Специальность 01. 04. 07 Физика конденсированного состояния электровзрывные нанопорошки неорганических материалов: технология производства, характеристики, области применения

Вид материала

Автореферат

Содержание Общая характеристика работы R&D Magazine Space Technology Hall of Fame Award 2005 Краткое содержание работы В первой главе С в порошке (а) и среднеповерхностного диаметра частиц (б) от Е/Е Р, при увеличении давления от 10 Па до 4·10 Па, С Основные публикации по теме диссертационной работы.

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности, 322.8kb.
• Паспорт специальности 01. 04. 07 – физика конденсированного состояния, 1004.81kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины «Физика конденсированного состояния, термодинамика,, 223.9kb.
• Рабочая программа по дисциплине "Химическая технология неорганических веществ " Направление:, 112.47kb.
• Министерство образования Российской Федерации международный университет природы, общества, 1374.95kb.
• Ён Викторович Методы визуализации кинетики зарождения и роста углеродных наноструктур, 219.01kb.
• 010600 Физика конденсированного состояния вещества, 483.85kb.
• Рентгенографические исследования и построение моделей структуры ряда углеродных материалов, 315.25kb.
• Кинетика старения медно-бериллиевых сплавов в постоянном магнитном поле 01. 04., 427.06kb.
• Лекторий для будущих абитуриентов! «Ученые Омгту о достижениях современной науки», 19.3kb.

На правах рукописи


Лернер Марат Израильевич


Специальность 01.04.07 – Физика конденсированного состояния


ЭЛЕКТРОВЗРЫВНЫЕ НАНОПОРОШКИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ: ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук


ТОМСК 2007

Работа выполнена в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН и в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете


Официальные оппоненты:

член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор Жарков А. С.


доктор технических наук, профессор Смирнов С. В.,


доктор физико-математических наук, профессор Ищенко А. Н.


Ведущая организация: Институт электрофизики УрО РАН, г. Екатеринбург


Защита состоится «_29_» мая ____2007 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета…Д 212.269.02при Томском политехническом университете по адресу: 634034, г. Томск, пр. Ленина 30.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.


Автореферат разослан «____» февраля 2007 г.


Ученый секретарь совета диссертационного совета

Доктор физико-математических наук М. В. Коровкин


ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одно из важнейших направлений нанотехнологии - это получение наноразмерных порошков (нанопорошков). Наряду с развитием фундаментальных научных аспектов направления огромное значение имеет разработка прикладных задач, касающихся технологии производства и применения наноразмерных материалов.

Большое практическое значение имеют физические методы получения нанопорошков, при которых образование наночастиц происходит в экстремальных условиях (высокие температуры и скорость процесса), что приводит к формированию неравновесной структуры дисперсной фазы. Поэтому в первую очередь обращают на себя внимание технологии, основанные на импульсных процессах с высокими скоростями изменения термодинамических параметров системы.

Одним из перспективных методов получения широкой гаммы нанопорошков неорганических материалов является технология, основанная на процессе электрического взрыва проводника (ЭВП, ЭВП - технология). В зависимости от рода газа, окружающего проводник, и металла проводника электрический взрыв позволяет получать нанопорошки металлов, сплавов, химических соединений или нанопорошки композиционного состава.

Основными достоинствами ЭВП-технологии по отношению к другим физическим методам получения нанопорошков являются:

1. Высокий КПД передачи энергии, достигающий 90 %. В ЭВП-технологии энергия импульсно вводится непосредственно в объем металла, при этом расход энергии на нагрев окружающей среды относительно низок.
   
2. Возможность гибкого регулирования параметров процесса и, соответственно, характеристик получаемых нанопорошков.
   
3. Сравнительно небольшой относительно других физических методов разброс частиц по размерам.
   
4. С одной стороны, относительная стабильность свойств электровзрывных нанопорошков в нормальных условиях, с другой - высокая активность в различных химических процессах.
   
5. Универсальность метода. В ЭВП-технологии единственное ограничение – это использование проводящего материала необходимого диаметра. Метод позволяет получать широкий спектр наноразмерных материалов.
   
6. Невысокая стоимость оборудования, его простота, малые массогабаритные показатели.
   

В России и за рубежом в настоящее время в ряде организаций уже создано опытное оборудование для производства нанопорошков методом электрического взрыва, эксплуатация которого показывает перспективность дальнейшего развития направления до промышленного уровня. Однако современный уровень развития ЭВП-технологии не позволяет осуществить массовое производство нанопорошков с прогнозируемыми свойствами.

Поскольку свойства всех высокодисперсных порошков в сильной степени определяются способами их получения, технологии использования электровзрывных нанопорошков также должны разрабатываться с учетом особенностей их синтеза.

Таким образом, актуальность темы обусловлена необходимостью дальнейшего развития электровзрывной технологии получения нанопорошков позволяющей как организовать производство нанопорошков в массовых количествах, так и создать новые продукты и технологические процессы с их использованием.

Цель работы и задачи исследований. Цель работы - изучение влияния основных условий получения электровзрывных нанопорошков на структуру, дисперсный и фазовый состав наночастиц; разработка оборудования для производства нанопорошков металлов и химических соединений методом ЭВП; определение перспективных областей применения нанопорошков.

Задачами диссертационной работы являются:

1. Исследования дисперсного и фазового состава, структуры наночастиц от значимых параметров электрического взрыва и газовой среды. Анализ возможного механизма диспергирования металла под воздействием импульса тока большой мощности и процесса формирования наночастиц.

2. Исследование термической стабильности нанопорошков. Изучение вопросов агломерации, деагломерации наночастиц металлов. Исследования структуры нанопорошков. Разработка методов пассивации, деагломерации и микрокапсулирования наночастиц.

3. Создание высокопроизводительного оборудования для получения нанопорошков методом ЭВП, основанное на разработке новых технических решений. Изучение вопросов безопасного обращения с нанопорошками, включающее определение критериев их пожароопасности, выбор правил упаковки и транспортировки нанопорошков.

4. Исходя из свойств электровзрывных нанопорошков, определение некоторых потенциальных областей их применения - улучшение характеристик смазочных материалов, в высокоэнергетических материалах и процессах, синтез новых материалов, модификация клеев, создание фильтровальных материалов.

Перечисленные задачи решались при выполнении исследований по госбюджетным и хоздоговорным тематикам, проводившимися в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете и Институте физики прочности и материаловедения СО РАН, в частности по контрактам с Лос - Аламоской Национальной Лабораторией, США (контракт LANL–T2 –0190–RU); Национальной Лабораторией возобновляемых источников энергии, США (контракты NREL-T2-0200A-RU, NREL-T2-0200-A-RU) выполненных в 2001 – 2005 гг. и при поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (Государственный контракт № 02.447.11.2008 от 22.07.2005г. по ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002-2006 годы).

Методы исследования. Разработка положений диссертации стала возможной благодаря комплексному использованию экспериментальных и теоретических методов исследования. Эксперименты по получению нанопорошков и исследованию их характеристик в зависимости от параметров ЭВП проводились как на экспериментальном оборудовании, так и на опытных установках, предназначенных для получения нанопорошков в массовых количествах. Для измерения напряжения и тока в LC–контуре использовался осциллографический метод. Расчет энергосодержания взрывающегося проводника проводился по осциллограммам тока. Для теоретического метода исследования характеристик взрывающегося проводника применялся МГД-расчет. В исследованиях характеристик нанопорошков применялись классические методы, используемые для анализа дисперсных систем. При изучении показателей пожароопасности нанопорошков использовались рекомендации соответствующих российских ГОСТ, IATA (Dangerous Goods Regulations), методика ESD STM5.1:1998—Electrostatic discharge sensitivity testing—Human body model. Разработанные теоретические положения и технические решения опробованы экспериментально. Достоверность полученных результатов проверялась в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН; НИИ высоких напряжений; Институте катализа им. Борескова СО РАН; Институте химии нефти СО РАН; Томском политехническом университете; Томском государственном университете; Томском государственном архитектурно-строительном университете; Омском танковом институте; ФГУП «Вектор», г. Новосибирск; Лос-Аламоской Национальной Лаборатории и Национальной Лаборатории возобновляемых источников энергии, США; Корпорации Argonide, США.

Научная новизна.

1. Впервые установлены количественные зависимости дисперсного состава и структурных характеристик электровзрывных нанопорошков от диаметра проводника, температуры газовой среды и энергии, выделившейся в последующем дуговом разряде. Дополнены и систематизированы с учетом других значимых параметров электрического взрыва зависимости дисперсного состава нанопорошков от удельного энергосодержания взрывающегося проводника и давления рабочего газа.

2. Предложена феноменологическая модель разрушения проводника и формирования наночастиц при плотностях тока, используемых для получения нанопорошков. Впервые экспериментально установлено, что при ЭВП возможно образование частиц, состоящих из кристаллических блоков (кристаллитов) и фрактальной структуры собственно нанопорошка.

3. Предложены новые конструкторские решения сепаратора, фильтра, реактора и дополнительные технические элементы (холодильник, циклон, механический фильтр) установки для производства электровзрывных нанопорошков, обеспечивающих надежную и производительную работу оборудования с частотой около 1,5 Гц.

4. Определена термическая стабильность нанопорошков Cu, Al, Ni, Zn, Sn, Ag и установлены характеристики пожароопасности нанопорошков Al, Al-AlN, Cu, Fe, Ni, Zn. Предложены режимы пассивации (нанопорошки Al, Zn), деагломерации (нанопорошки Al, Cu) и микрокапсулирования алюминиевых нанопорошков.

5. Разработаны и внедрены следующие продукты:

- синтезированы нановолокна оксидно-гидроксидных фаз из нанопорошков алюмонитридной композиции, создан и испытан микробиологический фильтровальный материал на основе нановолокон;

- предложены и испытаны металлопалкирующие смазочные составов, легированные нанопорошками меди, латуни и сплава олово – свинец позволяющие снизить износ, коэффициент трения, относительный уровень вибрации и увеличить нагрузку схватывания деталей трения.

Практическая ценность работы.

1. Установлены зависимости характеристик нанопорошков металлов и химических соединений (AlN, Al₂O₃, TiN, TiO₂ ZnO) от параметров электрического взрыва и газовой среды, способы и условия пассивации и деагломерации, позволяющие производить нанопорошки с заданными свойствами; осуществить микрокапсулирование нанопорошка алюминия. Разработана технология синтеза нановолокна оксидно-гидроксидных фаз и оксида алюминия из нанопорошков алюмонитридной композиции с требуемыми характеристиками;

По итогам ежегодного конкурса американского журнала R&D Magazine, в 2000 году электровзрывные нанопорошки металлов вошли в число 100 лучших наукоемких продуктов рынка США. В 2002 г. аналогично были отмечены нановолокна оксида алюминия.

2. Разработанные компоновка и конструкции элементов установки обеспечили повышение производительности оборудования приблизительно в 3 раза и улучшили качественные показатели нанопорошков.

В компании ООО «Передовые порошковые технологии», г. Томск, создано опытно-промышленное производство нанопорошков и нановолокон объемом до 1000 кг в год. Нанопорошки выпускаются по ТУ 1791-002-36280340-2005 и имеют Сертификат качества и Паспорт безопасности вещества, составленный по директиве Европейского Сообщества 91/155. Указанные документы разработаны по результатам исследований диссертационной работы.

3. Установлены критерии пожароопасности и проведена классификация нанопорошков металлов согласно требованиям российских ГОСТ, международным правилам ИКАО и IATA, позволяющие осуществлять их безопасную транспортировку.

4. На основе нановолокон оксидно-гидроксидных фаз в ИФПМ СО РАН и ООО «Аквазон», г. Томск создано производство микробиологического электроположительного фильтровального материала. Разработана серия устройств микробиологической очистки воды различной производительностью для применения в системах водоподготовки (см. wwww.aquavallis.com).

Нановолоконные фильтры с матрицей из стекловолокна были признаны NASA, США, на конкурсе Space Technology Hall of Fame Award 2005, одной из четырех лучших разработок года.

5. Присадка «Гарант-М» на основе нанопорошков меди, цинка, латуни выпускается компаниями ООО «Техносинтез» и ООО «Передовые порошковые технологии». Присадки «Гарант-М» использовались АО «Разрез Бородинский» (Красноярский край), «Разрез Прокопьевский» (г. Прокопьевск), АООТ «Красный Брод» (Кемеровская обл.), АО «Вахрушевская автобаза» (г. Киселевск), Кемеровоавтодор и др.

На защиту выносятся следующие положения:

1. При воздействии мощного импульса электрического тока на металлический проводник, в режимах получения нанопорошков, металл разграничивается на кластеры размером не более 10 нм. Полного испарения кластеров при расширении продуктов взрыва не происходит, а наночастицы формируются в результате коагуляции и коалесценции кластеров в расширяющихся продуктах взрыва, и начинается до перемешивания основной массы вещества с окружающим газом. На рост частиц, влияют концентрация коагулирующих кластеров и температура газовой среды, которые определяются начальным диаметром и удельным энергосодержанием взрывающегося проводника, давлением и температурой рабочего газа, энергией, выделившейся в последующем дуговом разряде.

Образование частиц химических соединений происходит вследствие химических реакций на поверхности частиц или в области газопаровой фазы, граничащей с поверхностью частиц. При этом продукты реакции в зависимости от ее типа могут быть как в жидкой, так и в твердой фазе. Размер частиц и содержание химического соединения в порошке определяются энергией, введенной в проводник, химической активностью, давлением и концентрацией активного газа.

Получены зависимости дисперсного, фазового и химического состава, структуры наночастиц от условий синтеза и температуры.

2. В нанопорошках металлов реализуются два уровня объемной структуры - блочное строение наночастиц, при пониженной температуре рабочего газа, и фрактальная структура агломератов.

В структуре металлических наночастиц наблюдаются множественные дефекты: дислокации, дефекты упаковки, границы между двойниками. На поверхности пассивированных металлических частиц в контакте с металлической фазой расположен аморфный или кристаллический слой оксидной фазы, на поверхности оксида металла находится слой оксокарбида, карбида или карбоната контактирующие с гидроксидными фазами. Поверхностный слой неоднороден по толщине, более дефектен по сравнению с объемной частью частиц и имеет поликристаллическую структуру.

При синтезе композиционных порошков, химическое соединение находится на поверхности наночастиц в контакте с металлической фазой.

3. Температура спекания исследованных нанопорошков металлов ниже температуры плавления компактного металла (Т_сп ≤ 0,3Т_пл). Спекание начинается с наиболее мелкой фракции, сопровождается образованием прочных шеек между частицами. Металлы с низкой температурой плавления (Al, Zn, Sn), спекаются при нормальных условиях. Теплота окисления, выделяющаяся при пассивации нанопорошков в кислородосодержащей атмосфере, способствует спеканию наночастиц и приводит к росту их размеров. При пассивации нанопорошков алюминия и цинка сухим воздухом, оптимальная скорость потока газа составляет V ≤ 5 мл/мин.

Результаты исследования критериев пожароопасности нанопорошков.

4. Процесс деагломерации возможен при получении наночастиц при температуре рабочего газа не более 5° С, под действием ультразвука (мощность около 0,8 - 1 Вт/см³, частота 27 – 35 кГц, время обработки 10 – 15 мин) в этиловом спирте в присутствии веществ, образующих хелатные комплексы с соответствующими металлами.

5. Конструктивные решения элементов, позволяющих повысить производительность и надежность работы установки по получению нанопорошков:

- устройства сепарации;

- фильтра для улавливания наночастиц;

- реактора для взрыва проводников.

Модернизированная конструкция установки для производства электровзрывных нанопорошков неорганических материалов с частотой работы 1,5 Гц включающая в себя устройства охлаждения потока газа и выгрузки порошков без контакта с воздухом; циклонный и механический фильтры, механический управляемый разрядник.

6. Реализованные перспективные области применения электровзрывных нанопорошков:

- легирование жидких и консистентных товарных смазок нанопорошками меди, латуни, цинка и сплава олово - свинец;

- синтез из нанопорошков алюмонитридной композиции электроположительных нановолокон оксидно-гидроксидных фаз.

Личный вклад автора. Диссертация является итогом многолетних исследований, проведенных в НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете и Институте физики прочности и материаловедения СО РАН при непосредственном участии и руководстве автора. Автор внес определяющий вклад в постановку задач исследования, выбор направлений и методов исследования. Часть результатов получена совместно с соавторами. Фамилии соавторов, принимавших участие в отдельных направлениях исследований, указаны в списке публикаций по теме диссертации. Исследования зависимости свойств нанопорошков от условий электрического взрыва и условий последующей обработки, исследования структуры нанопорошков, феноменологическая модель электрического взрыва, разработка технологического оборудования, концепции создания присадок на основе нанопорошков цинка, латуни и сплава олово – свинец, фильтров на полимерной основе принадлежат лично автору.

Апробация работы и публикации. Результаты диссертационной работы докладывались на 12 всероссийских, российских конференциях и всероссийских конференциях с международным участием и 17 международных конференциях: Электроимпульсная технология и электромагнитные процессы в нагруженных твердых телах (Томск, 1982); Первый всесоюз. симпозиум по макроскопической кинетике и химической газодинамике (Черноголовка, 1984); Методы исследования в химии и химической технологии (Томск, 1986); Получение, свойства и применение энергонасыщенных ультрадисперсных порошков металлов и их соединений (Томск, 1993); V, VI Всерос. конф. «Физико-химия ультрадисперсных систем» (Москва, 2000; Москва, 2003); Всерос. конф. молодых ученых (Томск, 2000; ); I, II, III Всерос. научная конф. «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий» (Томск, 2000, 2002, 2004); Теоретические и прикладные основы физико-химического регулирования свойств нефтяных дисперсных систем (Томск, 2001); I Всерос. конф. «Химия для автомобильного транспорта» (Новосибирск, 2004); Proceedings of the International Pyrotechnics Seminar, 24th (США, 1998); Межд. научно-техническая конф., посвященная памяти генерального конструктора аэрокосмической техники, академика Н.Д. Кузнецова (Самара, 2001); Межд. научно-техническая конф. "Надежность машин и технических систем" (Минск, 2001); Proceedings of the American Society for Composites, Technical Conference, 16th (США, 2001); 4-я Межд. научно-техническая конф., посвященной 60-летию ОмГТУ. (Омск, 2002); 1-я Межд. конф. «Современные проблемы машиностроения и приборостроения» (Томск, 2002); X APAM SEMINAR and III CONFERENCE “MATERIALS OF SIBERIA”, “NANOSCIENCE AND TECHNOLOGY” devoted to 10^th anniversary of APAM PROCEEDINGS (Novosibirsk, 2003); Межд. конф. «Физико-химические процессы в неорганических материалах (ФХП-9) (Кемерово, 2004); Межд. конф. «Физико-химические процессы в неорганических материалах (ФХП-9) (Кемерово, 2004); International Workshop on MEMS and NANOTECHNOLOGY INTEGRATION (MNI): APPLICATIONS (Switzerland, 2004); 5-я Межд. научно-техническая конф., посвященной 60-летию ОмГТУ (Омск, 2004); Межд. конф. «Высокоэнергетические материалы.  Демилитаризация и гражданское применение» (Бийск, 2004); Progress in combustion and detonation. Zel`dovich Memorial (Москва, 2004); 5th International High Energy materials Conference &Exhibit (India, 2005); 36^th International Annual Conference of ICT & 32^th International Pyrotechnics Seminar (Federal Republic of Germany, 2005); Energetic Materials, 37th International Annual Conference of ICT (Federal Republic of Germany, 2006); Межд. конф. по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке новых материалов (Томск, 2006).

Результаты исследований изложены в 64 докладах на конференциях, статьях, патентах. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и изложена на 334 страницах, содержит 175 рисунков и 28 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 244 наименования.


КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, научная новизна и практическая ценность работы. Излагается краткое содержание диссертации, и формулируются выносимые на защиту научные положения.

В первой главе на основании анализа литературных данных рассматривается современное состояние исследований в области теории электрического взрыва, методы расчета характеристик и выбора параметров ЭВП, свойства нанопорошков и их связь с условиями процесса, фазовое состояние продуктов взрыва, модель строения частиц металлов, области применения электровзрывных нанопорошков и конструкции оборудования для получения нанопорошков. Сформулирована цель и задачи исследования.

ЭВП реализуется при прохождении через металлический проводник импульса тока плотностью 10⁶ – 10⁹ А/см². Обычно из–за простоты реализации процесса электрический взрыв осуществляется в LC-контуре. Для обеспечения однородности электрического взрыва, и, следовательно, однородности дисперсного состава получаемых при ЭВП порошков, а также для упрощения экспериментального и технологического оборудования оптимальными для получения нанопорошков, являются условия, при которых плотность тока: 10⁷ А/см² ≤ j ≤ 10⁸ А/см².

Одна из первых моделей ЭВП рассматривает взрыв как процесс, происходящий за счет парообразования на поверхности проводника и последующего движения фронта фазового перехода к оси проводника (модель «волны испарения»). Однако многочисленные проверки модели «волны испарения» показали, что электрический взрыв в основном обусловлен объемными процессами.

Модели, связывающие электрический взрыв с процессом гомогенного образования зародышей с паром в объеме металла, не выдерживают критики. Установлено, что начало взрывного вскипания не связано с перегревом жидкой фазы и находится в окрестности или незначительном заходе фазовой траектории за бинодаль, что не позволяет отождествлять начало взрывного вскипания металла с моментом достижения предельной температуры перегрева жидкости.

В литературе в качестве центров гетерогенного парообразования рассматриваются примеси, микро- и макронеоднородности структурного и механического происхождения (границы зерен), заряженные частицы присутствующих вблизи бинодали. Также обсуждаются модели связанные с превращением металла проводника в золь вследствие разграничения вещества на длине свободного пробега электронов или под действием термоупругих сил. Тем не менее, единое мнение относительно механизма электрического взрыва и фазового состояния продуктов взрыва отсутствует. Однако Седым с соавторами установлена связь между исходной структурой проводника и дисперсностью образующихся нанопорошков. Это и результаты моделирования процесса ЭВП, проведенные Орешкиным, позволяют сделать вывод, что основная масса расширяющихся продуктов взрыва, при режимах взрыва используемых для получения нанопорошков, находится в двухфазном состоянии.

В связи с отсутствием достоверного физико-математического описания электрического взрыва для оценки параметров используются инженерные эмпирические или полуэмпирические модели. Для выбора исходных параметров ЭВП широко используются безразмерные или размерные комплексы, полученные при применении теории подобия и размерностей (Азаркевич, Котов, Седой, Шнеерсон). Эти комплексы позволяют при наличии некоторого числа опорных экспериментов предсказать электрические и энергетические параметры электрического взрыва. Афонин, Бакунин, Лучинский с соавторами предложили магнитогидродинамический (МГД) метод расчета характеристик ЭВП. Кроме электрических характеристик, МГД – расчет позволяет оценить временные зависимости таких параметров продуктов взрыва, как энергия, давление, плотность, радиус контактной поверхности продукты взрыва - газовая среда. Вероятно, некоторые данные МГД – расчета можно привлечь для оценки состояния продуктов взрыва, по крайней мере, в том временном интервале, где результаты расчета (кривые тока и напряжения, радиус контактной поверхности) согласуются с экспериментом.

Рядом исследователей установлено, что метод электрического взрыва проводников позволяет получать нанопорошки металлов, сплавов и химических соединений. В литературе представлены данные по влиянию некоторых характеристик ЭВП на свойства нанопорошков. В качестве управляющих факторов, определяющих размер частиц, рассматриваются зарядное напряжение, удельная энергия, запасенная в контуре, время взрыва, введенная в проводник энергия, плотность тока, электрофизические свойства металла проводника и давление плотность газа, окружающего проводник. По данным Давыдовича вероятным механизмом формирования крупных частиц (> 10^-6 м) является жидкокапельное диспергирование металла, возникающее при взрыве проводника вследствие концевых эффектов.

На основании рентгеновских исследований Яворовским предложена модель частицы металла, состоящая из кристаллических зерен, пор и газовых включений, расположенных в аморфной или квазиаморфной матрице. На поверхности частицы находится адсорбированный слой газа, в котором осуществлялся электрический взрыв.

В ряде работ описан способ получения сплавов и интерметаллических соединений при одновременном взрыве параллельных проводников. Число и диаметр проволочек подбирался так, чтобы обеспечить заданное соотношение компонентов в сплаве, которое обычно соответствует составу того или иного интерметаллида. Этим методом удалось получить соединения CuAl₂, FeAl, FeAl₃, Fe₂Al₅. Дисперсность и фазовый состав интерметаллических соединений регулируются введенной энергией и расстоянием между проволочками.

При синтезе нанопорошков химических соединений процесс электрического взрыва проводника проводится в активном газе. В ряде работ показана принципиальная возможность синтеза в условиях ЭВП йодидов, сульфидов, карбидов магния и алюминия, нитридов алюминия, магния, титана, цинка, циркония, тантала и родия, карбидов и фторидов металлов. Выход карбида можно регулировать изменением количества электрической энергии, подаваемой на проволоку, и скоростью последующего снижения температуры газовой среды. Выход нитрида повышался при увеличении зарядного напряжения конденсаторов и давления газа, окружающего проводник. Выход фторидов вольфрама и молибдена практически не зависел от стехиометрического соотношения металл – газ, но увеличивался при увеличении электрической энергии, запасенной в контуре. Также установлено, что выход оксида алюминия растет с увеличением концентрации кислорода в атмосфере аргона.

В литературе рассматриваются некоторые свойства и возможные области применения электровзрывных нанопорошков. Особенностью нанопорошков является то, что они спекаются во фронте самораспространяющейся тепловой волны, что позволило некоторым авторам говорить о наличии в порошках избыточной запасенной энергии. По мнению Ильина это связанно с наличием энергонасыщенной зарядовой структурой в частицах. По данным автора, в интервале температур 200 – 270 °С, избыточная энергия нанопорошка серебра составила (370 – 740,7) кДж/кг.

В общем виде, Яворовским, сформулированы отличительные признаки электровзрывных нанопорошков от свойств дисперсных материалов, полученных другими методами:

- низкие температуры спекания;

- высокая химическая активность, которая многократно возрастает при достижении температур 200 – 500 °С;

- аномально высокое значение коэффициента поглощения электромагнитного излучения в широком диапазоне частот;

- пониженная работа выходов электронов;

- наличие избыточной (запасенной) энергии.

В литературе указывается, что применение электровзрывных нанопорошков перспективно в качестве катализаторов, для синтеза нановолокон оксидных фаз алюминия и их применения в качестве высокоэффективных сорбентов неорганических загрязнений, для модификации смазочных составов, синтеза нитрида алюминия при горении смесей нанопорошков и грубодисперсных порошков алюминия, получения ультрадисперсного дисульфида молибдена, получения «горячего» водорода, создания новых металлизированных горючих на основе наноалюминия.

Систематизация и анализ конструкций устройств для получения нанопорошков, представленных в литературе, позволили установить элементы установки, необходимые для её надежной и производительной работы. Тем не менее, для организации массового производства электровзрывных нанопорошков существующее оборудование малопригодно вследствие малой производительности.

Из обзора литературных данных можно сделать следующие выводы.

1. Электрический взрыв проводника развивается вследствие процессов, происходящих в его объеме. Однако конкретный механизм процесса разрушения проводника не ясен. Предлагаемые механизмы гомогенного и гетерогенного вскипания плохо подтверждаются экспериментальными данными, и вопрос о центрах парообразования остается открытым. Процесс разрушения проводника, вероятно, определяется действием объемных термоупругих сил.

2. При ЭВП металл проводника находится в двухфазном состоянии. Размер наночастиц связан со структурой металла проводника. Данные рентгеновских исследований показывают, что отдельные металлические частицы состоят из кристаллических структурных фрагментов.

3. Характеристики металлических нанопорошков при ЭВП определяются электрофизическими свойствами металла, плотностью введенной в проводник энергии, плотностью тока, давлением и плотностью окружающей газовой среды. Вероятным механизмом формирования крупных частиц является жидкокапельное диспергирование металла при взрыве проводника вследствие концевых эффектов. Определение зависимости среднего размера частиц металлов от удельного энергосодержания взрыва и давления газа проводилось без учета других характеристик ЭВП.

5. Метод ЭВП позволяет получать широкую гамму химических соединений металлов. При электрическом взрыве удается осуществить ряд реакций между веществами, относительно инертными друг к другу. Средние размеры частиц химических соединений, как правило, меньше размеров частиц металлов и лежат в интервале (10 ÷ 50) нм. Методом рентгеноструктурного анализа обнаружена поликристалличность крупных частиц.

6. Количество образующегося химического соединения определяется введенной в проводник энергией, концентрацией химически активного газа в инертной атмосфере, давлением и скоростью изменения температуры газовой среды. Выход химического соединения не зависит от стехиометричности соотношения металл – химически активный газ. Подробный анализ влияния всех значимых параметров ЭВП на выход химического соединения не проводился.

7. Вследствие высокой активности электровзрывных нанопорошков, их применение перспективно в высокоэнергетических процессах, смазочных материалах, синтезе новых материалов (нановолокон, тугоплавких соединений) и в других областях, связанных с химическими процессами.

8. Для организации массового производства электровзрывных нанопорошков необходима модернизация, как отдельных элементов, так и установки в целом.