Устройство для получения наночастиц токопроводящих материалов
Полезная модель относится к порошковой металлургии, а более конкретно, к технологии получения металлических наночастиц в виде суспензий с помощью электрических разрядов. Устройство для получения наночастиц токопроводящих материалов содержит смонтированные в камере с рабочей жидкостью два электрода, один из которых подсоединен ко вторичной обмотке импульсного трансформатора источника питания через управляющий датчик, связанный с блоком регулирования межэлектродного промежутка посредством привода продольного перемещения электрода. Новым является то, что вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена к электродам через колебательный контур, катушка индуктивности которого настроена в резонанс собственных гидромеханических колебаний жидкости в межэлектродном промежутке, причем, как минимум, один электрод кинематически связан с приводом вращения и/или относительного поперечного реверсивного движения, а управляющий датчик выполнен в виде счетчика импульсов. Предложенное техническое решение обеспечило повышение эффективности генерирования наночастиц материала электродов в заданном узком диапазоне их размера, то есть получение монодисперсной эрозии наночастиц равномерно по всему межэлектродному промежутку, которые диспергированы в объем рабочей жидкости, образуя гидрозоль с заданными свойствами и качеством.
Полезная модель относится к порошковой металлургии, а более конкретно, к технологии получения металлических наночастиц в виде суспензий с помощью электрических разрядов.
Уровень данной области техники характеризует устройство, описанное в работе V.Amendola, S.Polizzi, V.Meneghetti, (Langmuir, 2007, 23, 6766), предназначенное для получения наночастиц серебра в жидких средах с использованием лазерной абляции массивных образцов металлического серебра.
Недостатком этого устройства является низкая производительность и большой разброс размеров наночастиц, обусловленный необходимой мощностью лазерного излучения для облучения рабочей среды.
Более совершенной является установка для получения наночастиц токопроводящих материалов, выбранная в качестве наиболее близкого аналога предложенной, по технической сущности и числу совпадающих признаков, которая описана в патенте РФ 
2262487, С02F 1/48, 2004 г.
Известное устройство содержит источник питания, соединенный с блоком генерирования импульсов, высоковольтный трансформатор которого первичной обмоткой соединен с выходом преобразующего блока, высоковольтный и заземленный электроды, установленные в камере с обрабатываемой жидкостью и к которым подключена вторичная обмотка импульсного трансформатора.
Устройство характеризуется тем, что имеет средство для регулирования межэлектродного промежутка посредством привода перемещения заземленного электрода.
Недостатком известного устройства является нестабильность процесса функционирования из-за высокого пробойного напряжения и большого расстояния между проволочными электродами (10-15 мм), что служит причиной разброса размера получаемых наночастиц, имеющих различные физические свойства и служебные характеристики.
Кроме того, в изготавливаемой суспензии от взаимодействия электродов при осуществлении между ними импульсных электрических разрядов генерируются как наночастицы электродного материала, так и ионы, и микрочастицы, которые принципиально изменяют структуру и чистоту готового материала, непригодного в качестве биопродукта или полуфабриката для получения чистого целевого нанопорошка.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящая полезная модель, является усовершенствование установки, пригодной для изготовления монодисперсной композиции наночастиц в регулируемых технологией технических параметрах.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном устройстве для получения наночастиц токопроводящих материалов, содержащем смонтированные в камере с рабочей жидкостью два электрода, один из которых подсоединен ко вторичной обмотке импульсного трансформатора источника питания через управляющий датчик, связанный с блоком регулирования межэлектродного промежутка посредством привода продольного перемещения электрода, по предложению авторов, вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена к электродам через колебательный контур, катушка индуктивности которого настроена в резонанс собственных гидро-механических колебаний жидкости в межэлектродном промежутке, причем, как минимум, один электрод кинематически связан с приводом вращения и/или относительного поперечного реверсивного движения, а управляющий датчик выполнен в виде счетчика импульсов.
Отличительные признаки обеспечили повышение эффективности генерирования наночастиц материала электродов в заданном узком диапазоне их размера, то есть получение монодисперсной эрозии наночастиц равномерно по всему межэлектродному промежутку, которые диспергированы в рабочую жидкость, образуя гидрозоль заданных свойств и качества.
Электрическая связь электродов через колебательный контур (LC-цепочку) позволяет каждый разрядный импульс модулировать по частоте затухающей высокочастотной синусоиды, что обеспечивает стабилизацию параметров электродугового процесса в межэлектродном промежутке.
Предварительная подстройка колебательного контура во вторичной обмотке импульсного трансформатора источника питания, заключающаяся в согласовании высокочастотного модулированного разрядного импульса с собственными гидромеханическими колебаниями рабочей жидкости в межэлектродном промежутке, позволяет исключить помехи от ревербераций разрядного тока, заметно влияющих на стабильность процесса эрозии электродов и на дисперсность генерируемых при этом наночастиц.
Связь электродов с приводом вращения и/или поперечного относительного движения направлена на обеспечение равномерного износа бомбардируемых импульсными разрядами поверхностей, образующих межэлектродный промежуток, который стало возможным стабилизировать в течение всего времени эксплуатации, практически до износа электродов.
Выполнение управляющего датчика в виде счетчика импульсов позволило активно контролировать и регулировать заданный размер межэлектродного промежутка, что обеспечивает монодисперсное распределение генерируемых наночастиц из материала электродов.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть техническая задача решается не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, который имеет чисто иллюстративную цель и не ограничивает объема притязаний формулы. На чертеже изображена функциональная схема устройства.
Предложенное устройство содержит источник 1 тока, вторичная обмотка импульсного трансформатора 2 которого подключена к соосно смонтированным электродам 4 и 5 из серебра, титана, меди, сплавов и т.п., помещенным в рабочей жидкости 6 камеры 7, образуя межэлектродный промежуток 8.
Вторичная обмотка 2 импульсного трансформатора 3 подсоединена через колебательный контур, состоящий из разрядного конденсатора 9 и катушки 10 индуктивности (LC-цепочка).
Катушка 10 индуктивности высокочастотного электротехнического устройства выполнена бескаркасной, то есть представляет собой неизолированный толстый провод, длиной которого, в частности, регулируют величину индуктивности колебательного контура.
Катушка 10 индуктивности подсоединена к электроду 5 и связана с разрядным конденсатором 9 через переключатель 11.
Электрод 4 кинематически связан с приводом M 1, обеспечивающим ему продольные перемещения по командам блока 12 управления, связанного с датчиком 13 - счетчиком импульсов в разрядной цепи вторичной обмотки 2 импульсного трансформатора 3.
Электрод 5 кинематически связан с приводом М2 его вращения и/или реверсивных поперечных относительных движений.
Функционирует предложенное устройство следующим образом.
В камеру 7 заливают дистиллированную воду, устанавливают между электродами 4, 5 зазор 8, равный 100 мкм.
При включении высоковольтного блока 1 питания марки Sh0105 (5 кВ, 30 мА) во вторичной обмотке 2 трансформатора 3 генерируется импульсный потенциал, накапливаемый в конденсаторе 9 до его разряда, который происходит при срабатывании переключателя 11, когда колебательный контур вторичной обмотки 2 импульсного трансформатора 3 замыкается на электроды 4, 5.
Также включается привод М2, который вращает электрод 5 вокруг оси, или сообщает ему реверсивные поперечные движения относительно электрода 4. Этим исключается неравномерность износа электродов 4 и 5 от локальной эрозии примыкающих поверхностей, формирующих межэлектродный промежуток 8, и стабилизируется режим дуговых разрядов.
Напряжение блока 1 питания и межэлектродный промежуток 8 выбираются из следующих соображений.
При напряжении меньше 3 кВ пробивное напряжение соответствует малому разрядному зазору 40 мкм между электродами 4, 5, при котором происходит застой насыщенного гидрозоля в межэлектродном промежутке 8, являющегося экраном, снижающим производительность процесса, дестабилизируя генерирование в рабочую жидкость эродируемых наночастиц. При эксплуатации устройства с межэлектродным зазором 8 ниже указанного минимума возможны случаи недопустимого короткого замыкания шламовым тромбом.
При напряжении более 7 кВ разрядный ток в колебательном контуре соответствует межэлектродному промежутку 200 мкм, где возникают значительные гидродинамические воздействия, разрушающие примыкающие поверхности электродов 4, 5. Образующиеся при этом соразмерные фрагменты электродного материала могут привести к короткому замыканию, нарушая стабильность электродинамического процесса генерирования наночастиц.
Ток разряда модулируют по частоте затухающей синусоиды, параметры которой (за счет изменения индуктивности 10) подбирают в соответствии с собственными гидромеханическими колебаниями рабочей жидкости 6 в межэлектродном промежутке 8, в их резонансное совпадение, что визуально контролируется на осциллографе (условно не показан) по факту достижения синусоиды без искажений.
Этим исключаются неконтролируемые искажения и помехи реверберации разрядного тока, в результате чего электроды 4, 5 эродируют наночастицами заданных размеров с точностью ±5 нм, формируя монодисперсный гидрозоль в рабочей жидкости 6 камеры 7.
Номинал конденсатора выбран постоянным 3300 пФ (тип КВИ-3-10).
Подстройку индуктивности колебательного контура LC проводят изменением длины подводящих проводов.
Получив на осциллограмме гладкую синусоиду, зажигают дуговой разряд и проводят техпроцесс генерирования наночастиц.
Насыщение рабочей жидкости 6 проводят в течение заданного промежутка времени и контролируют по изменению цвета получаемого гидрозоля от светло-розового до коричневого.
В случае, когда размер межэлектродного промежутка 8 увеличивается в результате эрозионного износа электродов 4 и 5, возникают рассогласования высокочастотных колебаний модулированного разрядного импульса и гидродинамических собственных колебаний рабочей жидкости 6 в межэлектродном промежутке 8, которые отражаются на контрольном осциллографе.
При этом, из-за изменений электротехнических параметров в схеме, нарушается частота следования разрядных импульсов с конденсатора 9 на межэлектродный промежуток 8, фиксируемая датчиком 13.
Сигнал рассогласования от датчика 13 (СИ8), который считает разрядные импульсы и частоту их следования, поступает на блок 12 управления, который включает серводвигатель (Servo S 3003) привода M1, прецизионной продольной подачи электрода 4 к электроду 5, устанавливая требуемую величину межэлектродного промежутка 8.
При инерционно излишней подаче электрода 4 к электроду 5 приводом M1 по команде блока 12 управления электрод 4 реверсивным продольным перемещением устанавливается в номинал межэлектродного промежутка 8.
Далее цикл работы повторяется.
Устройство по изобретению обеспечивает стабильную работу по назначению массивных электродов из различных металлов и сплавов, контролируя межэлектродный промежуток величиной до 150 мкм, что на два-три порядка меньше, чем в ближайшем аналоге, при этом используются низковольтный источник напряжения, что технологически проще в обслуживании и эксплуатации.
Основным преимуществом предложенного устройства является практическая возможность получения избирательной монодисперсности генерируемых наночастиц при целевом изменении электротехнических параметров структурных элементов.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по нанотехнологии, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного изготовления установок для получения наночастиц, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Устройство для получения наночастиц токопроводящих материалов, содержащее смонтированные в камере с рабочей жидкостью два электрода, один из которых подсоединен ко вторичной обмотке импульсного трансформатора источника питания через управляющий датчик, связанный с блоком регулирования межэлектродного промежутка посредством привода продольного перемещения электрода, отличающееся тем, что вторичная обмотка импульсного трансформатора подключена к электродам через колебательный контур, катушка индуктивности согласована с собственными гидромеханическими колебаниями жидкости в межэлектродном промежутке, причем, как минимум, один электрод кинематически связан с приводом вращения и/или относительного поперечного реверсивного движения, а управляющий датчик выполнен в виде счетчика импульсов.
