффе К. Реакции в твердых телах и на их поверхности : пер. с нем. М. : ИЛ, 1962. Ч. 1. 416 с.
Hunt W.H. New directions in aluminum-based P/M materials for automotive applications // Inter J. Powd. Metal. 2000. № 36. Р. 50-56.
Beaumont F.V. Aluminum P/M: Past, present and future // Inter. J. Powd. Metal. 2000. № 6. Р. 41-44.
Ильин А.П., Роот Л.О., Мостовщиков А.В. Повышение запасенной энергии в нанопорошках металлов // Журнал технической физики. 2012. Т. 82, вып. 8. С. 140-142.
Gromov A.A., Teipel U. Metal Nanopowders: Production, Characterization, and Energetic Applications. Weinheim : Wiley-VCH, 2014.
Лидоренко Н.С., Сидякин А.В. О возможности возникновения теплового взрыва в тонких металлических порошках // ДАН СССР. 1972. Т. 202, № 3. С. 566-569.
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.
Gromov A.A., Chukhlomina L.N. Nitride Ceramics: Combustion Synthesis, Properties and Applications. Weinheim : Wiley-VCH, 2014.
Egorov I., Esipov V., Remnev G. [et al.] A high-repetition rate pulsed electron accelerator // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2013. № 20. Р. 1334-1339.
Egorov I.S., Kaikanov M.I., Lukonin E.I. [et al.] The Astra repetitive-pulse electron accelerator // Instruments and Experimental Techniques. 2013. № 56. Р. 568-570.
Egorov I.S., Esipov V.S., Lukonin E.I. [et al.] A self-triggering system for a cold-cathode thyratron in a pulse voltage generator // Instruments and Experimental Techniques. 2014. № 58. Р. 64-66.
Ильин А.П., Мостовщиков А.В., Роот Л.О. Рост монокристаллов нитрида алюминия в условиях теплового взрыва // Письма в Журнал технической физики. 2011. Т. 37, вып. 20. С. 49-53.
Korshunov A. V., Il'in A.P., Radishevskaya N.I., Morozova T.P. The kinetics of oxidation of aluminum electroexplosive nanopowders during heating in air // Russ. J. Phys. Chem. 2010. Vol. 84. Р. 1576-1584.
Cox J.D., Wagman D.D., Medvedev V.A. CODATA Key Values for Thermodynamics. N.Y. : Hemisphere Publishing Corp., 1989.
 Изменение термохимических параметров нанопорошка алюминия после облучения потоком ускоренных электронов | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2015. № 2.

Изменение термохимических параметров нанопорошка алюминия после облучения потоком ускоренных электронов | Вестн. Том. гос. ун-та. Химия. 2015. № 2.