СПОСОБ АКТИВАЦИИ НАНОПОРОШКА АЛЮМИНИЯ Российский патент 2017 года по МПК B22F1/00 B82Y30/00 

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к специальной обработке для улучшения свойств нанопорошков алюминия, и может быть использовано при приготовлении твердых ракетных топлив, пиротехнических составов, интерметаллидов алюминия и порошковых сплавов.

Известен способ получения нанопорошка металла с повышенной запасенной энергией [RU 2535109 С2, МПК B22F 1/00 (2006.01), B82Y 40/00 (2011.01), опубл. 10.12.2014], включающий облучение образца нанопорошка металла потоком ускоренных электронов с энергией не более 6 МэВ в вакууме с обеспечением положительного заряда внутренней части наночастицы металла, при этом облучению подвергают образец нанопорошка металла, толщина которого не превышает длину пробега электронов.

Недостатками этого способа является использование дорогостоящего оборудования - ускорителя электронов и опасность облучения персонала при проведении процессов по активации нанопорошков.

Известен способ активации порошков алюминия [RU 2086355 С1, МПК⁶ B22F 1/00, опубл. 10.08.1997], выбранный в качестве прототипа, заключающийся в том, что порошки алюминия, полученные методом электрического взрыва проволок, погружают в органические растворители и выдерживают в них в течение 5-24 ч. Молекулы органических растворителей проникают в объемы частиц порошка алюминия и разрушают их до субфрагментов (эффект Ребиндера), которые вследствие этого имеют более высокую химическую активность, но их способность к самоспеканию в значительной степени блокирована адсорбированными молекулами органических растворителей.

Недостатками такого способа являются использование органических растворителей и необходимость обработки ими в течение длительного времени.

Предлагаемое изобретение позволяет решить техническую проблему активации нанопорошка алюминия, полученного в условиях электрического взрыва алюминиевого проводника, путем повышения запасенной энергии в нем.

В предложенном способа активации нанопорошка алюминия, также как в прототипе, используют порошок, полученный электрическим взрывом алюминиевой проволоки.

Согласно изобретению порошок алюминия, пассивированный малыми добавками воздуха, нагревают до 300-400°С в атмосфере воздуха со скоростью нагрева от 10 до 30°С/мин и выдерживают при этой температуре в течение 30 мин.

Причиной повышения запасенной энергии является накопление молекулярного водорода в межкристаллитных промежутках (на границах кристаллитов) в процессе пассивирования нанопорошка алюминия малыми добавками воздуха, содержащего пары воды. Основной окислитель алюминия - вода, содержащаяся в воздухе: после адсорбции на поверхности наночастицы вода диссоциирует на Н⁺ и OH^-. Протоны, благодаря малому диаметру, проникают через слой оксида и окисляют алюминий, переходя в атомы и молекулы водорода, которые накапливаются в межкристаллитном пространстве. При нагревании до 300-400°С происходит расширение газа в 2,25 раз и разрушение кристаллитов до величины кристаллитов-кластеров. В результате разрушения увеличивается величина площади удельной поверхности кластеров и происходит запасание энергии нанопорошком, что подтверждено данными рентгеноструктурного анализа (фиг. 1): размер областей когерентного рассеяния (кластеров) в отожженном при температуре 300°С образце уменьшился в 1,54 раз (с 23,7 нм до 15,3 нм) в сравнении с исходным порошком алюминия. Накопление большого количества водорода (1,5 мас. %) на границах раздела кристаллитов приводит к разрушению наночастиц и активации порошка.

На фиг. 1 представлена дифрактограмма исходного нанопорошка алюминия и нанопорошка алюминия после активации отжигом.

На фиг. 2 представлена термограмма электровзрывного нанопорошка алюминия до прогревания, где кривая 1 отражает динамику изменения веса при нагревании, кривая 2 отражает температуру при проведении термоанализа, кривая 3 - разность температур между образцом и эталоном прибора (α-Al₂O₃), кривая 4 - тепловой поток при нагревании.

На фиг. 3 приведена термограмма электровзрывного нанопорошка алюминия после изотермического нагрева в воздухе при температуре 400°С со скоростью нагрева 20°С/мин в течение 30 мин, где кривая 1 отражает изменение веса образца при нагревании, кривая 2 указывает температуру в ячейке термоанализатора при проведении термоанализа, кривая 3 - разность температур между образцом и эталоном прибора (а-Al₂O₃), кривая 4 - тепловой поток при нагревании.

В таблице приведены примеры параметров результатов активации нанопорошка алюминия.

Был использован электровзрывной нанопорошок алюминия, пассивированный малыми добавками воздуха марки Alex, с площадью удельной поверхности 14 м²/г и содержанием металлического алюминия 91 мас. %. Образцы нанопорошка по 1 г нагревали в сушильном шкафу SNOL 67/350Н с регулятором температуры РПН-4 со скоростью нагрева 2°-30°С/мин до соответствующей температуры (таблица 1) и выдерживали при этой температуре в течение 30 мин. После охлаждения до комнатной температуры образцы прогретого нанопорошка подвергали дифференциальному термическому анализу (термоанализатор SDT Q 600) и рентгеноструктурному анализу (дифрактометр Shimadzu XRD 7000, картотека PDF 4+).

Согласно полученным данным, относительно исходного образца нанопорошка (табл. 1, образец №0, фиг. 2), прогрев при 100° и 200°С дает прирост энергии менее 1% (табл. 1, образцы №1, 2). При повышении температуры до 300°С тепловой эффект возрос на 46% с небольшим ростом после прогрева при 400°С (фиг. 3 и табл. 1, образец №7). Дальнейший рост температуры прогрева приводит к окислению нанопорошка алюминия, т.е. такой прогрев не приводит к реализации технического эффекта (табл. 1, образцы №10, 11).

До температуры прогрева 300°С образцы по 1 г нанопорошка алюминия нагревали с различной скоростью: от 2 до 30°С/мин (табл. 1, образцы №3-8). Установлено (табл. 1, образцы №4, 5), что при скорости нагрева 5 и 10°С/мин максимальный прирост энергии равен 1,0%. Нагрев со скоростью 10°С/мин привел к повышению энергии на 46%, а рост скорости нагрева до 30°С/мин (табл. 1, образец №8) повысил энергию при окислении нанопорошка алюминия лишь на 0,03% в сравнении с энергией образца, нагретого со скоростью 20°С/мин (табл. 1, образец №7), то есть увеличение скорости нагрева выше 20°С/мин не приводит к значительной активации нанопорошка алюминия.

Изобретение относится к активации нанопорошка алюминия, полученного электрическим взрывом алюминиевой проволоки, и может быть использовано при приготовлении твердых ракетных топлив, пиротехнических составов, интерметаллидов алюминия и порошковых сплавов. Пассиваируют нанопорошок алюминия воздухом, содержащим пары воды, затем пассивированный нанопорошок алюминия нагревают до 300-400°C в атмосфере воздуха со скоростью нагрева от 10 до 30°C/мин и выдерживают при этой температуре в течение 30 мин. Обеспечивается повышение теплового эффекта окисления. 3 ил., 1 табл.

Способ активации нанопорошка алюминия, полученного электрическим взрывом алюминиевой проволоки, отличающийся тем, что проводят пассивацию нанопорошка алюминия воздухом, содержащим пары воды, затем пассивированный нанопорошок алюминия нагревают до 300-400°C в атмосфере воздуха со скоростью нагрева от 10 до 30°C/мин и выдерживают при этой температуре в течение 30 мин.