СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ДИСПЕРСНОМ СОСТОЯНИИ С КЛАСТЕРНОЙ СТРУКТУРОЙ ЧАСТИЦ Российский патент 1994 года по МПК B01J3/08 B22F9/02 C01B31/02 

Изобретение относится к способам получения материалов в дисперсном состоянии с использованием энергии взрыва и касается способа получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц.

Известен способ получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц, в частности способ получения металлических порошков путем взрывного испарения металла [1]. Этот способ заключается в том, что между двумя электродами, один из которых изготовлен из металла, который требуется получить в виде порошка, поджигают короткую электрическую дугу. В межэлектродный зазор подают с помощью форсунок два встречных потока диспергированной охлаждающей жидкости, распыляемой до частиц размерами от 0,5 до 2,0 мкм. Под действием короткой дуги происходит непрерывное локальное взрывное испарение металла, который, охлаждаясь диспергированной жидкостью, конденсируется, образуя ультрадисперсный металлический порошок с частицами, размеры которых составляют менее 0,5 мкм. Частицы порошка образованы структурными фрагментами, размеры которых лежат в пределах от 2 до 10 нм, т. е. имеют кластерную структуру. При образовании конденсированных частиц жидкость используется лишь для их охлаждения. В межэлектродном промежутке она испаряется без остатка, в результате получается диспергированный металл в виде сухого порошка.

Известен способ получения тонкодисперсных порошков металлов методом электровзрыва проводников при воздействии на них мощным импульсом тока от высоковольтного источника с напряжением от 20 до 50 кВ [2], позволяющий повысить выход аморфной (метастабильной) фазы металла.

В этом способе в камеру для взрыва тангенциально впрыскивается струя охлаждающей жидкости, образующая на стенках камеры спиральный поток. После разряда конденсатора продукты взрыва проводника конденсируются, образуя металлический порошок, частицы которого попадают в поток жидкости, где охлаждаются со скоростью около 10⁵ К/с и, смешиваясь с жидкостью, выводятся из камеры в приемник. В приемнике полученная смесь накапливается в виде пасты, представляющей собой увлажненный порошок металла, который затем высушивают или подготавливают для шликерного литья. Формирование частиц порошка происходит при избыточном давлении, также в газовой среде, обуславливающей стабилизацию структурных фрагментов порошка достаточно прочными связями типа металл-металл.

Известен способ получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц, в частности способ получения ультрадисперсного алмаза [3], при котором для повышения скорости охлаждения продуктов взрыва при их конденсации использовали охлаждающую жидкость в таком количестве, чтобы ее теплоемкость в объеме камеры была больше тепловыделения при взрыве разряда заданной массы и состава.

Известен углеродсодержащий материал в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц, полученный из углерода конденсированного взрывчатого вещества подрывом его в газовых средах, неагрессивных к углероду [4]. Полученный углеродсодержащий материал содержит примерно в равных долях алмазную модификацию углерода и ультрадисперсный углерод.

Известен также способ получения ультрадисперсного алмаза из углерода продуктов детонации заряда взрывчатого вещества [5], при котором взрыв происходит в газожидкостной среде, а именно в пене.

Использование пены на порядок увеличивает теплоемкость среды, в которой происходит формирование структуры частиц получаемого материала в процессе их конденсации по сравнению с теплоемкостью газовой среды. С ростом теплоемкости среды за счет более интенсивного охлаждения продуктов взрыва увеличивается выход алмазной модификации углерода по сравнению с выходом алмазной модификации при взрыве в газовой среде. При этом пена способствует лишь сохранению алмазной модификации углерода и практически не влияет на процесс формирования частиц.

Формирование алмазной модификации углерода происходит по существу в газовой среде газообразных продуктов детонации, поскольку в падающей ударной волне граница раздела продуктов детонации и охлаждающей среды (пены) остается сплошной и все количество жидкости используется лишь для охлаждения частиц получаемого материала при их конденсации.

В основу изобретения поставлена задача разработать способ получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц с такими условиями формирования метастабильной кластерной структуры частиц, которые уменьшили бы размеры структурных фрагментов частиц получаемого материала и за счет повышения поверхностной энергии частиц увеличили бы активность и реакционную способность получаемого материала и одновременно обеспечили бы консервацию этих структурных фрагментов такими связями, которые сохранили бы устойчивость кластерной структуры частиц полученного материала при нормальных условиях окружающей среды.

Это достигается тем, что в способе получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц, заключающемся в том, что берут порцию исходного материала заданной массы и состава, в котором содержатся химические элементы периодической системы, образующие получаемый материал, взрывают в камере, создавая давление с амплитудой ударной волны по меньшей мере 3 ГПа, в присутствии диспергированной жидкости, с последующей конденсацией продуктов взрыва и образованием частиц получаемого материала и паров жидкости, согласно изобретению используют жидкость в диспергированном состоянии с частицами, размеры которых составляют не менее 0,5 мм, и в количестве, необходимом для образования с частицами получаемого материала дисперсной системы, в которой жидкость, являющаяся дисперсионной средой, обеспечивает консервацию кластерной структуры частиц получаемого материала, и после конденсации из образовавшейся смеси жидкости и частиц получаемого материала отделяют часть жидкости в количестве, обеспечивающем образование с оставшейся частью жидкости структурированной дисперсной системы с вязкостью, по меньшей мере в десять раз превышающей вязкость жидкости.

Можно жидкость диспергировать путем ее подачи в камеру в виде струй или капель, можно также жидкость, предварительно залитую в камеру, диспергировать путем продувки струями газа или пара.

Желательно при диспергировании жидкости путем ее подачи в камеру в виде струй или капель устанавливать ее концентрацию в объеме камеры от 2,5 до 80 кг/см³.

Желательно также при диспергировании жидкости путем продувки струями газа или пара устанавливать ее концентрацию в объеме камеры от 200 до 600 кг/см³.

Целесообразно при взрыве заряда конденсированного взрывчатого вещества, входящего в состав исходного материала, устанавливать диаметр струй или капель от 3 до 20 мм.

Эффективно при электровзрыве проволоки из материала, входящего в состав исходного материала, устанавливать диаметр струй или капель от 0,5 до 3 мм.

Эффективно также при взрыве заряда конденсированного взрывчатого вещества, входящего в состав исходного материала, устанавливать диаметр струй или пара в диспергированной жидкости от 3 до 70 мм.

Желательно при диспергировании жидкости путем ее подачи в камеру в виде струй или капель жидкость в диспергированном состоянии использовать в количестве от 10 до 100 М, где М - масса заряда конденсированного взрывчатого вещества.

Желательно также при диспергировании жидкости путем ее подачи в виде струй или капель жидкость в диспергированном состоянии использовать в количестве от 50 до 500 М, где М - масса проволоки.

Эффективно также при диспергировании жидкости путем ее продувки струями газа или пара жидкость в диспергированном состоянии использовать в количестве от 500 до 1500 М, где М - масса конденсированного взрывчатого вещества.

Выгодно в качестве жидкости, обеспечивающей консервацию кластерной структуры, использовать дистиллированную воду, спирты, водные растворы спиртов или жидкие углеводороды и их смеси с водой.

Предлагаемый способ дает возможность получить дисперсную систему, в которой дисперсной фазой является получаемый материал, а дисперсионной средой - жидкость, обеспечивающая охлаждение и консервацию продуктов взрыва при их конденсации в процессе образования частиц получаемого материала. При увеличении содержания дисперсной фазы более К_кр, которое в зависимости от жидкости, используемой в качестве дисперсной среды может быть от 1 до 15 мас. % , дисперсная система превращается в структурированную дисперсную систему, вязкость которой не менее чем на порядок превышает вязкость жидкости, служащей дисперсионной средой. При увеличении содержания дисперсной фазы в суспензии более 25 мас.% вязкость структурированной дисперсной системы увеличивается на 2-5 порядков, что свидетельствует о наличии достаточно сильного взаимодействия между жидкостью и получаемым материалом, которое характеризует высокую активность и реакционную способность частиц получаемого материала, имеющих кластерную структуру, связанную с повышением поверхностной энергии частиц.

Предлагаемый способ дает возможность получить твердые материалы в дисперсном состоянии с кластерной (метастабильной) структурой частиц, характеризующиеся высокой химической и диффузионной активностью при температурах, превышающих температуру кипения жидкости.

Это достигается за счет того, что формирование метастабильной структуры частиц материала происходит в среде диспергированной жидкости, количество которой и степень диспергирования выбраны такими, что обеспечивается не только охлаждение продуктов детонации со скоростями от 10⁸ до 10¹¹ К/с, но и консервация кластерной структуры получаемого материала в процессе образования частиц этого материала за счет их взаимодействия с молекулами жидкости.

При нормальных условиях эта связь достаточно прочна и обеспечивает устойчивость полученной структурированной дисперсной системы в пределах устойчивости фазового состояния жидкости, т. е. в диапазоне температур от температуры кристаллизации до температуры кипения жидкости.

Но для того, чтобы эти связи разрушить необходимо лишь удалить дисперсионную среду, что достаточно легко осуществить, например, путем нагрева. Это в значительной мере определяет высокую химическую активность и реакционную способность полученного материала при температурах, превышающих температуру кипения жидкости, что позволяет расширить области применения получаемых материалов, имеющих кластерную структуру.

Предлагаемым способом получают материалы с более пористой структурой, ослабляющей связи между структурными фрагментами.

При получении предлагаемым способом углеродного материала из углерода взрывчатого вещества, т. е. при использовании в качестве исходного материала конденсированного взрывчатого вещества, выход получаемого материала, а именно алмазоподобной модификации углерода, составляет не ниже 80% от массы углерода взрывчатого вещества, выделяющегося в свободном состоянии.

На фиг. 1 изображена предлагаемая установка для получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц путем взрыва заряда взрывчатого вещества с диспергированием жидкости для охлаждения и консервации получаемого материала путем ее подачи в виде струй или капель; на фиг. 2 - то же, с диспергированием жидкости для охлаждения и консервации получаемого материала путем ее продувки струями газа или пара; на фиг. 3 - установка для получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц путем электровзрыва, в которой подачу жидкости для охлаждения и консервации полученного материала осуществляют в виде струй или капель.

Предлагаемый способ получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц с использованием энергии взрыва заключается в следующем. Порцию исходного материала заданной массы и состава, в котором содержатся химические элементы, образующие получаемый материал, размещают в камере для взрыва. Затем исходный материал окружают жидкостью в диспергированном состоянии с частицами, размеры которых составляют не менее 0,5 мм. Используют жидкость в диспергированном состоянии в таком количестве, чтобы ее теплоемкость была больше тепловыделения при взрыве на величину, необходимую для образования с частицами получаемого материала дисперсной системы, в которой жидкость, являющаяся дисперсионной средой, обеспечивает консервацию кластерной структуры частиц получаемого материала. Это количество жидкости определяют заранее. После окружения диспергированной жидкостью исходный материал взрывают в камере, создавая избыточное давление с амплитудой ударной волны по меньшей мере 3 ГПа. После конденсации паров жидкости и частиц получаемого материала получают их смесь. Затем из этой смеси отделяют часть жидкости до получения этой смеси в виде структурированной дисперсной системы, вязкость которой по меньшей мере в десять раз превышает вязкость жидкости.

Предварительно выбирают способ диспергирования исходного материала: с использованием энергии электровзрыва или с использованием энергии заряда взрывчатого вещества.

Для получения структурированных суспензий, содержащих чистые металлы, такие как медь, серебро, алюминий, железо, никель, кобальт, титан, молибден, вольфрам, а также оксиды, нитриды, карбиды металлов, чаще используют электровзрыв металлической проволоки при воздействии на нее мощным импульсом тока от высоковольтного источника напряжения от 20 до 50 кВ. Исходный материал берут в виде проволочки толщиной от 0,3 до 1 мм, изготовленной из металла, входящего в состав получаемого материала. Наряду с этим для получения оксидов, нитридов, карбидов металлов используют реакционноспособные газы, такие как кислород, азот, метан, заполняя ими камеру для взрыва. Применяют также комбинированные проводники, например, с оболочкой из полиэтилена, что позволяет получать карбиды металлов, металлы, интеркалированные атомами углерода, и алмазосодержащие композиты. При получении интерметаллидов исходный материал берут в виде скрученных проволочек, толщиной от 0,1 до 0,7 мм, изготовленных из металлов, входящих в состав получаемого интерметаллида. Амплитуда давления на фронте ударной волны при электровзрыве обычно превышает 10 ГПа, а температура в плазменном шнуре достигает 50000^оС.

Для получения углеродных материалов, в частности мелкодисперсных алмазных порошков, используют энергию взрыва конденсированных взрывчатых веществ, разлагающихся с выделением свободного углерода. Т. е. для получения углеродного материала в дисперсном состоянии исходным материалом является взрывчатое вещество. В основном используют твердые гетерогенные конденсированные - взрывчатые вещества: смеси тринитротолуола с гексогеном и октогеном. Заряды конденсированных взрывчатых веществ изготавливают обычно литьем или прессованием в форме цилиндра диаметром от 30 до 100 мм массой от 0,2 до 50 кг.

Берут взрывчатое вещество такого состава, чтобы при его взрывчатом превращении создавалось избыточное давление с амплитудой ударной волны по меньшей мере 3 ГПа. Для каждого получаемого материала используют взрывчатое вещество, обеспечивающее необходимую амплитуду давления и температуру, которые определяют расчетным путем и уточняют экспериментально. При взрывчатом превращении должна создаваться достаточно высокая концентрация энергии, характеризуемая амплитудой давления и температурой, необходимая для формирования кластерной (метастабильной) структуры частиц получаемого материала. Например, для получения алмаза избыточное давление во фронте ударной волны должно составлять не менее 18 ГПа при температуре не ниже 3500 К. Такие условия обеспечиваются, в частности, при использовании смеси тротил/гексоген в соотношении 50/50 мас.%.

В состав заряда взрывчатого вещества могут быть добавлены один или несколько металлов в порошкообразном состоянии, таких как алюминий, никель, титан, цирконий,железо, медь, а также неметаллы, например бор, борная кислота, соединения металлов, например ферроцен, стеарат меди, азотнокислое серебро, карбонат кобальта. Количество таких добавок может быть до 30% от массы заряда взрывчатого вещества. Эти добавки позволяют получить оксиды, нитриды, карбиды металлов и их смеси с металлами. При добавлении в состав заряда взрывчатого вещества различных металлов, солей, металлоорганических соединений в различных сочетаниях и количествах можно получать также различные композиционные материалы и соединения.

Затем определяют количество жидкости, которое необходимо для охлаждения продуктов взрыва при их конденсации в процессе образования частиц получаемого материала, имеющих кластерную структуру, и которое обеспечило бы консервацию кластерной структуры получаемого материала. При этом сначала определяют количество М₁ жидкости, необходимое для охлаждения продуктов взрыва. Оно зависит от выделяемой при взрыве тепловой энергии и определяется из условия полного поглощения тепловой энергии, выделяемой при взрыве. При этом средняя температура жидкости после конденсации должна быть меньше температуры ее кипения.

Таким образом М₁ находят из соотношения:
М₁/M = Q/c(k₁t₁ - t₀), где М ₁ - масса охлаждающей жидкости, кг;
М - масса взрываемого исходного материала, кг;
Q - теплота, выделяемая при взрыве 1 кг материала, Дж/кг;
с - теплоемкость жидкости, Дж/кг;
t₀ - начальная температура жидкости, ^оС;
t₁ - температура кипения жидкости ^оС;
k₁ - коэффициент, равный 0,8-0,9.

Минимальное количество М₂ жидкости, необходимое для консервации кластерной структуры получаемого материала, зависит от массы, состава и структуры получаемого материала и выбирается из соотношения:
М₂ = М ˙k₂/k₃, где М - масса исходного материала, кг,
k₂ - коэффициент выхода получаемого материала в кластерном состоянии при взрыве 1 кг исходного материала, равный: для электровзрыва k₂ = 0,8-1; для конденсированных взрывчатых веществ: k₂ = =0,05-0,5;
k₃ - коэффициент допустимой концентрации дисперсной фазы в жидкости.

При диспергировании жидкости путем ее подачи в камеру в виде струй или капель с использованием конденсированных взрывчатых веществ, при условии, что соотношение k₂/k₃ лежит в пределах от 10 до 100, k₃ = 1˙10^-3-5˙10^-3.

При диспергировании жидкости путем продувки струями газа или пара с использованием конденсированных взрывчатых веществ при условии, что соотношение k₂/k₃ лежит в пределах от 500 до 1500, k₃ = =1˙10^-4-3 ˙10^-5.

Для электровзрыва с использованием диспергированной жидкости в виде струй или капель при условии, что соотношение k₂/k₃ лежит в пределах от 50 до 500, k₃ = 2˙10^-2-1,6˙10^-3.

Общее количество жидкости зависит также от способа, которым взрывают исходный материал, а также от способа и степени диспергирования жидкости и ее теплофизических характеристик. Это количество жидкости определяется из приведенных соотношений, выбирается наибольшее значение из М₁ и М₂ и затем уточняется экспериментально.

В качестве охлаждающей и консервирующей жидкости чаще всего используют дистиллированную воду, спирты (этанол, диэтиленгликоль, глицерин), водные растворы спиртов и органических веществ, например полиэтиленоксида, а также жидкие углеводороды, например гептан, керосин, масло и их водные эмульсии.

При взрывах конденсированных зарядов взрывчатого вещества при диспергировании жидкости путем ее подачи в виде струй или капель диаметром от 3 до 20 мм, жидкость, находящуюся перед взрывом в диспергированном состоянии, используют в количестве от 10 до 100 М, где М - масса заряда взрывчатого вещества, т. е. исходного материала.

Причем 10 М - это минимальное количество жидкости, используемой для охлаждения и консервации кластерной структуры получаемого материала, имеющей теплоемкость, близкую к теплоемкости воды, которая используется при взрыве низкокалорийных взрывчатых веществ, удельная теплота (Q) взрывчатого превращения которых не превышает 2,9˙10³ кДж/кг.

100 М - это количество жидкости, используемой для охлаждения и консервации кластерной структуры получаемого материала, имеющей теплоемкость, близкую к теплоемкости керосина, которая используется при взрыве высококалорийных взрывчатых веществ, удельная теплота (Q) взрывчатого превращения которых достигает 8,4˙10³ кДж/кг.

Размеры струй выбираются в зависимости от диаметра заряда взрывчатого вещества или диаметра взрываемой проволочки, а также с учетом вязкости жидкости, используемой для охлаждения и консервации частиц получаемого материала.

При диаметре заряда от 30 до 70 мм для низкокалорийных взрывчатых веществ (при Q от 2,9 ˙10³ до 4,2˙ 10³ кДж/кг) принимают диаметр струй от 3 до 7 мм, для высококалорийных взрывчатых веществ (при Q от 4,2 до 8,4 кДж/кг) - от 5 до 10 мм.

При диаметре заряда от 70 до 100 мм для низкокалорийных взрывчатых веществ принимают диаметр струй от 7 до 15 мм, для высококалорийных взрывчатых веществ - от 10 до 20 мм.

При диспергировании жидкости посредством ее продувки струями пара или газа с диаметром газовых струй в структуре диспергированной жидкости от 3 до 70 мм жидкость используют в количестве от 500 до 1500 М, где М - масса заряда взрывчатого вещества, т. е. масса исходного материала.

Поперечные размеры вертикальных струй газа или пара формируют в пределах от 3 до 50 мм при использовании зарядов диаметром от 30 до 70 мм, а при использовании зарядов диаметром от 70 до 100 мм размеры струй формируют в пределах от 5 до 70 мм.

Такое большое количество жидкости выбирают также для того, чтобы повысить производительность процесса. При этом проводят серию взрывов (до пятисот) последовательно один за другим и доводят таким образом концентрацию дисперсной фазы, т. е. получаемого материала с кластерной структурой частиц, в дисперсной системе до заданного значения в пределах от 1 до 5% от массы жидкости.

При количестве диспергированный жидкости менее 500 М снижается качество получаемого материала и падает производительность процесса, при количестве жидкости более 1500 М установка становится чересчур громоздкой.

При электровзрыве, когда жидкость подают в виде струй или капель диаметром от 0,5 до 3 мм в зависимости от диаметра и сопротивления проволочки, используют жидкость в диспергированном состоянии в количестве от 50 до 500 М, где М - масса проволочки из металла, являющегося исходным материалом или входящего в состав исходного материала.

При количестве жидкости менее 50 М не обеспечивается надежная консервация частиц с кластерной структурой, образующихся при конденсации плазмы, а при количестве жидкости более 500 М избыточная часть ее расходуется вхолостую, вызывая усложнения в работе установки.

Взрыв исходного материала осуществляют в камере, представляющей собой цилиндрическую емкость с крышкой, которая в закрытом состоянии герметизирует емкость. Объем камеры должен выбираться с учетом условий диспергирования жидкости, т. е. объем камеры должен быть не менее объема жидкости в диспергированном состоянии. Причем при подаче диспергированной жидкости в виде струй или капель устанавливают концентрацию жидкости в объеме камеры от 2,5 до 80 кг/м³.

При диспергировании жидкости посредством продувки струями пара или газа устанавливают концентрацию жидкости в объеме камеры от 200 до 600 кг/м³.

Часто перед размещением исходного материала в камере ее заполняют газом, в качестве которого используют, например азот или аргон. Для получения особо чистых материалов перед взрывом из камеры откачивают газ и поддерживают вакуум до 1˙10³ Па.

Такое количество жидкости, подводимой в камеру для взрыва в диспергированном виде, создает особые условия для образования кластерной структуры частиц получаемого материала после взрыва заряда взрывчатого вещества или после электровзрыва проволочки. Подача жидкости в диспергированном виде обеспечивает охлаждение продуктов взрыва при их конденсации со скоростью от 10⁸ до 10¹¹ К/с за счет интенсивного перемешивания продуктов взрыва с парами и капельками жидкости, распыляемой при взрыве до аэрозоля и консервацию образующихся частиц получаемого материала за счет их взаимодействия с молекулами жидкости.

Такая высокая скорость охлаждения продуктов взрыва при их конденсации приводит к уменьшению размеров структурных фрагментов, образующих дисперсные частицы получаемого материала, и к получению метастабильных структур получаемого материала. При этом то, что взаимодействие с жидкостью образующихся частиц происходит непосредственно в процессе их формирования, создает условия, препятствующие коагуляции или сращиванию частиц друг с другом. Т. е. по существу охлаждающая жидкость обеспечивает консервацию кластеров, которые обладают, как известно, очень высокой активностью. Кроме того, перемешивание продуктов взрыва с капельками жидкости и пара в процессе их концентрации позволяет получить более однородные по дисперсности кластеры.

Перемешивание продуктов детонации и жидкости происходит непосредственно за фронтом падающей ударной волны, распространяющейся от центра взрыва к периферии, т.е. к стенкам камеры. При соприкосновении фронта ударной волны с диспергированной жидкостью наряду с мощным парообразованием и распылением жидкости происходит интенсивное перемешивание жидкости с продуктами детонации, их быстрое охлаждение и конденсация продуктов взрыва и паров жидкости с образованием частиц получаемого материала, имеющих кластерную структуру. После конденсации продуктов взрыва температура получаемой смеси в камере не превышает температуру кипения жидкости.

После взрыва получают смесь сконденсированных паров и осажденных капелек жидкости, с частицами получаемого материала и из этой смеси отделяют часть жидкости в таком количестве, чтобы оставшаяся в смеси часть жидкости образовала с частицами получаемого материала структурированную дисперсную систему, что обеспечивает консервацию кластерной структуры получаемого материала. Выделение этой части жидкости можно осуществлять любым известным способом с помощью отстаивания, выделения жидкости в центрифугах или путем термовакуумной отгонки. Путем отстаивания получаются структурированные дисперсные системы с содержанием дисперсной фазы, т. е. получаемого материала, от 1 до 15 мас.% и вязкостью от 0,1 до 6,7 Па ˙с.

При использовании центрифуги или способа термовакуумной отгонки для выделения жидкости получают более вязкие дисперсные системы с вязкостью от нескольких десятков до 3,8˙10⁴ Па˙ с с содержанием дисперсной фазы от 25 до 55 мас.%.

При получении материала в камерах объемом до 2 м³, при взрыве одной порции исходного материала, а именно заряда взрывчатого вещества, получают от 0,2 до 1 кг материала.

Поэтому целесообразно для повышения производительности за один технологический цикл взрывать более одной порции исходного материала. Например, при взрывах заряда взрывчатого вещества из смеси тротила и гексогена в соотношении 40/60 мас.%, массой 0,5 кг в камере объемом 0,6 м³ взрывают последовательно до ста порций исходного материала. При этом в качестве охлаждающей и консервирующей жидкости при последующих взрывах применяют смесь жидкости и материала в дисперсном состоянии, полученного при предыдущих взрывах. При концентрациях дисперсной фазы в жидкости, составляющих от 1 до 5 мас. %, не происходит снижения качества, т.е. увеличения размеров частиц получаемого материала. Таким образом, в качестве охлаждающей жидкости используют смесь жидкости и получаемого материала в дисперсном состоянии с содержанием дисперсной фазы не более 5 мас.%. После взрывов всех порций исходного материала по завершении технологического цикла из камеры выгружают полученную смесь и выделяют из нее структуpированную дисперсную систему.

Предлагаемый способ получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц путем взрыва в камере заряда конденсированного взрывчатого вещества при подаче диспергированной жидкости в виде струй или капель осуществляют с помощью установки, изображенной на фиг. 1.

Эта установка содержит камеру 1 (фиг. 1) для взрыва, представляющую собой цилиндрическую толстостенную емкость с крышкой 2, обеспечивающей в закрытом положении герметичность камеры. В крышке 2 выполнено отверстие 3, предназначенное для ввода заряда 4 взрывчатого вещества. Для перекрывания отверстия 3 имеется заглушка 5, установленная на крышке 2. Заряд 4 взрывчатого вещества с детонатором 6 подвешен на одном конце тросика 7, другим концом закрепленного на заглушке 5. В верхней части камеры расположена распределительная решетка 8, установленная с зазором, образующим между крышкой и решеткой полость 9 для нагнетания жидкости. В распределительной решетке 8 имеется множество отверстий 10, предназначенных для диспергирования жидкости путем ее подачи в камеру 1 в виде струй или капель. Диаметр этих отверстий 10 и их расположение в распределительной решетке обеспечивают требуемый характер распределения жидкости в объеме камеры.

Установка содержит также сообщенные с камерой 1 емкость 11 для жидкости, обеспечивающей охлаждение продуктов взрыва при их конденсации в процессе образования частиц получаемого материала и консервацию кластерной структуры частиц получаемого материала, и емкость 12 для приема получаемого материала. Емкость 11 имеет патрубок 13 для залива жидкости, емкость 12 - рубашку 14 охлаждения. Кроме того, в емкости 11 установлена мешалка 15, связанная с электродвигателем 16.

Установка содержит баллон 17 с азотом, находящимся под давлением, который предназначен для вытеснения жидкости из емкости 11 в камеру 1. Баллон 17 сообщен с емкостью 11 нагнетательной магистралью 18, в которой установлены регулятор 19 давления и вентиль 20.

Емкость 12 сообщена с газопроводом 21 для отвода газообразных продуктов взрыва, в котором установлен вентиль 22.

Емкость 11 сообщена с камерой 1 магистралью 23, предназначенной для нагнетания жидкости в камеру 1 и одним концом соединена с крышкой 2. В магистрали 23 установлен расходомер 24 и вентиль 25. Емкость 12 сообщена с камерой 1 магистралью 26 для отвода из камеры 1 смеси жидкости и получаемого материала и одним концом соединена с днищем емкости, образующей камеру 1 для взрыва. В магистрали 26 установлен вентиль 27. Магистраль 26 соединена также со сливной магистралью 28, в которой установлен вентиль 29.

Установка содержит также блок 30 управления расходом жидкости, поскольку расходом жидкости, подаваемой в камеру 1, задается требуемая концентрация и следовательно количество диспергированной жидкости в камере. При этом блок 30 управления расходом жидкости электрически связан с расходомером 24, регулятором 19 давления газа и вентиляторами 20, 22, 25, 27.

Технологические операции для получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц на установке, представленной на фиг. 1, выполняются в следующей последовательности.

Предварительно задают требуемый расход жидкости, устанавливая необходимую величину давления газа в емкости 11. Вентилем 27 перекрывают магистраль 26, а вентилем 29 - сливную магистраль 28.

Вентили 20 и 22 также находятся в закрытом положении, при котором они перекрывают соответственно магистраль 18 и газопровод 21. Вентиль 25 находится в положении, при котором емкость 11 сообщена с камерой 1.

Заряд 4 взрывчатого вещества размещают в камере 1. После установки заряда 4 взрывчатого вещества камеру 1 продувают азотом из баллона 17 и герметизируют. Вентиль 20 закрывают. В емкость 11 заливают жидкость. При этом количество жидкости зависит от массы и состава заряда взрывчатого вещества и должно превышать требуемое количество жидкости в диспергированном состоянии не менее чем в два раза.

Открывают вентиль 20 для нагнетания азота в емкость 11 из баллона 17. Под давлением газа жидкость вытесняется из емкости 11 и по магистрали 23 поступает в полость 9. Затем, проходя через отверстия 10 распределительной решетки 8, жидкость в виде струй или капель подается в камеру 1 и, как только она распределится по объему всей камеры 1, заряд 4 взрывчатого вещества подрывают и прекращают подачу жидкости, перекрывая вентилем 25 магистраль 23.

Затем открывают вентиль 27 для сообщения камеры 1 с емкостью 12. Открывают также вентиль 22 для отвода газообразных продуктов взрыва. Под действием избыточного давления образовавшихся в камере газообразных продуктов взрыва смесь сконденсированных паров жидкости и частиц получаемого материала поступает в емкость 12.

При достижении в емкости 12 атмосферного давления вентилем 22 перекрывают газопровод 21. Затем в камеру 1 вводят новую порцию исходного материала, т. е. новый заряд 4 взрывчатого вещества, и технологический процесс повторяют в той же последовательности.

На протяжении всего технологического цикла получения материала осуществляют непрерывную подачу хладагента в рубашку 14 охлаждения емкости 12.

Мешалкой 15 осуществляют непрерывное перемешивание жидкости в емкости 11 в том случае, если используют смесь нерастворимых одна в другой жидкостей, например смесь керосина с водой.

После завершения технологического цикла открывают вентиль 29 и через сливную магистраль 28 выгружают получаемый материал в виде дисперсной системы, образованной частицами получаемого материала и жидкостью.

Далее из полученной дисперсной системы отделяют часть жидкости для получения требуемого процентного содержания жидкости и получаемого материала. Отделение жидкости проводят путем отстаивания, в центрифуге или путем термовакуумной отгонки.

Предлагаемый способ получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц путем взрыва в камере заряда конденсированного взрывчатого вещества при диспергировании жидкости посредством продувки струями пара или газа осуществляют с помощью установки (фиг. 2), содержащей камеру 31 для взрыва, образованную цилиндрической емкостью со съемным днищем 32. В верхней стенке емкости имеется отверстие 33, предназначенное для ввода заряда 34 взрывчатого вещества.

Для перекрывания отверстия 33 в емкости имеется заглушка 35, на которой закреплен одним концом тросик 36, на котором подвешен заряд 34 взрывчатого вещества с детонатором, размещенный в средней части камеры 31. Верхняя стенка камеры 31 соединена с газопроводом 37 для отвода из камеры 31 газообразных продуктов, в котором установлен вентиль 38. В нижней части камеры 31 установлена распpеделительная решетка 39 с множеством отверстий 40 для струйной подачи пара или газа, предназначенного для диспергирования жидкости, обеспечивающей охлаждение получаемого материала и консервацию кластерной структуры частиц.

На цилиндрической стенке в верхней части емкости на высоте Н установлен датчик 41 уровня жидкости. Н - минимальный уровень, на которую поднимается жидкость при ее диспергировании, Н_о - минимальный уровень, который занимает жидкость при ее заливке в камеру 31.

Установка содержит также парогенератор 42 для получения пара из жидкости, обеспечивающей охлаждение и консервацию частиц получаемого материала, посредством которого осуществляют диспергирование этой жидкости.

Магистраль 43 установки одним концом соединена с днищем 32, а другим - со сливной магистралью 44 и с магистралью 45, сообщенной с парогенератором 42. В сливной магистрали 44 установлен вентиль 46, в магистрали 45 - манометр 47 для измерения давления пара. Магистраль 45 соединена с магистралью 48, соединенной с парогенератором 42. В магистрали 48 установлен регулятор 49 давления пара и вентиль 50. Магистраль 45 соединена также с магистралью 51, сообщенной с компрессорной установкой (на чертеже не показана), создающей избыточное давление в магистрали 51 около 0,1 МПа. В магистрали 51, соединенной с магистралями 45 и 48, установлен вентиль 52. Установка содержит блок 53 управления, который электрически связан с манометром 47, датчиком 41 уровня жидкости, регулятором 49 давления газа, вентилями 38, 50 и 52.

Технологические операции для получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц на установке, представленной на фиг. 2, выполняют в следующей последовательности.

Предварительно вентилем 46 перекрывают сливную магистраль 44, а вентилями 38, 50, 52 - соответственно газопровод 57 и магистрали 48, 51.

Камеру 31 сначала заполняют жидкостью, обеспечивающей охлаждение получаемого материала и консервацию кластерной структуры частиц не ниже уровня Н_о, характеризующего минимально необходимое количество жидкости, рассчитанное заранее.

Затем в камере 31 размещают заряд 34 взрывчатого вещества, открывают вентиль 38 и вентиль 50, при этом пар под давлением нагнетается по магистралям 48, 45 и 43 в зазор между днищем 32 и распределительной решеткой 39 и далее, проходя через отверстия 40 решетки 39, диспергирует жидкость, которая с увеличением концентрации пара начинает подниматься вверх. Избыток пара стравливается через газопровод 37. Как только верхний уровень жидкости достигает высоты Н, по сигналу датчика 41 уровня вентиль 38 закрывают и подрывают заряд 34. Через две секунды после взрыва открывают вентиль 38 и газообразные продукты взрыва отводят в систему регенерации газа до тех пор, пока давление в камере 31 не достигнет атмосферного.

Затем открывают вентили 38 и 52 для нагнетания воздуха в камеру 31 под давлением около 0,02-0,1 МПа. После перемешивания и охлаждения получаемой смеси вентиль 52 закрывают.

В том случае, если производят взрыв одного заряда 34, открывают вентиль 46 и через магистраль 43 и сливную магистраль 44 полученную смесь сливают. Если производят в технологическом процессе получения материала последовательно взрывы партии зарядов, то после закрывания вентиля 52 устанавливают в камере 31 следующий заряд 34 и все операции повторяют в указанной последовательности. После взрывов всех зарядов 34 через магистраль 43 и сливную магистраль 44 сливают полученную смесь.

Предлагаемый способ получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц с помощью электровзрыва при подаче диспергированной жидкости в виде струй или капель осуществляют с помощью установки, схематично изображенной на фиг. 3.

Эта установка содержит камеру 54 для взрыва, представляющую собой цилиндрическую емкость, изготовленную из электроизоляционного материала, например из стеклопластика.

В емкости имеется крышка 55, в которой выполнено отверстие для ввода проволоки 56, изготовленной из металла, который требуется получить в дисперсном состоянии. Для подачи проволоки 56 в камеру 54 над крышкой 55 смонтированы направляющие ролики 57, один из которых связан с электродвигателем 58, приводящим его во вращение.

В верхней части камеры 54 расположена распределительная решетка 59, установленная с зазором, образующим между крышкой 55 и решеткой 59 полость 60 для нагнетания жидкости.

В распределительной решетке 59 имеется множество отверстий 61, предназначенных для диспергирования жидкости путем ее подачи в виде струй или капель.

Распределительная решетка 59 служит также электродом для подачи напряжения на проволоку 56, под действием которого происходит ее взрыв. Решетка 59 изготовлена из электропроводного материала, в частности из металла, и контактирует с проволокой 56.

Второй электрод 62, изготовленный из металла, установлен в днище 63 емкости, образующей камеру 54.

Установка содержит также сообщенную с камерой 54 емкость 64 для отвода и приема циркуляционной жидкости, предназначенную также для сбора получаемого материала и имеющую рубашку 65 охлаждения.

Емкость 64 сообщена с камерой 54 посредством магистрали 66, которая одним концом соединена с днищем емкости 64, а другим - с электродом 62, в котором выполнено отверстие 67 для сообщения камеры 54 с магистралью 66. Магистраль 66 и емкость 64 сообщены также со сливной магистралью 68, в которой установлен вентиль 69.

Емкость 64 сообщена с камерой 54 также магистралью 70, один конец которой размещен в емкости 64, а другой соединен с крышкой 55 камеры 54. В магистрали 70 установлен насос 71 для нагнетания жидкости в камеру 54 и регулятор 72 расхода жидкости.

Установка содержит также заполненный аргоном под давлением 0,11 МПа баллон 73, сообщенный с камерой 54 газопроводом 74 , в котором установлен запорный вентиль 75.

Установка содержит силовой источник 76 питания, представляющий собой импульсный источник высокого напряжения с напряжением от 20 до 50 кВ, под действием которого происходит взрыв проволоки 56. Источник 76 питания электрически связан с проволокой 56 через двухпозиционный ключ 77 с подвижным контактом, подключенный к распределительной решетке 59, служащей электродом. При этом одна клемма 78 ключа 77 соединена с разрядным выходом 79 источника 76 питания.

Установка содержит также блок 80 управления, электрически связанный с ключом 77, с электродвигателем 58, с регулятором 72 расхода жидкости, с насосом 71 и с источником 76 питания. Один управляющий вход 81 блока 80 управления электрически связан через сопротивление 82 с разрядным выходом 79 источника 76 питания. К другому управляющему входу 83 блока 80 управления подключена другая клемма 84 ключа 77. Еще один управляющий вход 85 блока 80 управления электрически связан с регулятором 72 расхода жидкости. Выход 86 блока 80 управления электрически связан с ключом 77, выход 87 - с электродвигателем 58, выход 88 - с насосом 71.

Электрод 62, источник 76 питания и блок 80 управления заземлены.

Технологические операции для получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц на установке, представленной на фиг. 3, выполняют в следующей последовательности.

Открывают вентиль 75 и заполняют камеру 54 аргоном, вытесняющим воздух. После заполнения камеры 54 аргоном вентилем 75 перекрывают газопровод 74. Наливают охлаждающую и консервирующую жидкость в емкость 64.

Включают насос 71 для нагнетания жидкости в полость 60 камеры 54. Проходя через отверстия 61 решетки 59, жидкость подается в камеру 54 в диспергированном состоянии и распределяется по объему камеры 54 в виде струй или капель. Скопившаяся на дне камеры 54 жидкость отводится через отверстие 67 и магистраль 66 в емкость 64 и затем вновь подается насосом 71 в верхнюю часть камеры 54. Таким образом происходит циркуляция жидкости в течение всего технологического цикла получения материала. С помощью регулятора 72 расхода устанавливают требуемый расход жидкости, который поддерживается блоком 80 управления. На протяжении всего технологического цикла в рубашку 65 охлаждения емкости 64 непрерывно подают хладагент.

При непрерывной циркуляции жидкости в камеру 54 с помощью роликов 57 подают проволоку 56 до касания ее с электродом 62. Подвижный контакт ключа 77 находится в контакте с клеммой 84. При этом источник 76 питания находится в режиме зарядки.

При контакте проволоки 56 с электродом 62 на вход 83 блока 80 управления поступает сигнал, по которому блок 80 вырабатывает управляющий сигнал, поступающий с выхода 87 на электродвигатель 58, по которому последний останавливается и подача проволоки 56 в камеру 54 прекращается. Этот сигнал поступает также на выход 86.

При этом на вход 81 поступает сигнал о величине зарядного напряжения источника 76 питания. Как только эта величина достигнет требуемого значения, с выхода 86 блока 80 управления на ключ 77 поступает управляющий сигнал, по которому подвижный контакт ключа 77 перемещается в другое положение, при котором он контактирует с клеммой 78, и происходит разряд источника 76 питания.

При разряде источника 76 питания мощный импульс тока проходит по проволоке 56, вызывая ее взрыв, при котором она превращается в плазменный шнур. Продукты взрыва, взаимодействуя с диспергированной жидкостью, конденсируются в виде смеси жидкости и металла в дисперсном состоянии.

При разряде напряжение на выходе 79 источника 76 питания резко падает и на вход 81 блока 80 управления поступает сигнал, по которому он вырабатывает управляющие сигналы, поступающие с выхода 87 на электродвигатель 58 для его запуска, а с выхода 86 - на ключ 77, по которому подвижный контакт перемещается в первоначальное положение, в котором он находится в контакте с клеммой 84. Электродвигатель 58 приводит во вращение ролики 57, перемещающие проволоку 56.

Далее технологический цикл повторяется. Полученная смесь непрерывно поступает из камеры 54 по магистрали 66 в емкость 64. Количество взрывов в технологическом цикле может составлять до пяти тысяч. Производят требуемое количество взрывов, при которых концентрация получаемого материала в дисперсной системе может достигать 1-3 мас.%. После того, как произведут необходимое количество взрывов, смесь из емкости 64 сливают в отстойник (на чертеже не показан) через сливную магистраль 68. В отстойнике смесь отстаивают до получения структурированной дисперсной системы.

Для лучшего понимания предлагаемого изобретения ниже приведены конкретные примеры осуществления способа получения материалов в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц.

Во всех примерах получили структурированные дисперсные системы в виде суспензий, в которых дисперсная фаза является получаемым материалом в дисперсном состоянии с кластерной структурой частиц, а жидкая дисперсионная среда служит для консервации кластерной структуры частиц получаемого материала.

В полученных структурированных дисперсных системах определяли химический состав и концентрацию дисперсной фазы, а также измеряли их динамическую вязкость.

Определение динамической вязкости (η ) полученной суспензии осуществляли на ротационном вискозиметре типа "Rheotest-2" в режиме течения Куэтта. Измерительная система ротационного вискозиметра представляет собой два соосных цилиндра, из которых внутренний приводится во вращение. В зазор между цилиндрами помещали исследуемый материал. Термостатом поддерживались температура в измерительной системе, равная 20^оС.

Измеряли касательные напряжения сдвига ( τ) с помощью измерителя крутящих моментов тензометрического типа при малых градиентах скорости (D) суспензии в зазоре, при которых суспензия сохраняла структуру, при D = 3[с^-1].

Вычисление динамической вязкости (η ) проводили по формуле η = τ /D, где η измеряется в [Па ˙с], τ в паскалях [Па], D в [с^-1].

П р и м е р 1. Изготовили с помощью литья заряд взрывчатого вещества массой 0,52 кг в форме цилиндра диаметром 40 мм и длиной 250 мм из смеси, содержащей 40 мас.% тротила (Т) и 60 мас.% гексогена (Г), и из него получали углеродный материал в дисперсном состоянии на установке, представленной на фиг. 1. Камера 1 предлагаемой установки имела объем около 0,6 м³. В распределительной решетке 8 были выполнены 460 отверстий 10 диаметром 7 мм, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. После размещения заряда 4 в камере 1 последнюю заполняли азотом и герметизировали. Давление в камере 1 равнялось атмосферному. В емкость 11 заливали дистиллированную воду в количестве 25 кг, затем в камеру начинали подавать дистиллированную воду с расходом 15 кг/с. При этом масса воды, находящейся в камере 1 в диспергированном состоянии, составила не менее 6 кг, что в 11,5 раз превышало массу заряда 4. Концентрация диспергированной воды в объеме камеры 1 составила не менее 10 кг/м³. Через 1 с от начала подачи в камеру 1 воды заряд 4 подрывали и продолжали подавать воду еще в течение 0,5 с, при этом общее количество воды в камере 1 составило не менее 20 кг. Полученную смесь отводили из камеры 1 в емкость 12, где выдерживали в течение суток. После отстаивания смесь расслаивалась на темный студенистый осадок и осветленную жидкость, которую сливали и получали студенистый осадок в количестве около 1 кг.

После исследования определили, что осадок представляет собой структуpированную суспензию, в состав которой входит вода в количестве 94,5 мас.% и углеродный материал в количестве 5,5 мас.%. Вязкость полученной структуpированной суспензии равнялась 0,52 Па ˙с. вязкость воды при температуре 20^оС составляет 1˙10^-3 Па˙ с. Таким образом, вязкость полученной структуpированной суспензии более чем в пятьсот раз превышает вязкость воды.

П р и м е р 2. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 1 за исключением того, что использовали распределительную решетку 8, в которой были выполнены 2500 отверстий 10 диаметром 3 мм, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Получили структурированную суспензию, аналогичную описанной в примере 1.

П р и м е р 3. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 1 за исключением того, что в емкость 11 заливали дистиллированную воду в количестве 100 кг и после подрыва первого заряда 4 взрывчатого вещества в камере 1 в последнюю подавали смесь дистиллированной воды, залитой в емкость 11, и суспензии, полученной при подрыве первого заряда 1. Процесс повторяли многократно. Смесь в емкости 12 охлаждали до температуры не выше 60^оС. Произвели последовательно подрыв сорока зарядов 4. При этом полученную смесь перекачивали из емкости 12 в емкость 11 через дополнительный трубопровод (на чертеже не показан). После чего смесь отводили в емкость 12, отстаивали в течение суток и от структурированной суспензии, выпавшей в осадок, отделяли осветленную жидкость. Получили 40 кг структурированной суспензии, по существу аналогичной описанной в примере 1. Затем из полученной структурированной суспензии удалили с помощью центрифуги часть воды, повысив концентрацию дисперсной фазы до 23 мас.%. Вязкость суспензии увеличились при этом с 0,52 до 40,9 Па ˙с, что более чем на четыре порядка превышает вязкость как воды, как и смеси порошкообразных частиц углерода и воды - при их массовой концентрации в смеси, равной концентрации углеродного материала в полученной структурированной суспензии.

П р и м е р 4. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 1, за исключением того, что в качестве охлаждающей и консервирующей жидкости использовали смесь, содержащую 70 мас.% керосина и 30 мас.% дистиллированной воды. Заливали ее в емкость 11 в количестве 100 кг и перемешивали до образования эмульсии. Подавали эту эмульсию в камеру 1 с расходом 19,6 кг/с. Произвели подрыв сорока зарядов. При этом количество эмульсии, находящееся в камере 1 в диспергированном состоянии, составляло 7,2 кг при ее концентрации 12 кг/м³, что примерно в четырнадцать раз превышало массу заряда. Получили структурированную суспензию в количестве 72 кг.

После исследования полученной суспензии определили, что в ее состав входит керосин в количестве 96,9 мас.% и углеродный материал в количестве 3,1 мас.%. Вязкость полученной суспензии равнялась 0,41 Па˙с, вязкость керосина при температуре 20^оС составляет 1,9˙10^-3 Па˙с, а вязкость такой смеси с порошкообразными частицами в количестве 3,1 мас.% равна 2,2 ˙10^-3 Па ˙с. Таким образом, вязкость полученной структурированной суспензии примерно в двести раз превышает вязкость смеси порошкообразных частиц углерода и керосина при их концентрациях в смеси, равных концентрацииям углеродного материала и керосина в полученной суспензии.

П р и м е р 5. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 1 за исключением того, что в качестве охлаждающей и консервирующей жидкости использовали керосин. Заливали его в емкость 11 в количестве 100 кг, подавали керосин в камеру 1 с расходом 30 кг/с. Произвели подрыв двадцати зарядов 4. При этом количество керосина, находящегося в камере 1 в диспергированном состоянии, составляло 11,5 кг при его концентрации 19 кг/м³, что примерно в 22 раза превышало массу заряда 4. Получили структурированную суспензию в количестве 101 кг.

После исследования полученной суспензии определили, что в ее состав входит керосин в количестве 99 мас.% и углеродный материал в количестве 1 мас. %. Вязкость полученной суспензии равнялась 0,1 Па˙с, вязкость керосина при температуре 20^оС составляет 1,9˙10^-3 Па˙с, а вязкость смеси керосина с порошкообразными частицами углерода в количестве 1 мас.% равна 1,93˙10^-3 Па ˙с. Таким образом, вязкость полученной структурированной суспензии примерно в пятьдесят раз превышает вязкость смеси порошкообразных частиц углерода с керосином, при их концентрациях в смеси, равных концентрациям углеродного материала и керосина в полученной структурированной суспензии.

П р и м е р 6. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 1 за исключением того, что в качестве охлаждающей и консервирующей жидкости использовали трансформаторное масло. Заливали масло в емкость 11 в количестве 50 кг, подавали эту жидкость в камеру 1 с расходом 25 кг/с. При этом масса жидкости, находящейся в камере 1 в диспергированном состоянии, составила не менее 10 кг, что в 19 раз превышало массу заряда 4. Концентрация жидкости в объеме камеры 1 составила 16 кг/м³. Произвели подрыв сорока зарядов 4. Получили 52 кг структурированной суспензии.

После исследования полученной структурированной суспензии установили, что в ее состав входит трансформаторное масло в количестве 96 мас.% и углеродный материал в количестве 4 мас. %. Вязкость полученной суспензии равнялась 0,74 Па ˙с, что примерно в 35 раз превышает вязкость смеси трансформаторного масла с частицами порошкообразного углерода при его концентрации в смеси, равной концентрации углеродного материала в полученной суспензии.

П р и м е р 7. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 1 за исключением того, что заряд взрывчатого вещества массой 0,5 кг изготовили методом прессования в форме цилиндра диаметром 40 мм и длиной 250 мм из порошкообразной смеси, содержащей 36 мас.% тротила (Т), 54 мас.% гексогена (Г) и 10 мас.% циркония (Zr) дисперсностью от 10 до 50 мкм. В емкость 11 заливали дистиллированную воду в количестве 100 кг и начинали подавать ее в камеру 1 с расходом 25 кг/с. При этом масса воды, находящейся в камере в диспергированном состоянии, составила не менее 10 кг, что в 20 раз превышало массу заряда 4. Концентрация диспергированной воды в объеме камеры 1 составила не менее 16 кг/м³. Произвели последовательно подрыв сорока зарядов 4. Получили 45 кг структурированной суспензии, в состав которой входит вода в количестве 88,5 мас.%, диоксид циркония и алмазоподобный углерод в количестве 11,5 мас.%. Вязкость полученной суспензии равнялась 1,5 Па ˙с, что более чем на три порядка превышает вязкость как воды, так и смеси воды и порошкообразных частиц диоксида циркония при их концентрации в смеси, равной концентрации дисперсной фазы в полученной структурированной суспензии.

П р и м е р 8. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 1 за исключением того, что изготовили из смеси, содержащей 50 мас.% тротила (Т) и 50 мас.% гексогена (Г), методом литья восемь блоков, диаметром 100 мм и длиной 500 мм каждый. Общая масса заряда 4, состоящего из восьми блоков, составила 50 кг, длина 4000 мм. Взрывы зарядов осуществляли в камере 1 диаметром 2 м и длиной 10 м. Блоки заряда 4 подвешивали на тросе. В качестве жидкости использовали смесь глицерина и воды с содержанием глицерина 30 мас. %, которую заливали в емкость 11 в количестве 8000 кг. Подачу жидкости в камеру 1 производили через выполненные в распределительной решетке 8 тысячу отверстий, диаметром 20 мм, с расходом около 4200 кг/с. При этом количество жидкости, находящейся в камере 1 в диспергированном состоянии, составило около 2500 кг, что в пятьдесят раз превосходило массу заряда 4, при ее концентрации в объеме камеры 1 около 80 кг/м³. Произвели последовательно подрыв двадцати зарядов 4. Получили 800 кг структурированной суспензии.

После исследования полученной суспензии установили, что дисперсионная среда в ней составляет 85 мас.%. В ее состав входит глицерин в количестве 30 мас.% и вода в количестве 70 мас.%. В состав суспензии входит также углеродный материал в количестве 15 мас.%. Вязкость полученной суспензии равнялась 6,72 Па˙с. Вязкость исходного раствора глицерина в воде равна 0,38 Па ˙с, вязкость смеси такого раствора и порошкообразных частиц углерода с концентрацией 15 мас.% составляет 0,521 Па ˙с, что в 12,9 раза ниже вязкости полученной структурированной суспензии. Структурирование указанного раствора и углеродного материала проявляется значительно слабее, чем в углеродных дисперсных композициях, полученных в примерах 1-5.

П р и м е р 9. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 1 за исключением того, что изготовили из смеси, содержащей 36 мас.% тротила (Т), 54 мас. % гексогена (Г) и 10 мас.% алюминия (Аl) дисперсностью от 10 до 50 мкм, методом прессования заряд диаметром 100 мм, длиной 1050 мм и массой 15 кг. В качестве охлаждающей и консервирующей жидкости использовали смесь, содержащую 70 мас.% керосина и 30 мас.% дистиллированной воды. Заливали ее в емкость 11 в количестве 5000 кг. Взрывы зарядов осуществляли в камере 1 диаметром 2 м и длиной 10 м, подачу жидкости в камеру производили через выполненные в распределительной решетке 8 тысячу отверстий диаметром 20 мм, с расходом 1400 кг/с. При этом количество жидкости, находящейся в камере 1 в диспергированном состоянии, составило около 1500 кг, что в сто раз превышало массу заряда 4, при ее концентрации в объеме камеры около 50 кг/м³. Осуществляли последовательный подрыв смеси зарядов 4. Получили структурированную суспензию в количестве 500 кг, в состав которой входит керосин в количестве 92,9 мас. %, дистиллированная вода - 2,2 мас.%, оксид алюминия - 4,1 мас.%, карбид алюминия - 0,5 мас.%, углеродный материал - 0,3 мас.%.

Вязкость полученной структурированной суспензии равнялась 0,9 Па ˙с, что примерно в 450 раз превышает вязкость керосина.

П р и м е р 10. Изготовили с помощью литья заряд взрывчатого вещества массой 0,8 кг в форме цилиндра диаметром 40 мм и длиной 380 мм из смеси, содержащей 40 мас.% тротила (Т), 60 мас.% гексогена (Г), и из него получали углеродный материал в дисперсном состоянии на установке, представленной на фиг. 2. Камера 31 предлагаемой установки имела объем 2,5 м³. В распределительной решетке 39 были выполнены пятьсот отверстий диаметром 7,5 мм, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, равном 50 мм. Датчик 41 уровня устанавливали на высоте Н = 2000 мм. В камеру 31 заливали смесь, содержащую 30 мас.% глицерина и 70 мас.% воды, в количестве 1200 кг. Затем в камере 31 размещали заряд 34 и начинали подавать из парогенератора 42 под давлением 2 МПа водяной пар, диспергируя таким образом жидкость в камере 31 путем продувки струями пара. Как только уровень диспергированной жидкости достигал высоты Н, заряд 34 подрывали. Поперечные размеры струй пара в жидкости составляли от 3 до 35 мм. Масса жидкости в диспергированном состоянии превышала массу заряда 34 в 1500 раз. Концентрация диспергированной жидкости в камере 31 составила 600 кг/м³. В этой же камере 31 осуществляли подрыв еще ста девяноста девяти зарядов 34, аналогичных первому. При подрывах последующих зарядов 34 в камеру 31 диспергировали смесь материала, полученного после подрыва предыдущего заряда 34, и залитой в камеру 31 жидкости. После подрыва 200 зарядов 34 полученную смесь отводили от камеры 31 в отстойник, где выдерживали в течение суток, затем от осадка в виде структурированной суспензии отделяли осветленную жидкость. Получили структурированную суспензию в количестве 118 кг.

После исследования полученной суспензии установили, что в суспензии дисперсионная среда составляет 85,5 мас.%. В ее состав входит глицерин в количестве 30 мас.% и вода - 70 мас.%. В состав суспензии входит также углеродный материал в количестве 14,5 мас. %. Вязкость полученной суспензии равнялась 6,05 Па ˙с, вязкость исходного раствора глицерина в воде 0,38 Па ˙с, вязкость смеси такого раствора и порошкообразных частиц углерода с концентрацией 14,5 мас. % составляет 0,49 Па ˙с. Таким образом, вязкость полученной структурированной суспензии в 12,3 раза превышает вязкость смеси указанного раствора глицерина в воде и порошкообразных частиц углерода при его концентрации, равной концентрации дисперсной фазы в полученной структурированной суспензии.

П р и м е р 11. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 10 за исключением того, что в качестве охлаждающей и консервирующей жидкости использовали дистиллированную воду в количестве 500 кг. Произвели последовательно подрыв пятидесяти зарядов 34. Получили 80 кг структурированной суспензии, аналогичной описанной в примере 1.

П р и м е р 12. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 10 за исключением того, что в качестве охлаждающей и консервирующей жидкости использовали раствор, содержащий 40 мас.% этанола в дистиллированной воде, в количестве 400 кг. Произвели последовательно подрыв ста зарядов 34. Масса жидкости в диспергированном состоянии превышала массу заряда 34 в пятьсот раз. Концентрация диспергированной жидкости в камере составила 200 кг/м³.

Получили структурированную суспензию в количестве 220 кг. После исследования полученной структурированной суспензии установили, что в суспензии дисперсионная среда, в состав которой входит этанол в количестве 40 мас.% и вода в количестве 60 мас.%, составляет 96 мас.%. В состав суспензии входит также углеродный материал в количестве 4 мас.%. Вязкость полученной суспензии равнялась 0,294 Па˙с, вязкость указанного раствора этанола в воде 1,057˙10^-3 Па˙с, а вязкость смеси такого раствора и порошкообразных частиц углерода с концентрацией 4 мас.% в таком растворе составляет 1,12˙10^-3 Па˙ с. Таким образом, вязкость полученной структурированной суспензии в 260 раз превышает вязкость смеси порошкообразных частиц углерода и раствора этанола в воде при их концентрации в смеси, равной концентрации дисперсной фазы в полученной структурированной суспензии.

П р и м е р 13. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 10 за исключением того, что изготовили методом прессования заряд взрывчатого вещества массой 0,8 кг в форме цилиндра диаметром 40 мм и длиной 380 мм из порошкообразной смеси, содержащей 36 мас.% тротила (Т), 54 мас.% гексогена (Г) и 10 мас.% алюминия (Аl) дисперсностью от 10 до 50 мкм. В качестве охлаждающей и консервирующей жидкости использовали дистиллированную воду в количестве 1200 кг. Осуществили последовательно подрыв ста зарядов 34.

Получили структурированную суспензию в количестве 250 кг, в состав которой входит вода в количестве 92 мас.%, оксид алюминия - 4 мас.%, карбид алюминия - 2,4 мас.%, углеродный материал - 1,6 мас.%. Вязкость полученной структурированной суспензии равнялась 0,65 Па ˙с, что примерно в пятьсот раз превышает вязкость смеси воды и порошкообразных частиц указанного состава при их концентрации в смеси, равной концентрации дисперсной фазы в полученной структурированной суспензии.

П р и м е р 14. В качестве исходного материала использовали медную проволоку диаметром 0,6 мм и из нее с помощью электровзрыва получили материал в дисперсном состоянии на установке, представленной на фиг. 3. Камера 54 предлагаемой установки имела диаметр 230 мм, высоту 200 мм. Камеру 54 заполнили аргоном при атмосферном давлении. В распределительной решетке 59 были выполнены двести семьдесят отверстий 61, из них сто пятьдесят отверстий диаметром 3 мм, расположенных равномерно на площади круга диаметром 130 мм и сто двадцать отверстий диаметром 0,5 мм, по шестьдесят отверстий, расположенных по окружностям диаметром 150 и 170 мм через 6^о. В емкость 64 заливали керосин в количестве 50 кг. Включали насос 71, с помощью которого осуществляли непрерывную циркуляцию жидкости, с расходом 2,8 кг/с, которую подавали в камеру 54 в виде струй или капель. Затем с помощью роликов 57 в камеру 54 вводили отрезок медной проволоки 56 длиной 150 мм и массой примерно 0,38 г. При соприкосновении проволоки 56 с электродом 62 производили взрыв материала, подавали на него высокое напряжение 50 кВ от источника 75 питания. При этом масса жидкости, находящаяся в камере 54 в диспергированном состоянии, составляла не менее 190 г, что в пятьсот раз превышало массу исходного материала. Концентрация жидкости в объеме камеры составила не менее 24 кг/м³. Затем через 5 с вводили новый отрезок медной проволоки 56, производили очередной взрыв и таким образом вели процесс непрерывно в течение 90 мин. Полученную смесь сливали в отдельную емкость и отстаивали в течение суток. После отстаивания смесь расслоилась на студенистый осадок и осветленную жидкость, которую осветлили и получили структурированную суспензию в количестве 14 кг.

После анализа полученной суспензии определили, что в ее состав входит керосин в количестве 97,1 мас.% и 2,9 мас.% меди в дисперсном состоянии. Вязкость полученной структурированной суспензии равнялась 0,32 Па˙с, что в сто шестьдесят раз превышает вязкость смеси керосина и порошкообразных частиц меди, при их концентрации в смеси, равной концентрации дисперсной фазы в полученной структурированной суспензии.

П р и м е р 15. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 12 за исключением того, что в качестве исходного материала использовали медную проволоку 56 диаметром 0,3 мм с полиэтиленовой оболочкой, толщиной 0,5 мм. Процесс вели непрерывно в течение 60 мин.

Получили 6,7 кг структурированной суспензии, содержащей 97 мас.% керосина, 0,6 мас.% меди и 2,4 мас.% углеродного материала алмазоподобной модификации. Вязкость полученной структурированной суспензии равнялась 0,45 Па˙с, что более чем в двести раз превышает вязкость смеси керосина и порошкообразных частиц меди и углерода и при их концентрации в полученной смеси, равной концентрации дисперсной фазы в полученной структурированной суспензии.

П р и м е р 16. Способ осуществляли аналогично описанному в примере 12 за исключением того, что в качестве исходного материала использовали никелевую проволоку 56 диаметром 0,4 мм с полиэтиленовой оболочкой толщиной 0,45 мм. Жидкость подавали в камеру с расходом около 0,3 кг/с, при этом масса жидкости, находящейся в камере 54 в диспергированном состоянии, составила около 20 г, что в 59 раз превышало массу исходного материала, равную 0,34 г. Концентрация жидкости в объеме камеры 54 составила 2,5 кг/м³. Процесс вели в течение 60 мин.

Получили 6,5 кг структурированной суспензии, содержащей 96,2 мас.% керосина и 3,8 мас. % карбида никеля нестехиометрического состава. Вязкость полученной структурированной суспензии равнялась 0,5 Па ˙с, что в двести пятьдесят раз превышает вязкость смеси керосина и порошкообразных частиц карбида никеля при их концентрации в смеси, равной концентрации дисперсной фазы в полученной структурированной суспензии.

Для полученных структурированных дисперсных систем провели исследование зависимости вязкости от содержания дисперсной фазы. Изменяли концентрацию дисперсной фазы путем изменения содержания дисперсионной среды. Примерно до концентрации дисперсной фазы около 25 мас.% выделяли жидкость из суспензии с помощью центрифуги. Для получения дисперсных систем с содержанием дисперсной фазы до 55 мас.% жидкую фазу отделяли с помощью термовакуумной сушки при температуре не выше 60^оС и давления 10² Па. При этом структурированная система представляла собой густую пасту вязкостью около 10⁵ Па˙с. При увеличении содержания дисперсной фазы более 55 мас.% паста начинала превращаться в рассыпчатую массу. Измеряли динамическую вязкость дисперсных систем с различным содержанием дисперсной фазы.

Результаты измерений вязкости для дисперсных систем с различными дисперсионными средами, дисперсной фазой которых является полученный углеродный материал, приведены в табл. 1. Для сравнения в таблице приведены также значения вязкости для дисперсных систем, представляющих собой смеси жидкостей с углеродом в порошкообразном состоянии с размерами частиц от 0,05 до 1 мкм.

На основании анализа представленных результатов можно сделать вывод о том, что при содержании в полученных дисперсных системах дисперсной фазы, т. е. получаемого материала в дисперсном состоянии, в количестве от 1 до 15 мас. % дисперсные системы представляют собой устойчивые структурированные суспензии, что является подтверждением высокой активности частиц дисперсной фазы, которые, взаимодействуя с молекулами дисперсионной среды, образуют связи, которые при нормальном давлении в температурном диапазоне устойчивости фазового состояния жидкости достаточно прочны.

При содержании дисперсной фазы в дисперсных системах в количестве от 25 до 55 мас.% вязкость полученных дисперсных систем резко увеличивается, они превращаются в пасту, а при содержании дисперсной фазы более 55 мас.% они превращаются в рассыпчатую массу.

Использование: изобретение относится к способам получения материалов в дисперсном состоянии с использованием энергии взрыва. Сущность способа заключается в том, что порцию исходного материала взрывают в камере в присутствии жидкости, обеспечивающей охлаждение продуктов взрыва при их конденсации в процессе образования частиц получаемого материала, которую используют в диспергированном состоянии с размерами частиц не менее 0,5 мм в количестве, необходимом для образования с частицами получаемого материала дисперсной системы, в которой жидкость, являющаяся дисперсионной средой, обеспечивает консервацию кластерной структуры частиц получаемого материала. После конденсации паров жидкости и частиц получаемого материала из их смеси отделяют часть жидкости до получения этой смеси в виде структурированной дисперсной системы с вязкостью, по меньшей мере в десять раз превышающей вязкость жидкости. 11 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ДИСПЕРСНОМ СОСТОЯНИИ С КЛАСТЕРНОЙ СТРУКТУРОЙ ЧАСТИЦ, включающий диспергирование исходного материала заданной массы и состава, содержащего химические элементы Периодической системы, образующие получаемый материал, путем его взрыва в камере с амплитудой ударной волны по меньшей мере 3 ГПа в присутствии жидкости в диспергированном состоянии, с последующей конденсацией продуктов взрыва и образованием частиц получаемого материала и паров жидкости, отличающийся тем, что приведение жидкости в диспергированное состояние осуществляют перед взрывом до размера частиц не менее 0,5 мм, при этом используют ее в количестве, необходимом для обеспечения консервации кластерной структуры частиц получаемого материала, и после конденсации отделяют часть жидкости до образования структурированной дисперсной системы с вязкостью, по меньшей мере в десять раз превышающей вязкость жидкости. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость диспергируют путем подачи ее в камеру в виде струй или капель. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкость, предварительно залитую в камеру, диспергируют путем продувки струями газа или пара. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что при диспергировании жидкости устанавливают ее концентрацию в объеме камеры от 2,5 до 80 кг/м³. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что при диспергировании жидкости устанавливают ее концентрацию в объеме камеры от 200 до 600 кг/м³. 6. Способ по п. 2 или 4, отличающийся тем, что при взрыве заряда конденсированного взрывчатого вещества, входящего в состав исходного материала, устанавливают диаметр струй или капель от 3 до 20 мм. 7. Способ по п. 2 или 4, отличающийся тем, что при электровзрыве проволочки из металла, входящего в состав исходного материала, устанавливают диаметр струй или капель от 0,5 до 3 мм. 8. Способ по п. 3 или 5, отличающийся тем, что при взрыве заряда конденсированного взрывчатого вещества, входящего в состав исходного материала, устанавливают диаметр струй газа или пара в диспергированной жидкости от 3 до 70 мм. 9. Способ по п. 2, или 4, или 6, отличающийся тем, что жидкость в диспергированном состоянии используют в количестве от 10 до 100 М, где M-масса заряда конденсированного взрывчатого вещества. 10. Способ по п. 2, или 4, или 7, отличающийся тем, что жидкость в диспергированном состоянии используют в количестве от 50 до 500 M, где M-масса проволочки. 11. Способ по п.3, или 5, или 8, отличающийся тем, что жидкость в диспергированном состоянии используют в количестве от 500 до 1500 М, где M-масса заряда конденсированного взрывчатого вещества. 12. Способ по любому из пп. 1 - 11, отличающийся тем, что в качестве жидкости, обеспечивающей консервацию кластерной структуры, используют дистиллированную воду, спирты, водные растворы спиртов или жидкие углеводороды и их смеси с водой.