Способ активации нанопорошка алюминия

Способ активации нанопорошка алюминия

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

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.