Сакович Г. Получение новых материалов применением

Г.В. Сакович
Получение новых материалов применением
высокоэнергетических веществ
1
2014
Синтез наноматериалов в детонационной
волне из высокоэнергетических
соединений
Уникальность метода:
- чрезвычайно высокие температуры (до 6000K) и
давления (до 500 тыс. атм.)
- крайне малая продолжительность
процесса (0,1÷2 мкс)
- высокая скорость “закалки” продуктов:
скорость падения температуры – неск. млн. град/с
2
Фазовая диаграмма наноуглерода
450
Жидкий
углерод
400
- ТНТ
350
2
- октоген
Наноалмаз
- CL-20
Давление, кбар
300
1 – линия фазового
равновесия сажананоалмаз
2 – линия плавления
наноалмаза
3 – линия плавления
неалмазного
углерода
- бензотрифуроксан
- ТГ-50/50
250
Неалмазные
формы
углерода
200
150
1
— статическая
диаграмма
углерода
100
Графит
50
0
2000
2500
3000
3500
4000
3
4500
5000
5500
Температура, К
3
Аппаратурно-технологическая схема
автоматизированного комплекса синтеза УДА
(запущен в 1984 г.)
в атмосферу
Объем камеры, м3
3,0
Цикл подрыва, мин.
2÷2,5
Масса заряда, кг
0,65
Мощность, кг/год
2000
4
Основные факторы, влияющие на выход
ультрадисперсных алмазов
1. Условия образования алмазов в детонационной волне:
- состав и плотность взрывчатого вещества,
- структура и свойства молекулы ВВ
- дисперсность компонентов смесевого гетерогенного
ВВ
2. Детонация заряда, как реального физического тела:
- форма, размеры, масса заряда,
- наличие и свойства оболочки,
- мощность и положение инициирующего импульса
3. Сохранение УДА при синтезе во взрывной камере:
- состав и давление газовой среды,
- объем взрывной камеры,
- масса заряда
5
Выход КУ и УДА при детонации некоторых ВВ
ВВ
ρ0, г/см3
ВКУ, %
ВУДА, %
СУДА, %
ТНТ
1,586
18,91 ± 0,38
2,49 ± 0,36
13,18
ТАТБ
–
13,19 ± 1,83
3,91 ± 0,76
29,62
ТНБ
1,605
13,88 ± 0,25
3,47 ± 0,19
24,98
Гексоген
1,616
8,11 ± 0,11
1,09 ± 0,01
13,44
Баллиститный порох
РСИ-60
1,590
9,54
2,86
29,90
СТТ ТТФ-56/3
1,600
3,80
0,10
2,60
ТНТ/гексоген -60/40
1,665
11,67 ± 0,06
7,66 ± 0,09
65,68
ТНТ/октоген(ВДО)70/30
1,692
13,73 ± 0,17
11,19 ± 0,08
81,51
6
Основные области применения
детонационных наноалмазов
Область применения
Гальванические покрытия:
-Cr+УДА
-Ni+УДА
-Cu, Au, Ag, Zn, Sn, …+УДА
Содержание
УДА, %
0,31,0
0,1-0,7
до 1
Эффективность
Повышение износостойкости в 2-12 раз
Повышение износостойкости в 5-6 раз
Повышение износостойкости до 15 раз
Полирование:
(микроэлектроника,
оптоэлектроника, видимая и
рентгеновская оптика, …)
2-5
Максимальный уровень шероховатости, нм
- твердые сплавы – 1-5
- кремний – 0,5-1,5
- кристалл бромистого калия – 2-3
Модификаторы трения:
(автомобильные масла,
смазочно-охлаждающие
жидкости)
0,1-0,3
Снижение коэффициента трения на 20-30 %
Уменьшение износа трущихся пар в 1,5-3
раза
Модификаторы
полимерных материалов:
(резино-техническая
промышленность)
2-7,5
Снижение коэффициента истирания:
-полярных каучуков в 1,1-3,2 раза
-неполярных каучуков в 1,1-5,3 раза
7
8
Постановление Совета Министров
СССР от 29 апреля 1989 г. № 363-97
Перечень
подлежащих строительству и вводу в 1990-1995 годах объектов, необходимых для развития работ по
ультрадисперсным алмазным порошкам, получаемых методом взрыва
Предприятие
Срок ввода в действие
НПО «Алтай» г.Бийск Алтайского края
Опытная установка для производства ультрадисперсных алмазных
порошков, мощность 3 т порошков в год (реконструкция)
1991
Объекты опытно-промышленного производства ультрадисперсных
алмазных порошков, мощность 50 т порошков в год
1995
в том числе, первая очередь – 15 т порошка в год
1993
Объекты для производства продукции на основе ультрадисперсных
алмазных порошков:
- по производству концентратов масел, мощность 500 т концентратов в
год
в том числе первая очередь 100 т концентратов в год
- по производству концентратов электрохимических покрытий,
мощность 100 т концентратов в год
в том числе первая очередь 25 т концентратов в год
- по производству композиционных материалов, мощность 15 т
материалов в год
в том числе первая очередь – 6 т материалов в год
Инженерно-лабораторный корпус научно-исследовательского центра
«Синтез взрывом», площадь 6 тыс.кв.м.
1995
1993
1995
1993
1995
1993
1993
9
Синтез других наноматериалов в волне горения и
детонации из высокоэнергетических соединений с
добавками
Добавка
Продукты
Бор (B)
Нитрид бора (BN), карбид бора (B4C)
Алюминий (Al)
Корунд (γ-Al2O3)
Кремний (Si)
Нитрид кремния (Si3N4), карбид бора
(SiC)
Цирконий (Zr)+Mg, Ca, Y …
Стабилизированная циркониевая
керамика (ZrO2+MgO, CaO, Y2O3 …)
Бензол (C6H6), толуол (CH3C6H5) …
Многослойные углеродные нанотрубки
10
11
Производство микро- и наночастиц металлов и оксидов
Горячее прессование и ударно-волновое компактирование
порошков Al-наноалмаз, Al-Al2O3, Al-TiC, Al-TiB2, Al-AlN и др.
Металломатричный
нанокомпозит
Концентрированная лигатура
с частицами
Введение лигатуры в расплав +
воздействие внешних полей
(механическое перемешивание,
мощный ультразвук, электро-магнитные поля)
Легкий сплав с повышенными до 30%
эксплуатационными свойствами
12
Нанокатализаторы на службе безопасности
1. Наноразмерная TiO2 известна как катализатор фотохимического
окисления органических канцерогенных веществ, включая ОВ (ИК).
13
2. Способы получения наноразмерной TiO2 - горением металлоорганических
солей
Ti(CN4H3O3)4 → TiO2 (нитросемикарбазид титана), способный к самостоятельному
горению (Тсг40 = 2700 К), к детонационному превращению (Tвзр = 3270 К) с Д ≈ 7400
м/с.
На его основе были созданы композиты ЭКС и КВВ.
№
п/п
Способ получения TiO2
Размер,
нм
Квантовый
выход, %
Тсг в опыте,
К
1
Горение НСКТ Р=0.1 МПа
60-70
2,6
2480
2
ЭКС
50
3,7
2500
3
ЭКС
50
1,0
2700
4
ЭКС
20
26,0
2300
5
Коллоидной химии
5…20
60,0
-
Каталитически активной является β – TiO2. Кратковременного воздействия
высоких температур достаточно для образования α-TiO2.
14
Способы защиты
1. На низкотемпературных ЭКС взрывом или горением по схеме
или с использованием выбрасывающих их устройств.
15
16
Газогенераторы холодного газа
E (Ts  T0 )

1
2
2 RT
17
18
Способ позволяет: посредством химического состава
топлива получать индивидуальные «холодные газы»
Состав топлива и
характеристики
Газ
азот
кислород
водород
1. Компонент и его содержание,
%
Азиды
щелочных
металлов
70-80
Хлораты и
перхлорат
ы
85-90
Гидриды
металлов
80-85
2. Теплопоглощающая добавка,
%
Галогениды
щелочных
металлов
15-20
Оксиды
металлов
2-5
Оксиды
металлов
15-20
5
5-10
1
380…420
260…300
900…950
35…80
80…100
50…70
98
98
99
3. Цементатор, %
4. Газопроизводительность, нл/кг
5. Температура газа, °С
6. Чистота газа, % об, не ниже
19
Характеристики систем с использованием
генераторов холодного азота
Характеристика
«Дубль1»
Плот Жилет АТС
Объем подаваемого газа, л
600
2140
16
300
Время подачи, л/с
20
60
4
8
Скорость подачи, л/с
30
36
4
38
Добавление газа в системе,
МПа
5,6
0,11
0,11
0,11
Масса генератора, кг
21
15
0,22
8
0,98
0,99
0,99
0,97
Вероятность безотказного
срабатывания
20
21
22
23
Спасибо
за внимание
Алтай
24