RU2800348C1 - Method for producing oxygen-free nanopowders of inorganic compounds or mixed compositions and a device for its implementation - Google Patents
Method for producing oxygen-free nanopowders of inorganic compounds or mixed compositions and a device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2800348C1 RU2800348C1 RU2022124863A RU2022124863A RU2800348C1 RU 2800348 C1 RU2800348 C1 RU 2800348C1 RU 2022124863 A RU2022124863 A RU 2022124863A RU 2022124863 A RU2022124863 A RU 2022124863A RU 2800348 C1 RU2800348 C1 RU 2800348C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nanopowder
- filter
- gas
- filters
- inert gas
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области получения газофазным методом с помощью лазера нанопорошков из бескислородных неорганических соединений различного химического состава и чистоты, для которых контакт с кислородом или другой компонентой воздуха в процессе их синтеза ведет к образованию кристаллитов (наночастиц) с другой фазой и другим показателем преломления, что ограничивает или делает невозможным использование полученных нанопорошков для дальнейшего изготовления высокопрозрачных, включая лазерных, керамик, а также бескислородных керамик иного назначения.The invention relates to the field of obtaining nanopowders from oxygen-free inorganic compounds of various chemical composition and purity by a gas-phase method using a laser, for which contact with oxygen or another air component during their synthesis leads to the formation of crystallites (nanoparticles) with a different phase and a different refractive index, which limits or makes it impossible to use the obtained nanopowders for further production of highly transparent, including laser, ceramics, as well as oxygen-free ceramics for other purposes.
Известны разработанные в Йенском университете имени Фридриха Шиллера способ и реализующее его устройство для получения нанопорошков оксидов и нитридов путем испарения твердого вещества необходимого состава излучением непрерывного СО2 лазера мощностью до 4кВт с последующей конденсацией паров материала мишени в потоке несущего газа [U. Рорр, R. Herbig, G. Mishel, Е. Muller, Ch. Oestreich/Properties of Nanocryctalline Ceramic Powders Prepared by Laser Evaporation and Recondensation // Journal of European Ceramic Society, 1998, 18, pp. 1153-1160; Heinz-Dieter Kurland, Janet Grabow, Frank A. Muller/ Journal of the European Ceramic Society, 2011, 31, рр. 2559-2568]. Для получения нанопорошка использовалась испарительная камера, сконструированная в трех вариантах, различающихся способом подачи испаряемого материала. В первом варианте в качестве мишени использовался вращающийся стержень, спеченный из грубых порошков заданного состава. Во втором варианте мишенью служил грубый порошок, насыпанный в углубление вращающейся чашки, а в третьем варианте грубый порошок насыпался в кольцеобразную канавку во вращающемся диске с помощью специального дозатора. В результате воздействия сфокусированного лазерного излучения мишень испарялась, и ее пары конденсировались в потоке обдувающего снизу диск или стержень буферного газа, что приводило к образованию нанопорошка, который вместе с газовым потоком переносился в фильтр, где он осаждался на поверхности фильтровального бумажного рукава. Очищенный от нанопорошка буферный газ выбрасывался в атмосферу. В качестве буферного газа при получении нанопорошков оксидов использовался воздух, а получение нитридов алюминия (AlN) и кремния (Si3N4) производилось в потоке аргона. Производительность получения нанопорошков из ZrO2 была равной 95 г/час, из Al2O3 - 75 г/час, из Si3N4 - 200 г/час, из AlN - до 230 г/час. Удельная поверхность полученных нанопорошков составила: ZrO2 - 15-35 м2/г, Al2O3 - 53 м2/г, Si3N4 - 23 м2/г, AlN - 35 м2/г. В данном случае под производительностью понимается масса нанопорошка, осевшего в фильтровальном рукаве в течение определенного времени испарения мишени с помощью лазера. При расчете этой величины не учитывались затраты времени и труда оператора устройства на сбор нанопорошка из фильтра, однако должны быть значительными из-за необходимости разборки устройства для извлечения фильтровального рукава и его очистки от нанопорошка.Known developed at the Friedrich Schiller University of Jena method and implementing device for obtaining nanopowders of oxides and nitrides by evaporation of a solid substance of the required composition by radiation from a continuous CO 2 laser with a power of up to 4 kW, followed by condensation of the vapor of the target material in a carrier gas flow [U. Rorr, R. Herbig, G. Mishel, E. Muller, Ch. Oestreich/Properties of Nanocryctalline Ceramic Powders Prepared by Laser Evaporation and Recondensation // Journal of European Ceramic Society, 1998, 18, pp. 1153-1160; Heinz-Dieter Kurland, Janet Grabow, Frank A. Muller/ Journal of the European Ceramic Society, 2011, 31, pp. 2559-2568]. To obtain a nanopowder, an evaporation chamber was used, designed in three versions, differing in the method of supplying the evaporated material. In the first variant, a rotating rod sintered from coarse powders of a given composition was used as a target. In the second version, the target was a coarse powder poured into the recess of a rotating cup, and in the third version, the coarse powder was poured into an annular groove in a rotating disk using a special dispenser. As a result of exposure to focused laser radiation, the target evaporated, and its vapors condensed in a flow of a buffer gas blowing from below the disk or rod, which led to the formation of a nanopowder, which, together with the gas flow, was transferred to the filter, where it was deposited on the surface of the filter paper sleeve. The buffer gas purified from the nanopowder was released into the atmosphere. Air was used as a buffer gas in the preparation of oxide nanopowders, while aluminum (AlN) and silicon (Si 3 N 4 ) nitrides were obtained in an argon flow. The productivity of obtaining nanopowders from ZrO 2 was equal to 95 g/h, from Al 2 O 3 - 75 g/h, from Si 3 N 4 - 200 g/h, from AlN - up to 230 g/h. The specific surface of the obtained nanopowders was: ZrO 2 - 15-35 m 2 /g, Al 2 O 3 - 53 m 2 /g, Si 3 N 4 - 23 m 2 /g, AlN - 35 m 2 /g. In this case, productivity is understood as the mass of nanopowder deposited in the filter bag during a certain time of target evaporation using a laser. When calculating this value, the time and labor costs of the device operator for collecting the nanopowder from the filter were not taken into account, however, they should be significant due to the need to disassemble the device to remove the filter bag and clean it from the nanopowder.
Недостатком способа является высокая стоимость бескислородных нанопорошков из-за непрерывного безвозвратного выброса в атмосферу рабочего газа (O2, Ar), а также низкая производительность получения нанопорошка из-за необходимости разборки устройства для извлечения фильтра с фильтровальным рукавом для его очистки от нанопорошка.The disadvantage of this method is the high cost of oxygen-free nanopowders due to the continuous irreversible release of the working gas (O 2 , Ar) into the atmosphere, as well as the low productivity of obtaining nanopowder due to the need to disassemble the device for extracting the filter with a filter sleeve to clean it from nanopowder.
Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ [В.Н. Снытников, Вл.Н. Снытников, Д.А. Дубов, В.И., Зайковский, А.С. Иванова, В.О. Стояновский, В.Н. Пармон. Получение наноматериалов путем испарения керамических мишеней излучением непрерывного СО2-лазера. Журнал прикладной механики и технической физики, 2007, т. 48, №2, стр. 172-184], в котором получение нанопорошка производится в испарительной камере в потоке инертного газа (Ar, Не) путем воздействия сфокусированного непрерывного излучения СО2-лазера на боковую поверхность керамической мишени в виде полого цилиндра из соответствующего оксида, которая непрерывно вращалась и перемещалась вдоль своей оси. Материал мишени испарялся, и образующиеся при конденсации пара частицы нанопорошка захватывались потоком инертного газа, поступавшего в испарительную камеру из баллона через ротаметр и вентиль, и обтекавшего мишень сверху вниз. Поток газа вместе нанопорошком и другими продуктами абляции (осколками мишени) сначала попадал в лабиринтную ловушку, в виде отверстия и расположенного внизу конусного отражателя. Крупные осколки мишени под действием силы тяжести и инерции осаждались в вогнутый конусный отражатель, а нанопорошок вместе с потоком газа обтекали его. Нанопорошок осаждался на поверхности сменного бумажного фильтра с размером пор 3,0÷3,5 мкм, после которого поток с помощью системы прокачки удаляется из камеры.Close in technical essence to the present invention is the method [V.N. Snytnikov, Vl.N. Snytnikov, D.A. Dubov, V.I., Zaikovsky, A.S. Ivanova, V.O. Stoyanovskiy, V.N. Parmon. Obtaining nanomaterials by evaporation of ceramic targets by cw CO 2 laser radiation. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 2007, vol. 48, No. 2, pp. 172-184], in which nanopowder is obtained in an evaporation chamber in an inert gas (Ar, He) flow by the action of focused continuous CO 2 laser radiation on the side surface of a ceramic target in the form of a hollow cylinder made of the corresponding oxide, which continuously rotated and moved along its axis. The target material was evaporated, and the nanopowder particles formed during the vapor condensation were captured by the inert gas flow that entered the evaporation chamber from the cylinder through the rotameter and valve and flowed around the target from top to bottom. The gas flow, together with nanopowder and other ablation products (target fragments), first fell into a labyrinth trap in the form of a hole and a cone reflector located at the bottom. Under the action of gravity and inertia, large fragments of the target were deposited into a concave conical reflector, and the nanopowder, together with the gas flow, flowed around it. The nanopowder was deposited on the surface of a replaceable paper filter with a pore size of 3.0÷3.5 μm, after which the flow is removed from the chamber using a pumping system.
Недостатком данного способа является высокая стоимость получения нанопорошка из-за низкой производительности устройства, поскольку для сбора нанопорошка с поверхности бумажного фильтра было необходимо разбирать испарительную камеру и извлекать фильтр. Кроме того, стоимость получения нанопорошка увеличивалась из-за большого расхода инертного газа, который непрерывно прокачивался через устройство и затем выбрасывается в атмосферу.The disadvantage of this method is the high cost of obtaining nanopowder due to the low productivity of the device, since in order to collect nanopowder from the surface of the paper filter, it was necessary to disassemble the evaporation chamber and remove the filter. In addition, the cost of obtaining nanopowder increased due to the high consumption of inert gas, which was continuously pumped through the device and then released into the atmosphere.
Прототипом, наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению, является способ и устройство для получения нанопорошков путем испарения мишени лазерным излучением с последующей конденсацией паров материала мишени в потоке несущего газа [RU 2185931 C1, B22F 9/02, 9/12, от 24.01.2001. Иванов М.Г., Котов Ю.А., Осипов В.В., Саматов О.М.]. Данное устройство содержит испарительную камеру с испаряемым веществом, лазер, сопло для поступления потока газа, привод для перемещения испаряемого вещества, выполненный с возможностью вращения и перемещения с постоянной линейной скоростью испаряемого вещества в фокальной плоскости относительно точки фокуса лазерного излучения, вентилятор для продувки потока газа испарительную камеру, циклоны и фильтры для сбора порошка, размещенные на выходе потока газа из испарительной камеры, при этом лазер выполнен с возможностью работы в импульсно-периодическом режиме, а сопло для поступления потока газа выполнено с возможностью обеспечения одного направления потока газа и лазерного излучения и размещено над поверхностью испаряемого вещества.The prototype, the closest in technical essence to the present invention, is a method and device for obtaining nanopowders by evaporation of the target by laser radiation, followed by condensation of the vapor of the target material in the carrier gas flow [EN 2185931 C1, B22F 9/02, 9/12, from 24.01.2001. Ivanov M.G., Kotov Yu.A., Osipov V.V., Samatov O.M.]. This device contains an evaporation chamber with an evaporating substance, a laser, a nozzle for entering a gas flow, a drive for moving the evaporating substance, made with the possibility of rotation and movement with a constant linear speed of the evaporated substance in the focal plane relative to the focus point of laser radiation, a fan for blowing a gas flow into the evaporation chamber, cyclones and filters for collecting powder, placed at the exit of the gas flow from the evaporation chamber, while the laser is configured to operate in a pulsed-periodic mode, and the nozzle for entering the gas flow is made with the possibility of providing one direction of the flow of gas and laser radiation and is placed above the surface of the evaporated substance.
Недостатком данного устройства являются высокая стоимость нанопорошка из-за низкой производительности устройства вследствие необходимости ее разборки для очистки фильтра путем сбора нанопорошка с поверхности фильтровального материала, а также необходимости непрерывного безвозвратного удаления инертного газа из устройства после его прокачки по открытому газовому тракту.The disadvantage of this device is the high cost of the nanopowder due to the low productivity of the device due to the need to disassemble it to clean the filter by collecting the nanopowder from the surface of the filter material, as well as the need for continuous irretrievable removal of inert gas from the device after it has been pumped through an open gas path.
Целью настоящего изобретения является повышение производительности устройства и удешевление получения нанопорошков, в процессе синтеза которых доступ кислорода или другой компоненты атмосферного воздуха должен быть исключен, поскольку ведет к образованию дополнительной фазы с иным химическим составом и показателем преломления, что делает невозможным приготовления высокопрозрачной, в том числе лазерной, керамики.The purpose of the present invention is to increase the productivity of the device and reduce the cost of obtaining nanopowders, during the synthesis of which the access of oxygen or other components of atmospheric air must be excluded, since it leads to the formation of an additional phase with a different chemical composition and refractive index, which makes it impossible to prepare highly transparent, including laser, ceramics.
Цель достигается путем создания способа и устройства, в котором нанопорошок производят в потоке инертного газа, возвращаемого с выхода устройства на ее вход, что обеспечивает работу в замкнутом цикле, а очистку фильтра от нанопорошка производят без разборки устройства путем обратной импульсной продувки фильтра с фильтровальным рукавом инертным газом и последующей его вибрации.The goal is achieved by creating a method and device in which the nanopowder is produced in a flow of inert gas returned from the device outlet to its inlet, which ensures operation in a closed cycle, and the filter is cleaned from the nanopowder without disassembling the device by reverse pulsed blowing of the filter with a filter sleeve with an inert gas and its subsequent vibration.
Технической задачей настоящего изобретения является создание способа и устройства для синтеза бескислородных нанопорошков в потоке инертного газа с повышенной производительностью и уменьшенной стоимостью получения нанопорошка за счет организации замкнутого газового тракта, когда инертный газ с выхода устройства возвращают на ее вход, а также усовершенствования системы сбора нанопорошка, когда очистку фильтра с фильтровальным рукавом производят без разборки устройства путем вибрации этого материала и его обратной импульсной продувки инертным газом, при этом полученный нанопорошок вместе с обратным газовым потоком не должен попадать обратно в испарительную камеру и загрязнять оптические элементы для ввода лазерного излучения или его фокусировки.The technical objective of the present invention is to create a method and device for the synthesis of oxygen-free nanopowders in an inert gas flow with increased productivity and reduced cost of obtaining a nanopowder due to the organization of a closed gas path, when the inert gas from the output of the device is returned to its inlet, as well as improving the system for collecting nanopowder, when the filter with a filter sleeve is cleaned without dismantling the device by vibrating this material and The nanopowder, together with the reverse gas flow, should not fall back into the evaporation chamber and contaminate the optical elements for inputting laser radiation or focusing it.
Указанная техническая задача решается тем, что в устройство для получения бескислородных порошков, содержащее лазер, испарительную камеру с мишенью и электроприводом ее перемещения в вертикальном и горизонтальном направлениях, а также вращения вокруг вертикальной оси, с присоединенным к камере узлом ввода и фокусировки лазерного излучения, коаксиально совмещенного с соплом для подачи инертного газа, размещенные на входе в испарительную камеру дроссельный вентиль, ротаметр и входной фильтр, а на выходе из нее циклоны, установлены переключатель потока газа, два поочередно работающих фильтра с вибрационным устройством для вибрации фильтрующего материала, а также ресивер импульсной обратной продувки газа с соленоидными входным и выходным клапанами, насос для прокачки газа по замкнутому газовому тракту, трехходовые шаровые краны с электроприводом, редукторы и газовый пост для заполнения устройства инертным газом, высокоэффективный фильтр (HEPA) для улавливания частиц при удалении газа из устройства, а также микроконтроллерная система для управления механизмом передвижения мишени в испарительной камере, переключением трехходовых шаровых кранов, соленоидных клапанов, переключателя потока газа и управления вибрационными устройствами в фильтрах.This technical problem is solved by the fact that in a device for obtaining oxygen-free powders, containing a laser, an evaporation chamber with a target and an electric drive for its movement in vertical and horizontal directions, as well as rotation around a vertical axis, with an input and focusing unit of laser radiation attached to the camera, coaxially aligned with a nozzle for supplying an inert gas, a throttle valve, a rotameter and an inlet filter placed at the entrance to the evaporation chamber, and at the exit from it cyclones, a gas flow switch, two alternately operating filters with a vibration device for vibrating the filter material, as well as a pulse gas backflow receiver with solenoid inlet and outlet valves, a pump for pumping gas through a closed gas path, three-way ball valves with an electric drive, reducers and a gas post for filling the device with inert gas, a high-efficiency filter (HEPA) to trap particles when removing gas from the device, as well as microcontrol ler system for controlling the target movement mechanism in the evaporation chamber, switching three-way ball valves, solenoid valves, gas flow switch and controlling vibration devices in filters.
Заявляемое устройство отличается тем, что в нем установлены два поочередно работающих фильтра с вибрационным устройством для вибрации фильтра с фильтровальным рукавом, переключатель газового потока, установленный в месте взаимного соединения испарительной камеры и обоих фильтров, трехходовые шаровые краны с электроприводами, обеспечивающими их переключение в заданное положение, ресивер импульсной обратной продувки газа с быстродействующими соленоидными клапанами, насос для прокачки газа по замкнутому газовому тракту, редукторы напуска инертного газа в тракт и в ресивер, высокоэффективный фильтр для улавливания оставшихся в газе частиц нанопорошка перед его выбросом из устройства, а также микроконтроллерная система для управления механизмом передвижения мишени в испарительной камере, переключением трехходовых шаровых кранов, соленоидных клапанов, переключателя потока и управления вибрационных устройств в фильтрах. Новый результат обусловлен тем, что в устройство установлены:The claimed device differs in that it has two alternately operating filters with a vibration device for vibrating the filter with a filter sleeve, a gas flow switch installed at the mutual connection of the evaporation chamber and both filters, three-way ball valves with electric drives that ensure their switching to a predetermined position, a pulsed back purge gas receiver with high-speed solenoid valves, a pump for pumping gas through a closed gas path, inert gas inlet reducers into the path and into the receiver, a high-performance filter for trapping nanopowder particles remaining in the gas before it is ejected from the device, as well as a microcontroller system for controlling the mechanism for moving the target in the evaporation chamber, switching three-way ball valves, solenoid valves, a flow switch and controlling vibration devices in filters. The new result is due to the fact that the device has:
1) насос, который при получении нанопорошка прокачивает инертный газ по замкнутому газовому тракту так, чтобы газ после улавливания нанопорошка фильтрами вновь подавался бы в испарительную камеру, что позволяет снизить потребление инертного газа и уменьшить стоимость нанопорошка;1) a pump that, upon obtaining a nanopowder, pumps an inert gas through a closed gas path so that the gas, after trapping the nanopowder by filters, would again be supplied to the evaporation chamber, which makes it possible to reduce the consumption of inert gas and reduce the cost of the nanopowder;
2) переключатель потока, расположенный в точке взаимного соединения испарительной камеры и обоих фильтров для сбора нанопорошка, что позволяет при наработке нанопорошка направлять газовый поток с нанопорошком попеременно в один из двух фильтров, а для импульсной обратной продувки фильтров с фильтровальными рукавами переключатель потока устанавливается в положение, при котором входы обоих фильтров соединяются, чтобы направить поток с нанопорошком в другой фильтр, а путь в циклоны и испарительную камеру перекрыть, чтобы избежать запыления расположенных в испарительной камере оптических элементов нанопорошком из обратного газового потока;2) a flow switch located at the point of mutual connection of the evaporation chamber and both filters for collecting nanopowder, which allows, during the production of nanopowder, to direct the gas flow with nanopowder alternately into one of the two filters, and for pulsed back blowing of filters with filter bags, the flow switch is set to a position where the inputs of both filters are connected to direct the flow with nanopowder to another filter, and the path to the cyclones and the evaporation chamber is blocked to avoid dusting in the evaporation chamber of optical elements with nanopowder from the reverse gas flow;
3) устройства импульсной обратной продувки и вибрации фильтров с фильтровальными рукавами для сбора нанопорошков (газовый ресивер с соленоидными клапанами, подключенный через редуктор к устройствам напуска газа, вибрационное устройство, присоединенное к свободно висящему концу фильтра с фильтровальным рукавом).3) devices for pulsed back blowing and vibration of filters with filter bags for collecting nanopowders (a gas receiver with solenoid valves connected through a reducer to gas inlet devices, a vibration device attached to the freely hanging end of the filter with a filter bag).
Предложенное устройство по сравнению с прототипом обеспечивает удешевление получения бескислородных нанопорошков, что обусловлено следующим: 1) снижением расхода инертного газа и, соответственно связанных с этим затрат, поскольку газ после прохождения фильтров не удаляется из устройства, а возвращается на ее вход; 2) усовершенствованием системы улавливания нанопорошка и его сбора из фильтров: попеременное использование двух фильтров для улавливания нанопорошка позволяет снизить временные затраты на технический процесс получения нанопорошка путем чередования для каждого фильтра стадии накопления в нем нанопорошка со стадией сбора нанопорошка, в течение которой последовательное использование для сбора нанопорошка импульсной обратной продувки фильтровального материала и его вибрации, позволяют уменьшить трудоемкость сбора нанопорошка, увеличить эффективность сбора и продлить ресурс работы фильтровального материала за счет ограничения проникновения нанопорошка в его глубину.The proposed device in comparison with the prototype provides a reduction in the cost of obtaining oxygen-free nanopowders, which is due to the following: 1) a decrease in the consumption of inert gas and, accordingly, the associated costs, since the gas after passing through the filters is not removed from the device, but is returned to its inlet; 2) improvement of the system for trapping nanopowder and collecting it from filters: the alternate use of two filters for trapping nanopowder can reduce the time spent on the technical process of obtaining nanopowder by alternating for each filter the stage of accumulation of nanopowder in it with the stage of collecting nanopowder, during which the successive use of pulsed reverse blowing of the filter material and its vibration to collect nanopowder can reduce the complexity of collecting nanopowder, increase collection efficiency and prolong service life of the filter material by limiting the penetration of nanopowder into its depth.
На фиг. 1 приведена схема устройства для получения бескислородных нанопорошков вместе с обозначением элементов и вариантами возможных положений трехходовых шаровых кранов ВН1-ВН4 и переключателя потока. Рассмотрим получение с помощью этого устройства бескислородных нанопорошков в потоке инертного газа. Вначале все устройства газового тракта и ресивер импульсной обратной продувки заполняются инертным газом, поступающим из поста напуска газа, до требуемого давления, устанавливаемого редукторами РК1 и РК2. Для вытеснения воздуха все устройства продуваются до тех пор, пока газ в заявляемом устройстве не сменится 5-6 раз. После этого шаровый кран ВН3 переключается в положение 2, а ВН4 переключается в положение 1, чтобы образовать замкнутый газовый тракт. Положение кранов ВН1, ВН2 и переключателя потока выбирается в соответствии с тем, какой фильтр (РФ1 или РФ2) будет использован для сбора нанопорошка. Например, если нанопорошок будет собираться в РФ1, то краны ВН1 и ВН2 устанавливаются в положение 2, а переключатель потока ПП в положение 1. С помощью микроконтроллерной системы управления задают режим и включают непрерывное перемещение мишени М (вращение и поступательное в радиальном направлении), обеспечивающее постоянную скорость перемещения лазерного пучка по мишени, а также вертикальную скорость ее перемещения вверх по мере выработки. Затем включается насос КМ1 для прокачки газа по замкнутому тракту, объемный расход газа задается с помощью дросселя ДР и измеряется с помощью ротаметра РТ. Далее излучение лазера направляют в испарительную камеру ИК, фокусируя его на поверхность движущейся мишени, которая устанавливается в фокальную плоскость линзы. Для защиты входного окна от запыления продуктами лазерной абляции поток газа обдувает его и вместе с лазерным пучком проходит сквозь конусное сопло. По мере выработки, мишень соответствующим образом поднимается вверх. Пары мишени в виде лазерного факела распространяются в газ, охлаждаются и конденсируются. Образующийся нанопорошок и другие продукты лазерной абляции (капли расплава и осколки мишени) захватываются потоком инертного газа, поступающим из фильтра предварительной очистки РФ4, и переносятся в циклоны Ц1 и Ц2, в которых оседают крупные капли и осколки. Далее поток аэрозоля направляется с помощью переключателя потока ПП в один из фильтров с фильтровальным рукавом (РФ 1 или РФ2), где на поверхности фильтра с фильтровальным рукавом оседает нанопорошок.In FIG. Figure 1 shows a diagram of a device for obtaining oxygen-free nanopowders along with the designation of elements and options for possible positions of three-way ball valves VN1-VN4 and a flow switch. Let us consider the production of oxygen-free nanopowders in an inert gas flow using this device. First, all devices of the gas path and the receiver of the pulsed back purge are filled with inert gas coming from the gas inlet station to the required pressure, set by the gearboxes RK1 and RK2. To displace air, all devices are purged until the gas in the proposed device is replaced 5-6 times. After that, the ball valve BH3 switches to position 2, and BH4 switches to position 1 to form a closed gas path. The position of valves VN1, VN2 and the flow switch is selected in accordance with which filter (RF1 or RF2) will be used to collect the nanopowder. For example, if the nanopowder is collected in RF1, then the taps VN1 and VN2 are set to position 2, and the flow switch PP is set to position 1. Using the microcontroller control system, the mode is set and the continuous movement of the target M (rotation and translation in the radial direction) is switched on, which ensures a constant speed of the laser beam moving along the target, as well as the vertical speed of its movement upwards as it is developed. Then the pump KM1 is turned on for pumping gas through a closed path, the volumetric gas flow is set using the throttle DR and measured using a rotameter RT. Next, the laser radiation is directed to the IR evaporation chamber, focusing it on the surface of a moving target, which is installed in the focal plane of the lens. To protect the entrance window from dusting with laser ablation products, the gas flow blows over it and, together with the laser beam, passes through the cone nozzle. As you work out, the target rises accordingly. Target vapors in the form of a laser torch propagate into the gas, cool and condense. The resulting nanopowder and other products of laser ablation (melt drops and target fragments) are captured by the inert gas flow coming from the RF4 pre-filter and transferred to cyclones Ts1 and Ts2, in which large droplets and fragments settle. Next, the aerosol flow is directed by means of a flow switch PP to one of the filters with a filter bag (
При заполнении нанопорошком одного из фильтров с фильтровальным рукавом испарение мишени останавливают, шаровый кран ВН4 устанавливают в положение 2, чтобы импульсный газовый поток обратной продувки после очистки от нанопорошка мог выбрасываться в атмосферу. Рассмотрим процесс сбора нанопорошка на примере очистки фильтра РФ1. Для этого ресивер PC через соленоидный клапан СК2 заполняется газом до давления 4÷6 атм. Переключатель потока ПП устанавливается в положение 3, а трехходовые краны ВН1 и ВН2 в положение 1. Затем кратковременно открывается соленоидный клапан СК1 и через фильтр РФ1 пропускается в обратном направлении мощный импульс газового потока. Переключатель ПП не позволяет обратному потоку газа вместе с нанопорошком попасть в циклоны Ц1, Ц2 и в испарительную камеру ИК, предотвращая загрязнение оптических элементов в узле ввода и фокусировки излучения в камеру, а направляет этот поток во второй фильтр РФ2, затем в финальный фильтр РФ3 и, наконец, в атмосферу. При этом отделившийся от поверхности фильтра с фильтровальным рукавом нанопорошок остается в зоне сбора нанопорошка и осаждается в контейнерах, прикрепленных снизу к фильтрам РФ1 и РФ2. Затем оставшийся на поверхности фильтра с фильтровальным рукавом нанопорошок легко сбивается с помощью вибрации рукава, поскольку импульс обратной продувки нарушает сцепление слоя нанопорошка с поверхностью фильтра с фильтровальным рукавом. Для этого включается подвешенное к свободно висящему концу фильтра с фильтровальным рукавом вибрационное устройство, представляющее собой электродвигатель с эксцентриком. Сочетание импульсной обратной продувки фильтра с фильтровальным рукавом с его вибрацией позволяет увеличить эффективность сбора нанопорошка. Кроме того, импульсная обратная продувка ограничивает проникновение нанопорошка вглубь фильтровального материала, увеличивая ресурс его работы.When one of the filters with a filter bag is filled with nanopowder, the evaporation of the target is stopped, the ball valve VH4 is set to position 2, so that the pulsed back purge gas flow after cleaning from the nanopowder can be released into the atmosphere. Let us consider the process of collecting nanopowder using the example of cleaning the RF1 filter. To do this, the PC receiver is filled with gas through the solenoid valve SK2 to a pressure of 4÷6 atm. The flow switch PP is set to position 3, and the three-way valves VN1 and VN2 are set to position 1. Then the solenoid valve SK1 opens for a short time and a powerful pulse of gas flow is passed through the filter RF1 in the opposite direction. The switch PP does not allow the reverse flow of gas, together with the nanopowder, to enter the cyclones Ts1, Ts2 and into the IR evaporation chamber, preventing contamination of the optical elements in the input and focusing unit of radiation into the chamber, but directs this flow to the second filter RF2, then to the final filter RF3 and, finally, to the atmosphere. In this case, the nanopowder separated from the surface of the filter with a filter sleeve remains in the nanopowder collection zone and is deposited in containers attached from below to the RF1 and RF2 filters. Then, the nanopowder remaining on the surface of the filter with a filter bag is easily knocked off by means of the vibration of the bag, since the backflush pulse breaks the adhesion of the layer of nanopowder to the surface of the filter with a filter bag. To do this, a vibrating device suspended from the freely hanging end of the filter with a filter sleeve is switched on, which is an electric motor with an eccentric. The combination of pulsed backflushing of the filter with a filter bag with its vibration makes it possible to increase the efficiency of nanopowder collection. In addition, pulsed back blowing limits the penetration of nanopowder deep into the filter material, increasing its service life.
Таким образом, предложенное устройство по сравнению с прототипами позволяет увеличить производительность получения бескислородного нанопорошка и уменьшить его стоимость за счет циркуляции инертного газа по замкнутому газовому тракту при получении нанопорошка и более совершенной системы их улавливания из газового потока и последующего их сбора в контейнеры.Thus, the proposed device, in comparison with the prototypes, makes it possible to increase the productivity of obtaining an oxygen-free nanopowder and reduce its cost due to the circulation of an inert gas through a closed gas path when obtaining a nanopowder and a more advanced system for capturing them from a gas stream and their subsequent collection in containers.
Работоспособность предложенного устройства проверена на двух примерах.The performance of the proposed device was tested on two examples.
Селениды цинка и железа при нагреве испаряются в виде атомов металлов (Zn и Fe) и молекул селена (Se2 и т.п.), а при контакте с кислородом из воздуха пары окисляются. Таким образом, получать нанопорошок из селенида цинка необходимо в потоке инертного газа. В рассматриваемом примере (Пример 1) для этого использовался аргон, давление которого в испарительной камере было равно атмосферному давлению, а расход - ≈4 м3/час. Мишень испаряли с помощью непрерывного волоконного иттербиевого лазера, который генерировал импульсно-периодическое излучение со средней мощностью 300 Вт. Пиковая мощность лазерных импульсов была 600 Вт, их длительность 120 мкс, частота их следования 4160 Гц. Пиковая плотность мощности сфокусированного на мишень излучения составляла 0,46 МВт/см2. Мишенями служили таблетки диаметром 65 мм и высотой 18 мм, которые были спрессованы из грубого порошка ZnSe или его смеси с порошком FeSe в пропорции 99,97 вес.%:0,03 вес,%, а затем спечены в атмосфере водорода. Размер частиц в исходных порошках составлял от 0,3 мкм до 20 мкм. Линейная скорость перемещения поверхности мишени относительно точки фокуса лазерного излучения составляла ≈80 см/с. За 1 час испарения мишени в вышеуказанном режиме в фильтрах РФ1 или РФ2 нарабатывается 100 г нанопорошка, и каждый фильтр требуется очистить два раза. Последовательное использование импульсной обратной продувки и вибрации при регенерации фильтров РФ1 и РФ2 позволяет очистить от слоя нанопорошка до 95% площади фильтра с фильтровальным рукавом, после чего возможна дальнейшая наработка нанопорошка. Длительность описанного цикла очистки одного фильтра составляет 10 минут. Таким образом, производительность получения нанопорошка ZnSe на данном устройстве при использовании обратной импульсной продувки и вибрации для очистки фильтровального материала от нанопорошка составляет 100 г/(1 час+4*0,17 часа)≈60 г/час. Продолжительность ручной очистки каждого из фильтров РФ1 и РФ2 от нанопорошка составляет 40 минут, в течение которого требуется его разобрать и вручную удалить нанопорошок с поверхности фильтровального материала. Таким образом, производительность получения нанопорошка ZnSe с использованием ручного метода очистки фильтров составляет 100 г/(1 час+4*0,7 час)≈26 г/час, что в 2 раза меньше, чем в случае очистки фильтра с фильтровальным рукавом путем импульсной продувки и вибрации. На фиг. 2 приведена фотография полученного нанопорошка ZnSe (а) и распределение его частиц по размерам (б), построенное на основании измерения размеров 2100 частиц нанопорошка. Частицы нанопорошка имели размеры в диапазоне 3÷80 нм, а их средний арифметический размер составил 18 нм. В таблице 1 (см. в графической части) приведены результаты рентгенофазового анализа материала мишени ZnSe и нанопорошков из ZnSe и Fe:ZnSe, подтверждающие отсутствие в них фаз, содержащих кислород.When heated, zinc and iron selenides evaporate in the form of metal atoms (Zn and Fe) and selenium molecules (Se 2 , etc.), and upon contact with oxygen from the air, the vapors are oxidized. Thus, it is necessary to obtain a nanopowder from zinc selenide in an inert gas flow. In the example under consideration (Example 1), argon was used for this, the pressure of which in the evaporation chamber was equal to atmospheric pressure, and the flow rate was ≈4 m 3 /hour. The target was evaporated using a cw ytterbium fiber laser, which generated repetitively pulsed radiation with an average power of 300 W. The peak power of laser pulses was 600 W, their duration was 120 μs, and their repetition rate was 4160 Hz. The peak power density of radiation focused on the target was 0.46 MW/cm 2 . The targets were tablets with a diameter of 65 mm and a height of 18 mm, which were pressed from coarse ZnSe powder or its mixture with FeSe powder in a ratio of 99.97 wt.%:0.03 wt.%, and then sintered in a hydrogen atmosphere. The particle size in the initial powders ranged from 0.3 µm to 20 µm. The linear velocity of the target surface relative to the focus point of the laser radiation was ≈80 cm/s. For 1 hour of target evaporation in the above mode, 100 g of nanopowder is produced in the RF1 or RF2 filters, and each filter must be cleaned twice. Consistent use of pulsed back blowing and vibration during the regeneration of RF1 and RF2 filters makes it possible to remove the nanopowder layer from up to 95% of the filter area with a filter bag, after which further nanopowder production is possible. The duration of the described cleaning cycle of one filter is 10 minutes. Thus, the productivity of obtaining ZnSe nanopowder on this device when using reverse pulse purge and vibration to clean the filter material from nanopowder is 100 g/(1 hour+4*0.17 hour)≈60 g/hour. The duration of manual cleaning of each of the filters RF1 and RF2 from nanopowder is 40 minutes, during which it is required to disassemble it and manually remove the nanopowder from the surface of the filter material. Thus, the productivity of obtaining ZnSe nanopowder using the manual filter cleaning method is 100 g/(1 hour + 4 * 0.7 hour)≈26 g/hour, which is 2 times less than in the case of cleaning the filter with a filter bag by pulse blowing and vibration. In FIG. Figure 2 shows a photograph of the obtained ZnSe nanopowder (a) and the size distribution of its particles (b), built on the basis of measuring the sizes of 2100 nanopowder particles. The nanopowder particles had sizes in the range of 3÷80 nm, and their arithmetic average size was 18 nm. Table 1 (see the graphic part) shows the results of X-ray phase analysis of the ZnSe target material and ZnSe and Fe:ZnSe nanopowders, confirming the absence of phases containing oxygen in them.
Пример 2. Получение нанопорошка CaF2. При лазерном испарении флюорита кальция образуется пар из молекул CaF2, который при контакте с воздухом реагирует с содержащимися в воздухе парами воды с образованием газообразного ядовитого HF, а также может окисляться кислородом с образованием оксофторида кальция. Поэтому получение нанопорошка CaF2 производили в потоке аргона атомсферного давления, прокачиваемого с расходом 5 м3/час. Для испарения мишени использовался импульсно-периодический СО2 лазер, генерирующий излучение со средней мощностью 430 Вт, энергией и длительностью импульсов, 0,9 Дж и 330 мкс, соответственно. Мишенями служили таблетки диаметром 65 мм и высотой 20 мм, которые были спрессованы из грубого порошка CaF2 и спечены в атмосфере Ar. Производительность получения нанопорошка при использовании для очистки фильтров импульсной обратной продувки и вибрации фильтра с фильтровальным рукавом составила 12 г/час. На фиг. 3 приведена фотография полученных частиц нанопорошка (а) и распределение их по размерам (б). Полученные частицы нанопорошка слабо агломерированы, имеют сферическую форму, а их средний размер равен 39 нм. В таблице 2 (см. в графической части) приведены данные рентгенофазового анализа полученного нанопорошка, который является фторидом кальция с кубической решеткой (96 вес.%) и тетрагональной решеткой (4 вес.%) и не содержит в себе кристаллических фаз, содержащих кислород.Example 2. Obtaining nanopowder CaF 2 . During laser evaporation of calcium fluorite, vapor is formed from CaF 2 molecules, which, upon contact with air, reacts with water vapor contained in the air to form gaseous poisonous HF, and can also be oxidized by oxygen to form calcium oxofluoride. Therefore, the preparation of CaF 2 nanopowder was carried out in a flow of argon at atomic pressure, pumped at a flow rate of 5 m 3 /hour. The target was evaporated using a repetitively pulsed CO 2 laser generating radiation with an average power of 430 W, energy and pulse duration of 0.9 J and 330 μs, respectively. The targets were pellets 65 mm in diameter and 20 mm high, which were pressed from coarse CaF 2 powder and sintered in an Ar atmosphere. The productivity of obtaining nanopowder when using pulsed back blowing and filter vibration with a filter sleeve for cleaning filters was 12 g/hour. In FIG. Figure 3 shows a photograph of the obtained nanopowder particles (a) and their size distribution (b). The resulting nanopowder particles are weakly agglomerated, have a spherical shape, and their average size is 39 nm. Table 2 (see the graphic part) shows the data of X-ray phase analysis of the obtained nanopowder, which is calcium fluoride with a cubic lattice (96 wt.%) and a tetragonal lattice (4 wt.%) and does not contain crystalline phases containing oxygen.
Изобретение поясняется следующими фигурами и таблицами:The invention is illustrated by the following figures and tables:
Фиг. 1 Блок-схема устройства для получения нанопорошка. ИК - испарительная камера, ВН1-ВН4 - трехходовые шаровые краны, ПП - переключатель потока, РК1 и РК2 - редукторы, РФ1 и РФ2 - фильтры с фильтровальным рукавом, РФ3 - финальный фильтр с фильтровальным рукавом, КМ1 - насос, ДР - дроссель, РТ - ротаметр, М - мишень, Ц1 и Ц2 - циклоны, PC - ресивер, СК1, СК2 - соленоидный клапан.Fig. 1 Block diagram of a device for obtaining nanopowder. IK - evaporation chamber, VN1-VN4 - three-way ball valves, PP - flow switch, RK1 and RK2 - reducers, RF1 and RF2 - filters with a filter sleeve, RF3 - final filter with a filter sleeve, KM1 - pump, DR - throttle, RT - rotameter, M - target, C1 and C2 - cyclones, PC - receiver, CK1, CK2 - solenoid valve.
Фиг. 2. Типичные фотографии частиц нанопорошка ZnSe, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (а) и распределение этих частиц по размерам (б).Fig. Fig. 2. Typical photographs of ZnSe nanopowder particles obtained using a transmission electron microscope (a) and the size distribution of these particles (b).
Фиг. 3. Типичные фотографии частиц нанопорошка CaF2, полученные с помощью просвечивающего электронного микроскопа (а) и распределение их по размерам (б).Fig. Fig. 3. Typical photographs of CaF 2 nanopowder particles obtained using a transmission electron microscope (a) and their size distribution (b).
Табл. 1. Результаты рентгенофазового анализа мишени из ZnSe и полученных нанопорошков ZnSe и Fe:ZnSe.Tab. Fig. 1. Results of X-ray phase analysis of the ZnSe target and the resulting ZnSe and Fe:ZnSe nanopowders.
Табл. 2. Результаты рентгенофазового анализа нанопорошка CaF2.Tab. 2. Results of X-ray phase analysis of CaF 2 nanopowder.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2800348C1 true RU2800348C1 (en) | 2023-07-20 |
Family
ID=
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998009753A1 (en) * | 1996-09-03 | 1998-03-12 | Nanomaterials Research Corporation | Integrated thermal process and apparatus for the continuous synthesis of nanoscale powders |
| RU2185931C1 (en) * | 2001-01-24 | 2002-07-27 | Институт электрофизики Уральского отделения РАН | Method and apparatus for producing superfine powders of complex composition and mixture compositions |
| WO2003039790A2 (en) * | 2001-10-09 | 2003-05-15 | Washington University | Tightly agglomerated non-oxide particles and method for producing the same |
| CN1189277C (en) * | 2001-09-04 | 2005-02-16 | 宜兴市华科金属纳米材料有限公司 | Preparation for fine-superfines under normal pressure and its apparatus |
| RU2643287C2 (en) * | 2016-04-19 | 2018-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) | Method for obtaining nanopowder of compounds and mixture compositions and device for its implementation |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1998009753A1 (en) * | 1996-09-03 | 1998-03-12 | Nanomaterials Research Corporation | Integrated thermal process and apparatus for the continuous synthesis of nanoscale powders |
| RU2185931C1 (en) * | 2001-01-24 | 2002-07-27 | Институт электрофизики Уральского отделения РАН | Method and apparatus for producing superfine powders of complex composition and mixture compositions |
| CN1189277C (en) * | 2001-09-04 | 2005-02-16 | 宜兴市华科金属纳米材料有限公司 | Preparation for fine-superfines under normal pressure and its apparatus |
| WO2003039790A2 (en) * | 2001-10-09 | 2003-05-15 | Washington University | Tightly agglomerated non-oxide particles and method for producing the same |
| RU2643287C2 (en) * | 2016-04-19 | 2018-01-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук (ИЭФ УрО РАН) | Method for obtaining nanopowder of compounds and mixture compositions and device for its implementation |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ОСИПОВ В.В. и др. Лазерный синтез нанопорошков магнитных оксидов железа. Журнал технической физики. 2012, том 82, вып. 4, с. 117-123. СНЫТНИКОВ В.Н. и др. Получение наноматериалов путем испарения керамических мишеней излучением непрерывного СО2-лазера умеренной мощности. Прикладная механика и техническая физика. 2007, т.48, N2, с.172-184. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Dupendant et al. | Velocity distribution of micron-size particles in thin film laser ablation deposition (LAD) of metals and oxide superconductors | |
| US7717001B2 (en) | Apparatus for and method of sampling and collecting powders flowing in a gas stream | |
| KR100890295B1 (en) | Process and apparatus for ablation | |
| KR102276667B1 (en) | Optical assembly, in particular plasma light source or euv lithography system | |
| RU2800348C1 (en) | Method for producing oxygen-free nanopowders of inorganic compounds or mixed compositions and a device for its implementation | |
| JP2673978B2 (en) | Ultrafine particle manufacturing method and manufacturing apparatus | |
| JP2008515626A5 (en) | ||
| SE453056B (en) | APPARATUS FOR CUTTING A WORK PIECE | |
| CN112139493B (en) | Laminated molding device | |
| WO2017055207A1 (en) | Additive manufacturing apparatus and method | |
| JP2022530497A (en) | High-intensity laser-generated plasma light source | |
| UA44300C2 (en) | METHOD OF CLEANING OR RELEASE FROM THE POLLUTION OF THE SURFACE OF A METAL OBJECT USING THE IMPACT OF ULTRAVIOLETE LASER BEAMS | |
| EP4209332A1 (en) | Irradiation device for an apparatus for additively manufacturing three-dimensional objects | |
| RU2185931C1 (en) | Method and apparatus for producing superfine powders of complex composition and mixture compositions | |
| JPWO2007125816A1 (en) | Carbon nanohorn manufacturing apparatus and manufacturing method | |
| JPH1082887A (en) | Method for removing dust from nuclear fuel pellet, and device therefor | |
| JPWO2013024669A1 (en) | Method for producing microbeads made of thermoplastic polymer fine particles | |
| EP4370309A1 (en) | Powder production and recycling | |
| EP0588452B1 (en) | Purification apparatus and method for superconductor fine particles | |
| JPH0772047A (en) | Method and apparatus for laser vaporization analysis | |
| US5182253A (en) | Purification apparatus for superconductor fine particles | |
| JPH086128B2 (en) | How to make an ultrafine particle suspension | |
| RU2465983C2 (en) | Method of producing nanopowder and device to this end | |
| EP0259459A1 (en) | Powder atomizing methods and apparatus. | |
| JP2588971B2 (en) | Laser deposition method and apparatus |