СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО НАНОСТРУКТУРНОГО НИКЕЛЯ

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению пористого наноструктурного чистого никеля с высокой удельной поверхностью, и может быть использовано в промышленности при изготовлении воздушных и жидкостных фильтров, основы нейтрализаторов выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания, электродов в устройствах накопления и сохранения заряда, составных элементов катализаторов и носителей катализаторов.

Известен способ получения пористого проницаемого материала из шихты на основе никеля, наиболее близкий к заявляемому по технической сущности, следующего состава, мас.%: алюминий 17,5-35; гидрид титана 3,5-13,5; никель - остальное (патент РФ №2009017, МПК В22F 1/00, публ. 15.03.94, БИ №5/94).

Недостатками прототипа являются:

- отсутствие средств и условий, обеспечивающих получение наноструктуры готового материала, пригодного для фильтров, микропористых электродов и элементов катализаторов;

- обеспечение удельной поверхности готового материала ниже 10 м²/г, что недостаточно для использования его в качестве фильтров, микропористых электродов и элементов катализаторов;

- невысокая степень пористости и недостаточно высокая степень пространственного разрешения структуры готового материала.

Задачей авторов изобретения является разработка энергосберегающего способа получения пористого наноструктурного чистого никеля с минимальным содержанием примесей побочных веществ, с большой удельной поверхностью и высоким пространственным разрешением структуры готового материала.

Новый технический результат, достигаемый при использовании предлагаемого способа, заключается в получении пористого наноструктурного чистого никеля, имеющего высокую степень пространственного разрешения структуры готового материала, представляющего собой взаимосвязанные субмикронные нити, состоящие из слабо спеченных между собой микрочастиц металла с нанопористой структурой, за счет повышения степени его пористости и удельной поверхности.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе получения пористого наноструктурного никеля, включающем подготовку никельсодержащей шихты с термически неустойчивым компонентом и проведение реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза под воздействием кратковременного теплового импульса, в соответствии с предлагаемым сначала готовят шихту из порошков фенолоформальдегидной смолы и нитрата никеля в качестве термически неустойчивого компонента с размером частиц не более 200 мкм, причем порошки смешивают в следующем соотношении: на 100 мас.ч. порошка фенолоформальдегидной смолы - 380-420 мас.ч. порошка нитрата никеля, после чего смесь помещают в ячейку из термостойкого материала, характеризующегося низкой теплопроводностью, и проводят локальное инициирование процесса горения смеси кратковременным тепловым импульсом с постоянным отводом образующихся в процессе реакции газообразных продуктов.

Предлагаемый способ поясняется следующим образом. Первоначально для получения пористого наноструктурного чистого никеля раздельно измельчают в индивидуальных емкостях высушенный нитрат никеля и фенолоформальдегидную смолу до состояния порошка. Сушка нитрата никеля необходима для удаления из него кристаллизационной воды, которая отрицательно влияет на проведение в дальнейшем процесса СВС. Раздельное измельчение исходных веществ предотвращает возможность начала процесса СВС, которое может произойти при их совместном измельчении.

Размер частиц порошкообразных компонентов шихты, обеспечивающий равномерно протекающий процесс СВС и требуемый параметр наноструктуры готового материала, должен быть не более 200 мкм. При меньшем измельчении исходных материалов не обеспечивается полнота взаимодействия компонентов шихты. Более тонкое измельчение нецелесообразно, так как приводит к необоснованному увеличению энергетических затрат при подготовке компонентов.

Выбранное весовое соотношение порошков фенолоформальдегидной смолы (ФФС) и просушенного нитрата никеля является оптимальным, при выходе за рамки которого один из компонентов становится избыточным и ухудшает качество готового материала. В эксперименте были выявлены заявляемые соотношения компонентов шихты, которые обеспечивают высокую степень чистоты получаемого никеля и максимальную степень пространственного разрешения структуры готового материала за счет повышения его пористости и удельной поверхности.

Компоненты исходной шихты тщательно перемешивают и помещают в ячейку из термостойкого материала, характеризующегося низкой теплопроводностью, при использовании которого уменьшается возможность торможения реакции СВС в пристеночном слое, приводящее к ухудшению качества готового материала.

Предлагаемый способ осуществляют в режиме СВС, в основе которого лежит экзотермическая реакция окисления углеродсодержащих компонентов шихты нитрогруппой при одновременном восстановлении химического соединения никеля до металлического никеля. Для этого реакционную смесь поджигают кратковременным тепловым импульсом, после чего возникший в зоне инициирования очаг реакции по законам горения (тепловыделения и теплопереноса) в виде фронта самостоятельно распространяется по шихте, при этом достигаются высокие полнота и скорость химического взаимодействия ее компонентов.

В результате этого процесса выделяется большое количество газов и паров воды, обуславливающие формирование в условиях проведения СВС высокой степени пространственного разрешения структуры получаемого металла и значительно уменьшающие негативный процесс спекания микроэлементов структуры. В процессе взаимодействия компонентов шихты для поддержания стационарных условий ее горения осуществляется постоянный отвод газов из реакционного объема. В результате проведения процесса СВС получается наноструктурный никель с удельной поверхностью более 10 м²/г и пористостью до 96%, с высокой степенью пространственного разрешения структуры (фиг.1 и 2), которая представлена в виде взаимосвязанных субмикронных нитей, состоящих из слабо спеченных между собой микрочастиц металла с нанопористой структурой. Содержание примесей в получаемом никеле при оптимальных составах шихты не превышало 0,2% (окиси никеля) и 0,2% (углерода) и является приемлемым для использования в качестве фильтров, микропористых электродов для химических источников тока, составных элементов катализаторов и носителей катализаторов.

Таким образом, при использовании всех условий и материалов предлагаемого способа получения пористых никельсодержащих материалов обеспечивается весь комплекс заявленных технических более высоких показателей готового материала, а именно получение пористого наноструктурного чистого никеля с большой удельной поверхностью и высокой степенью пространственного разрешения структуры, чем это достигнуто в прототипе.

Возможность промышленного применения предлагаемого способа подтверждается следующими примерами его реализации.

Пример 1.

Предлагаемый способ получения пористого наноструктурного никеля был опробован в лабораторных условиях.

Первоначально проведена подготовка исходных материалов. При этом 6-водный кристаллогидрат нитрата никеля (хч, ч, чда - ГОСТ 4055-78) сушат в сушильном электрическом шкафу (типа СНОЛ-3,5.3,5.3,5/3М) при температуре 130°С до потери 30% массы.

Порошки фенолоформальдегидной смолы (резольного или новолачного типа) и высушенного нитрата никеля раздельно измельчают в барабанной мельнице до размера частиц не более 200 мкм.

Компоненты шихты в соотношении 100 мас.ч. фенолоформальдегидной смолы и 400 мас.ч. нитрата никеля тщательно перемешивают в емкости и помещают в пробирку из кварцевого стекла диаметром 10 мм таким образом, чтобы пробирка была заполнена не более чем на 1/3 длины. Через открытый конец пробирки реакционную смесь поджигают кратковременным тепловым импульсом нагретой до 370-800°С электрической спирали. В точке контакта возникает фронт реакции, который распространяется по шихте со скоростью приблизительно 1 мм/с с выделением большого количества тепла и газообразных продуктов.

Полученный твердофазный продукт представляет собой пористую «губку» серебристо-серого цвета. Анализ полученного материала показал, что он содержит 99,6% никеля (углерода 0,2%, окиси никеля 0,2%), обладает наноструктурой, имеет общую пористость 96%, его удельная поверхность составляет 10-15 м²/г. Пористый наноструктурный никель, полученный предлагаемым способом, обладает сложным волокнистым строением (фиг.1), при этом каждое отдельное волокно представляет собой цепочку из спеченных микрошариков или чешуек размером от десятков нанометров до микрона (фиг.2). Полученный никель может быть измельчен до порошка, легко уплотняемого прессованием.

При изменении заявляемого соотношения высушенного нитрата никеля к фенолоформальдегидной смоле в получаемом никеле содержатся значительные количества примесей (окиси никеля или углерода).

В таблице приведены составы шихты в диапазоне заявляемых соотношений компонентов, а также составы вне заявляемых пределов соотношений компонентов, которые наглядно иллюстрируют достижимость нового технического результата только в рамках предлагаемого способа.

Таким образом, экспериментальная отработка предлагаемого способа показала, что его использование обеспечивает получение пористого наноструктурного чистого никеля с большой удельной поверхностью (10-15 м²/г) и высокой пористостью (92-96%), что позволяет констатировать достижение высокой степени пространственного разрешения структуры, значительно превышающей возможности прототипа.