Помощь студентам в учебе
ПОЛУЧЕНИЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО КАРБИДА БОРА В СВЕРХЗВУКОВОЙ СТРУЕ ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНОЙ ПЛАЗМЫ
|
Введение 3
1. Аналитический обзор литературы 8
1.1. Синтез из элементов 9
1.2. Карботермическое восстановление 11
1.3. Магнийтермическое восстановление 12
1.4. Золь-гель метод 13
1.5. Парофазный синтез 15
1.6. Другие методы 16
1.7. Заключение по обзору 18
2. Методика проведения исследований 19
2.1 Экспериментальный стенд на основе емкостного накопителя
энергии и коаксиального магнитоплазменного ускорителя 19
2.2 Устройство и принцип действия коаксиального магнитоплазменного
ускорителя 20
2.3. Методика получения керамики на основе карбида бора 25
2.4. Методики аналитических исследований получаемых
плазмодинамических продуктов 27
2.5. Исходные прекурсоры плазмодинамического синтеза в
сверхзвуковой струе электроразрядной плазмы в системе В-С 27
3. Плазмодинамический синтез в системе В-С при различных
схемах истечения плазменных струй 29
3.1. Плазмодинамический синтез в системе В-С при воздействии
плазменной струи на твердую преграду 29
3.2. Плазмодинамический синтез в системе В-С при взаимодействии
встречных струй бор-углеродной электроразрядной плазмы 43
3.3. Плазмодинамический синтез в системе В-С в сверхзвуковой струе
бор-углеродной электроразрядной плазмы истекающей в свободное пространство 53
4. Влияние параметров и условий проведения ПДС на
характеристики и структуру УДП-продукта 64
4.1. Влияние энергетических параметров КМПУ 64
4.2. Влияние параметров разрядного контура электропитания КМПУ 81
4.3. Влияние соотношения прекурсоров В:С в порошкообразной смеси... 89
4.4. Влияние массы смеси прекурсоров В-С на характеристики
плазмодинамического процесса и качество продукта синтеза 106
4.5. Влияние давления Р0 аргона в камере-реакторе на характеристики
дисперсного продукта плазмодинамического синтеза в системе В-С 116
5. Компактирование порошков карбида бора плазмодинамического
синтеза методом искрового плазменного спекания 136
Заключение 146
Список использованных источников 148
1. Аналитический обзор литературы 8
1.1. Синтез из элементов 9
1.2. Карботермическое восстановление 11
1.3. Магнийтермическое восстановление 12
1.4. Золь-гель метод 13
1.5. Парофазный синтез 15
1.6. Другие методы 16
1.7. Заключение по обзору 18
2. Методика проведения исследований 19
2.1 Экспериментальный стенд на основе емкостного накопителя
энергии и коаксиального магнитоплазменного ускорителя 19
2.2 Устройство и принцип действия коаксиального магнитоплазменного
ускорителя 20
2.3. Методика получения керамики на основе карбида бора 25
2.4. Методики аналитических исследований получаемых
плазмодинамических продуктов 27
2.5. Исходные прекурсоры плазмодинамического синтеза в
сверхзвуковой струе электроразрядной плазмы в системе В-С 27
3. Плазмодинамический синтез в системе В-С при различных
схемах истечения плазменных струй 29
3.1. Плазмодинамический синтез в системе В-С при воздействии
плазменной струи на твердую преграду 29
3.2. Плазмодинамический синтез в системе В-С при взаимодействии
встречных струй бор-углеродной электроразрядной плазмы 43
3.3. Плазмодинамический синтез в системе В-С в сверхзвуковой струе
бор-углеродной электроразрядной плазмы истекающей в свободное пространство 53
4. Влияние параметров и условий проведения ПДС на
характеристики и структуру УДП-продукта 64
4.1. Влияние энергетических параметров КМПУ 64
4.2. Влияние параметров разрядного контура электропитания КМПУ 81
4.3. Влияние соотношения прекурсоров В:С в порошкообразной смеси... 89
4.4. Влияние массы смеси прекурсоров В-С на характеристики
плазмодинамического процесса и качество продукта синтеза 106
4.5. Влияние давления Р0 аргона в камере-реакторе на характеристики
дисперсного продукта плазмодинамического синтеза в системе В-С 116
5. Компактирование порошков карбида бора плазмодинамического
синтеза методом искрового плазменного спекания 136
Заключение 146
Список использованных источников 148
Актуальность работы. Карбид бора В4С как функциональный материал обладает уникальной совокупностью привлекательных свойств: сверхтвердостью до 49 ГПа, низкой плотностью ~2,52 г/см3, высокой
термостойкостью с температурой плавления ~2350 0С, низкой
теплопроводностью ~28 Вт/(м*К), химической и радиационной стойкостью, а также является полупроводником р-типа. В дисперсном состоянии эти свойства дают возможность его использования в качестве высокоэффективного абразивного шлифовального и полировального материала, упрочняющего компонента композитных материалов, а также как сырьевой базы получения функциональной керамики. Высококачественная В4С-керамика чрезвычайно перспективна в плане изготовления легкой и высокопрочной брони, термостойких оболочек ядерных и термоядерных реакторов, обеспечивающих поглощение нейтронного излучения, а также для термической защиты корпусов космических летательных аппаратов.
Современные тенденции материаловедения, направленные на более полную реализацию теоретически прогнозируемых свойств керамических материалов, в частности В4С-керамики, требуют использования
высококачественного ультрадисперсного сырья. В совокупности с новыми методами получения керамики, такими как горячее прессование, магнитоимпульсное прессование с микроволновым спеканием и искровое плазменное спекание, использование высококачественного сырья позволит получать керамические объемные материалы с субмикронной структурой и предельно высокими характеристиками без использования легирующих добавок.
Все известные способы синтеза и получения дисперсного карбида бора характеризуются высокой длительностью, многостадийностью физикохимических процессов, протекающих при сверхвысоких температурах и давлениях. Получаемый продукт требует очистки от различных примесей и отличается поликристаллическим строением частиц произвольных неправильных форм с очень широким распределением по размерам. Все это сопряжено с высокими материальными, энергетическими и финансовыми затратами. В настоящее время на рынке отсутствует дисперсный и высокодисперсный карбид бора отечественного производства. Одним из важнейших факторов чистоты высокодисперсных порошков и, в частности, карбида бора является нанокристаллическое строение частиц, исключающее загрязнение веществами межзеренных границ, которые практически невозможно удалить доступными способами. Известно, что такие порошки можно получать методом прямого плазмодинамического синтеза в сверзвуковой струе электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем. Это и определяет актуальность исследований и разработки нового электрофизического метода синтеза и получения высокодисперсного карбида бора.
Цель диссертационной работы заключается в разработке научнотехнических основ плазмодинамического метода синтеза и получения ультрадисперсного карбида бора в сверхзвуковой струе электроразрядной плазмы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ современного состояния проблемы получения ультрадисперсного кристаллического карбида бора.
2. Разработка системы плазмодинамического синтеза на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя для генерации импульсных сверхзвуковых струй бор-углеродной электроразрядной плазмы.
3. Исследование и выбор схемы процесса плазмодинамического синтеза и получения ультрадисперсного карбида бора.
4. Исследования влияния способа ввода прекурсоров, условий внешней газообразной среды, способа инициирования дугового разряда и его энергетических параметров на характеристики продукта синтеза.
Основная идея: использование условий в токовой оболочке сильноточного дугового разряда для перевода простых твердых прекурсоров (бор и углерод) в плазменное состояние, протекания плазмохимических реакций, гиперскоростного распыления жидкой фазы синтезированных материалов с последующей кристаллизацией и получением ультрадисперсных монокристаллических порошков.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту
1. Разработана система на основе импульсного высоковольтного сильноточного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами и ускорительным каналом, обеспечивающая при использовании для инициирования дугового разряда электропроводящей порошкообразной смеси твердых прекурсоров бора и углерода реализацию процесса прямого плазмодинамического синтеза и получения ультрадисперсного монокристаллического карбида бора при разных способах распыления синтезированного материала.
2. Экспериментально доказаны возможности получения
плазмодинамическим методом ультрадисперсного монокристаллического карбида бора и регулирование гранулометрического и фазового состава продукта, стехиометрии и параметров кристаллической структуры путем изменения массы и соотношения содержания прекурсоров В и С, давления внешней газообразной атмосферы, параметров контура электропитания и зарядного напряжения емкостного накопителя энергии.
3. Экспериментально установлена перспективность использования карбида бора плазмодинамического синтеза в качестве сырья для компактирования методом искрового плазменного спекания без легирующих добавок в течение рекордно короткого времени (~20 мин.) и получения легкой высокоплотной керамики В4С с субмикронной структурой и средним значением микротвердости HV=37 ГПа при высоком значении коэффициента трещиностойкости KIC=6,7 МПа*м1/2.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны и реализованы в лабораторных условиях плазмодинамические системы на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами, позволяющие проводить экспериментальные исследования при токах дугового разряда ~100 кА и мощности до ~200 МВт в областях физики быстропротекающих процессов при высоких плотностях энергии в условиях свободного истечения сверхзвуковой струи углеродсодержащей электроразрядной плазмы, при ее воздействии на твердую преграду и встречного взаимодействия двух сверхзвуковых плазменных струй.
2. Определены оптимальные условия и параметры системы, обеспечивающие наработку ультрадисперсного карбида бора для проведения экспериментальных исследований по оптимизации режима получения легкой и высокоплотной функциональной керамики В4С с субмикронной структурой методом искрового плазменного спекания без использования легирующих добавок.
Реализация работы.
Результаты диссертационной работы реализованы в процессе выполнения работ в рамках научно-исследовательских работ бюджетного финансирования: Российского фонда фундаментальных исследований
(проект № 11-08-00608-а), Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы» (проект № 14.518.11.7017), Государственного задания ВУЗам (проект « 7.1659.2011).
Личный вклад автора: планирование, постановка и проведение
экспериментальных исследований, проведение аналитических исследований, анализ и обработка аналитических данных.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы представлены на таких конференциях и форумах как: Всероссийская научно-техническая
конференция «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ» (Новосибирск, 2010), Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2012 г.), Международный форум стратегических технологий «The 7th International forum on strategic technology IFOST2012» (Томск, 2012), «3rd International congress on radiation physics and chemistry of condensed matter, high current electronics and modification of materials with particle beams and plasma flows» (Томск, 2012), German-Russian young scientists conference «Renewable energy-Biotechnology-Nanotechnology» (Томск, 2014), «4th International congress on radiation physics and chemistry of condensed matter, high current electronics and modification of materials with particle beams and plasma flows» (Томск, 2014).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации
Текст диссертационной работы изложен на 156 страницах, в том числе 98 рисунков, 17 таблиц. Список цитируемой литературы 80 наименований.
Основной текст разделен на введение, пять глав и заключение.
термостойкостью с температурой плавления ~2350 0С, низкой
теплопроводностью ~28 Вт/(м*К), химической и радиационной стойкостью, а также является полупроводником р-типа. В дисперсном состоянии эти свойства дают возможность его использования в качестве высокоэффективного абразивного шлифовального и полировального материала, упрочняющего компонента композитных материалов, а также как сырьевой базы получения функциональной керамики. Высококачественная В4С-керамика чрезвычайно перспективна в плане изготовления легкой и высокопрочной брони, термостойких оболочек ядерных и термоядерных реакторов, обеспечивающих поглощение нейтронного излучения, а также для термической защиты корпусов космических летательных аппаратов.
Современные тенденции материаловедения, направленные на более полную реализацию теоретически прогнозируемых свойств керамических материалов, в частности В4С-керамики, требуют использования
высококачественного ультрадисперсного сырья. В совокупности с новыми методами получения керамики, такими как горячее прессование, магнитоимпульсное прессование с микроволновым спеканием и искровое плазменное спекание, использование высококачественного сырья позволит получать керамические объемные материалы с субмикронной структурой и предельно высокими характеристиками без использования легирующих добавок.
Все известные способы синтеза и получения дисперсного карбида бора характеризуются высокой длительностью, многостадийностью физикохимических процессов, протекающих при сверхвысоких температурах и давлениях. Получаемый продукт требует очистки от различных примесей и отличается поликристаллическим строением частиц произвольных неправильных форм с очень широким распределением по размерам. Все это сопряжено с высокими материальными, энергетическими и финансовыми затратами. В настоящее время на рынке отсутствует дисперсный и высокодисперсный карбид бора отечественного производства. Одним из важнейших факторов чистоты высокодисперсных порошков и, в частности, карбида бора является нанокристаллическое строение частиц, исключающее загрязнение веществами межзеренных границ, которые практически невозможно удалить доступными способами. Известно, что такие порошки можно получать методом прямого плазмодинамического синтеза в сверзвуковой струе электроразрядной плазмы, генерируемой коаксиальным магнитоплазменным ускорителем. Это и определяет актуальность исследований и разработки нового электрофизического метода синтеза и получения высокодисперсного карбида бора.
Цель диссертационной работы заключается в разработке научнотехнических основ плазмодинамического метода синтеза и получения ультрадисперсного карбида бора в сверхзвуковой струе электроразрядной плазмы.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Анализ современного состояния проблемы получения ультрадисперсного кристаллического карбида бора.
2. Разработка системы плазмодинамического синтеза на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя для генерации импульсных сверхзвуковых струй бор-углеродной электроразрядной плазмы.
3. Исследование и выбор схемы процесса плазмодинамического синтеза и получения ультрадисперсного карбида бора.
4. Исследования влияния способа ввода прекурсоров, условий внешней газообразной среды, способа инициирования дугового разряда и его энергетических параметров на характеристики продукта синтеза.
Основная идея: использование условий в токовой оболочке сильноточного дугового разряда для перевода простых твердых прекурсоров (бор и углерод) в плазменное состояние, протекания плазмохимических реакций, гиперскоростного распыления жидкой фазы синтезированных материалов с последующей кристаллизацией и получением ультрадисперсных монокристаллических порошков.
Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту
1. Разработана система на основе импульсного высоковольтного сильноточного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами и ускорительным каналом, обеспечивающая при использовании для инициирования дугового разряда электропроводящей порошкообразной смеси твердых прекурсоров бора и углерода реализацию процесса прямого плазмодинамического синтеза и получения ультрадисперсного монокристаллического карбида бора при разных способах распыления синтезированного материала.
2. Экспериментально доказаны возможности получения
плазмодинамическим методом ультрадисперсного монокристаллического карбида бора и регулирование гранулометрического и фазового состава продукта, стехиометрии и параметров кристаллической структуры путем изменения массы и соотношения содержания прекурсоров В и С, давления внешней газообразной атмосферы, параметров контура электропитания и зарядного напряжения емкостного накопителя энергии.
3. Экспериментально установлена перспективность использования карбида бора плазмодинамического синтеза в качестве сырья для компактирования методом искрового плазменного спекания без легирующих добавок в течение рекордно короткого времени (~20 мин.) и получения легкой высокоплотной керамики В4С с субмикронной структурой и средним значением микротвердости HV=37 ГПа при высоком значении коэффициента трещиностойкости KIC=6,7 МПа*м1/2.
Практическая значимость работы.
1. Разработаны и реализованы в лабораторных условиях плазмодинамические системы на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами, позволяющие проводить экспериментальные исследования при токах дугового разряда ~100 кА и мощности до ~200 МВт в областях физики быстропротекающих процессов при высоких плотностях энергии в условиях свободного истечения сверхзвуковой струи углеродсодержащей электроразрядной плазмы, при ее воздействии на твердую преграду и встречного взаимодействия двух сверхзвуковых плазменных струй.
2. Определены оптимальные условия и параметры системы, обеспечивающие наработку ультрадисперсного карбида бора для проведения экспериментальных исследований по оптимизации режима получения легкой и высокоплотной функциональной керамики В4С с субмикронной структурой методом искрового плазменного спекания без использования легирующих добавок.
Реализация работы.
Результаты диссертационной работы реализованы в процессе выполнения работ в рамках научно-исследовательских работ бюджетного финансирования: Российского фонда фундаментальных исследований
(проект № 11-08-00608-а), Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы» (проект № 14.518.11.7017), Государственного задания ВУЗам (проект « 7.1659.2011).
Личный вклад автора: планирование, постановка и проведение
экспериментальных исследований, проведение аналитических исследований, анализ и обработка аналитических данных.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы представлены на таких конференциях и форумах как: Всероссийская научно-техническая
конференция «НАУКА. ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ» (Новосибирск, 2010), Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, 2012 г.), Международный форум стратегических технологий «The 7th International forum on strategic technology IFOST2012» (Томск, 2012), «3rd International congress on radiation physics and chemistry of condensed matter, high current electronics and modification of materials with particle beams and plasma flows» (Томск, 2012), German-Russian young scientists conference «Renewable energy-Biotechnology-Nanotechnology» (Томск, 2014), «4th International congress on radiation physics and chemistry of condensed matter, high current electronics and modification of materials with particle beams and plasma flows» (Томск, 2014).
Публикации
По теме диссертационной работы опубликовано 17 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 2 патента на изобретение.
Структура и объем диссертации
Текст диссертационной работы изложен на 156 страницах, в том числе 98 рисунков, 17 таблиц. Список цитируемой литературы 80 наименований.
Основной текст разделен на введение, пять глав и заключение.
В соответствии с целью и задачами диссертационной работы проведены экспериментальные исследования и разработаны научно-технические основы метода синтеза и получения ультрадисперсного карбида бора в сверхзвуковой струе бор-углеродной электроразрядной плазмы, генерируемой высоковольтным сильноточным коаксиальным
магнитоплазменным ускорителем. В ходе выполнения работы получены следующие результаты:
1. Разработана система на основе импульсного высоковольтного сильноточного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами и ускорительным каналом, обеспечивающая при использовании для инициирования дугового разряда электропроводящей порошкообразной смеси твердых прекурсоров бора и углерода реализацию прямого плазмодинамического синтеза и получения ультрадисперсного кристаллического карбида бора при разных способах распыления синтезированного материала.
2. Разработаны и реализованы в лабораторных условиях плазмодинамические системы на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами, позволяющие проводить экспериментальные исследования при токах дугового разряда ~100 кА и мощности до ~200 МВт в областях физики быстропротекающих процессов при высоких плотностях энергии в условиях воздействия сверхзвуковой струи бор-углеродной электроразрядной плазмы на твердую преграду, встречного взаимодействия двух сверхзвуковых плазменных струй и истечения плазменной струи в свободное пространство.
3. Экспериментально доказаны возможности получения
плазмодинамическим методом ультрадисперсного кристаллического карбида бора и регулирования гранулометрического и фазового состава продукта, стехиометрии и параметров кристаллической структуры путем изменения параметров контура электропитания ускорителя, массы и соотношения прекурсоров В и С в порошкообразной смеси, и давления внешней газообразной атмосферы.
4. Экспериментально показана перспективность использования карбида бора плазмодинамического синтеза в качестве сырья для компактирования методом искрового плазменного спекания в течение короткого времени (~20 мин.) и получения легкой высокоплотной керамики В4С с субмикронной структурой и средним значением микротвердости HV=37,0 ГПа при высоком значении коэффициента трещиностойкости KIC=6,7 МПа*м1/2.
Автор выражает признательность и благодарность своему научному руководителю проф. каф. ЭПП ЭНИН, д.т.н. Александру Анатольевичу Сивкову.
магнитоплазменным ускорителем. В ходе выполнения работы получены следующие результаты:
1. Разработана система на основе импульсного высоковольтного сильноточного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами и ускорительным каналом, обеспечивающая при использовании для инициирования дугового разряда электропроводящей порошкообразной смеси твердых прекурсоров бора и углерода реализацию прямого плазмодинамического синтеза и получения ультрадисперсного кристаллического карбида бора при разных способах распыления синтезированного материала.
2. Разработаны и реализованы в лабораторных условиях плазмодинамические системы на основе коаксиального магнитоплазменного ускорителя с графитовыми электродами, позволяющие проводить экспериментальные исследования при токах дугового разряда ~100 кА и мощности до ~200 МВт в областях физики быстропротекающих процессов при высоких плотностях энергии в условиях воздействия сверхзвуковой струи бор-углеродной электроразрядной плазмы на твердую преграду, встречного взаимодействия двух сверхзвуковых плазменных струй и истечения плазменной струи в свободное пространство.
3. Экспериментально доказаны возможности получения
плазмодинамическим методом ультрадисперсного кристаллического карбида бора и регулирования гранулометрического и фазового состава продукта, стехиометрии и параметров кристаллической структуры путем изменения параметров контура электропитания ускорителя, массы и соотношения прекурсоров В и С в порошкообразной смеси, и давления внешней газообразной атмосферы.
4. Экспериментально показана перспективность использования карбида бора плазмодинамического синтеза в качестве сырья для компактирования методом искрового плазменного спекания в течение короткого времени (~20 мин.) и получения легкой высокоплотной керамики В4С с субмикронной структурой и средним значением микротвердости HV=37,0 ГПа при высоком значении коэффициента трещиностойкости KIC=6,7 МПа*м1/2.
Автор выражает признательность и благодарность своему научному руководителю проф. каф. ЭПП ЭНИН, д.т.н. Александру Анатольевичу Сивкову.