СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО СИНТЕЗА УЛЬТРАДИСПЕРСНОГО КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО КОВАЛЕНТНОГО НИТРИДА УГЛЕРОДА CN И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Группа изобретений относится к физике низкотемпературной плазмы и плазмохимии, а также к области электротехники и электрофизики, а именно к ускорительной технике, и может быть использована для генерирования высокоэнтальпийных струй углеродсодержащей электроразрядной плазмы и получения ультрадисперсных кристаллических фаз твердых и сверхтвердых материалов.

Известен способ динамического синтеза ультрадисперсного ковалентного кристаллического нитрида углерода в скачке уплотнения головной ударной волны гиперскоростной струи углеродной электроразрядной плазмы, истекающей в герметичный объем, заполненный газообразным азотом при нормальном давлении и комнатной температуре (Сивков А.А., Найден Е.П. и др. Динамический синтез ультрадисперсных кристаллических фаз системы C-N // Сверхтвердые материалы, №5, 2009, с.22-29).

Известно устройство для динамического синтеза ультрадисперсного кристаллического ковалентного нитрида углерода C₃N₄ - коаксиальный магнитоплазменный ускоритель (Сивков А.А., Найден Е.П. и др. Динамический синтез ультрадисперсных кристаллических фаз системы C-N // Сверхтвердые материалы, №5, 2009, с.22-29), выполненный в виде коаксиально размещенного внутри соленоида, длиной 150 мм цилиндрического электропроводящего ствола длиной 200 мм, выполненного из графита, внутри которого размещена плавкая перемычка из ультрадисперсного углеродного материала (сажа) массой 0,5 г, электрически соединяющая начало цилиндрического электропроводящего ствола и центральный электрод из вольфрама, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя. Цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода. Второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола. Вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола. Корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки. Длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной.

Недостатком известных решений является:

1. Невозможность введения в дуговой разряд в ускорительном канале графитового ствола энергии более 10 кДж из-за ограниченной термической, электродинамической и механической устойчивости графитового ствола.

2. Низкий процентный выход до ~30% масс ожидаемых синтезированных фаз кристаллического ковалентного нитрида углерода из-за образования загрязняющих сопутствующих фаз: многослойных углеродных нанотрубок и кристаллического карбида вольфрама W₂C, образующегося из-за поступления в плазму разряда эродированного с центрального электрода вольфрама.

Основная техническая задача, решаемая заявляемой группой изобретений, состоит в создании способа динамического синтеза ультрадисперсного кристаллического ковалентного нитрида углерода C₃N₄ и устройства для его осуществления, позволяющих увеличить выход ожидаемой фазы нитрида углерода и снизить содержание загрязнений в продукте динамического синтеза.

Основную техническую задачу достигают тем, что способ динамического синтеза кристаллического ковалентного нитрида углерода C₃N₄ заключается в реализации плазмохимической реакции синтеза в скачке уплотнения ударно-волновой структуры гиперскоростной струи углеродной электроразрядной плазмы, истекающей в замкнутый герметичный объем, заполненный газообразным азотом.

Согласно предложенному решению синтез производят в скачке уплотнения, возникающем при взаимодействии двух синхронных равноэнтальпийных гиперскоростных струй углеродной электроразрядной плазмы, истекающих встречно по одной оси из стволов двух одинаковых ускорителей.

Гиперскоростные импульсные струи углеродной электроразрядной плазмы генерируют при одинаковых импульсах тока электропитания ускорителей амплитудой 140 кА, мощностью разряда 145 МВА при подводимой энергии 30 кДж.

Указанный технический результат достигают также тем, что устройство для динамического синтеза ультрадисперсного кристаллического ковалентного нитрида углерода C₃N₄ выполнено в виде коаксиально размещенного внутри соленоида цилиндричесокого электропроводящего ствола, выполненного из графита, внутри которого размещена плавкая перемычка из ультрадисперсного углеродного материала, электрически соединяющая начало цилиндрического электропроводящего ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя, вторая клемма которой присоединена к концу соленоида, удаленного от центрального электрода, второй конец соленоида электрически соединен с началом ствола, вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола, а корпус узла центрального электрода выполнен из магнитного материала и перекрывает зону размещения плавкой перемычки, длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной. Согласно изобретению ствол ускорителя выполнен в виде внутреннего и внешнего токопроводящих цилиндров, коаксиально расположенных один в другом и электрически связанных по всей поверхности сопряжения, а центральный электрод выполнен по длине составным из наконечника и хвостовика, причем внутренний цилиндр и наконечник выполнены из графита, а внешний цилиндр выполнен из прочного немагнитного металла, при этом хвостовик выполнен из конструкционного металла с высокой электропроводностью, а свободные концы стволов обоих ускорителей с помощью проходных изоляторов-уплотнителей закреплены в осевых отверстиях дискообразных металлических крышек, которые герметично присоединены к противоположным концам металлического цилиндрического корпуса камеры-реактора, обеспечивая встречное, соосное и симметричное расположение стволов по продольной оси камеры-реактора, которая заполнена газообразным азотом.

На фиг.1 приведен эскиз устройства для осуществления способа.

Устройство включает в себя два одинаковых коаксиальных магнитоплазменных ускорителя, каждый из которых состоит из электропроводящего ствола, выполненного из двух токопроводящих цилиндров, внутреннего 1, выполненного из графита с осевым цилиндрическим ускорительным каналом длиной до 200 мм и диаметром 5-15 мм, и внешнего 2, выполненного из прочного немагнитного металла, например нержавеющей стали, с внутренним диаметром 20-25 мм и внешним диаметром 30-35 мм и центрального электрода, состоящего из наконечника 3, выполненного из графита и хвостовика 4, выполненного из металла, например стали, латуни, меди. Свободный конец наконечника 3 - вершина центрального электрода и ствол в начале ускорительного канала электрически соединены плавкой перемычкой 5, выполненной из ультрадисперсного углеродного материала, например сажи, массой до 1,0 г, служащего для инициирования дугового разряда и являющегося исходным материалом для динамического синтеза. Центральный электрод отделен от ствола изолятором 6. Корпус 7 узла центрального электрода выполнен из магнитного материала, например стали, соединен с внешним металлическим цилиндром 2 и перекрывает зону размещения плавкой перемычки 5. Длина части перекрывающей зону размещения плавкой перемычки 5 составляет 40-50 мм, а ее внешняя поверхность выполнена конусообразной. Соленоид 8 выполнен за одно целое с фланцем 9 и цилиндрической частью 10, в которой размещен корпус 7 узла центрального электрода и укреплен резьбовой заглушкой 11. Соленоид 8 укреплен прочным стеклопластиковым корпусом 12 и стянут мощными металлическими токоведущими шпильками 13 между фланцем 9 и стеклопластиковым упорным кольцом 14. Токоведущие шпильки 13 электрически соединены с токоведущим металлическим кольцом 15, к которому присоединен шинопровод 16 цепи электропитания. Второй шинопровод 17 цепи электропитания присоединен к хвостовику 4 центрального электрода. К шинопроводу 17 последовательно присоединены ключ 18 и один полюс батареи конденсаторов 19, второй полюс которой соединен с шинопроводом 16. Свободные концы стволов обоих ускорителей с помощью проходных изоляторов-уплотнителей 20 одинаково герметично и соосно закреплены в осевых отверстиях дискообразных металлических крышек 21, которые с помощью болтовых соединений герметично присоединены к противоположным концам металлического цилиндрического корпуса 22 камеры-реактора, обеспечивая ее герметичность, а также встречное, соосное и симметричное расположение концов стволов по продольной оси камеры-реактора, и расстояние между срезами стволов составляет 10-100 мм. Герметичная камера-реактор заполнена газообразным азотом. Электропитание ускорителей осуществляется от одинаковых, отдельных и независимых источников, например конденсаторной батареи 19 одинаковой емкости до 12·10^-3 Ф при одинаковом зарядном напряжении до 5,0 кВ, которые одновременно включаются на нагрузку при одновременном замыкании ключей 18.

Работа устройства заключается в следующем. При одновременном замыкании ключей 18 в контурах электропитания обоих ускорителей начинает протекать ток от источника питания (конденсаторной батареи) 19 по шинопроводу 16, токопроводящему кольцу 15, шпилькам 13, фланцу 9, виткам соленоида 8, цилиндрической части 10, корпуса 7, внешнему металлическому цилиндру 2, внутреннему графитовому цилиндру 1, плавкой перемычки 5, наконечнику 3, хвостовику 4, второму шинопроводу 17, ключу 18 и конденсаторной батареи 19. При этом под действием тока плавкая перемычка 5, выполненная из углеродного материала, например сажи, разогревается до температуры 10³-10⁴ К, и ее материал переходит в плазменное состояние с образованием дугового разряда при токе порядка 10⁴-10⁵ А. Конфигурация плазменного разряда типа Z-пинч с круговой плазменной перемычкой задается формой плавкой перемычки 5 и наличием цилиндрического канала в изоляторе 6 у вершины центрального электрода. С нарастанием тока до величины порядка 10⁵ А плазменная перемычка сжимается магнитным полем собственного тока и аксиальным полем соленоида 8, и существует в ускорительном канале в виде удлиняющегося плазменного жгута Z-пинча с круговой плазменной перемычкой на конце, через которую ток переходит на внутреннюю цилиндрическую поверхность графитового цилиндра 1 в процессе ускорения плазменной перемычки под действием силы Лоренца. При выходе двух плазменных потоков из ускорительных каналов в промежутке между срезами стволов двух ускорителей формируются ударно-волновые структуры двух встречных гиперскоростных струй углеродной электроразрядной плазмы. В скачки уплотнения головных ударных волн поступает ионизированный азот из окружающей атмосферы. Ударные волны встречаются в середине промежутка между срезами стволов. Происходит торможение и слияние скачков уплотнения двух головных ударных волн с формированием неподвижного скачка уплотнения, в котором сверхзвуковое течение ионизированного материала струй переходит в дозвуковое, а давление и температура существенно повышаются достигая величин порядка 10⁴ К и 10 ГПа, необходимых для протекания плазмохимической реакции синтеза ковалентного нитрида углерода C₃N₄. Разлет синтезированного продукта из скачка уплотнения происходит в виде дискообразной (радиальной) гиперскоростной струи, осевая плоскость которой перпендикулярна общей оси ускорительных каналов. Скорость разлета значительно превышает скорость первичных струй. При этом с поверхности головной ударной волны вторичной радиальной струи происходит распыление жидкой фазы синтезированного продукта, скорость закалки, кристаллизации и размер частиц которого будут определяться скоростью разлета, температурой продукта, плотностью и температурой окружающей газообразной среды.

Равенство энтальпий (суммы кинетической энергии и внутренней энергии вещества) двух встречных плазменных струй обеспечивается равенством скоростей истечения и температуры плазмы, которые определяются одинаковыми конструктивными параметрами ускорителей и параметрами импульсных источников электропитания. Интегрально энтальпия струй определяется энергией, введенной в ускорительный канал каждого ускорителя при одинаковых параметрах импульсов тока, напряжения на разряде и мощности.

Предложенное для реализации способа устройство испытано в следующих условиях: емкости конденсаторных батарей 19 источников электропитания ускорителей C=12·10^-3 Ф; зарядное напряжение конденсаторных батарей U_зар=3,0 кВ; диаметр ускорительного канала во внутреннем графитовом цилиндре 1 d_УК=10 мм; длина соленоидов 8 l_L=150 мм; длина стволов (ускорительных каналов) l_СТ=200 мм; расстояние между срезами стволов ускорителей l_СС=50 мм; масса плавкой перемычки из углеродного материала (сажи), заложенного в зону формирования плазменной структуры в начале ствола каждого ускорителя m_С=0,5 г; амплитуда импульса тока I_m=140 кА; длительность импульса тока t_ИМП=500 мкс; максиальная мощность разряда P_m=145 MBA, давление азота в камере-реакторе P₀=1 атм.

Испытания показали, что при использовании заявляемой группы изобретений решается основная техническая задача - достигается возможность ввода в ускоритель энергии более 10 кДж, а именно 30 кДж и это в совокупности, с использованием графитового наконечника центрального электрода и графитового внутреннего цилиндра ствола с ускорительным каналом обеспечивает получение 0,8 г продукта синтеза без примеси вольфрама и его соединений. Аналитические исследования продукта синтеза методами рентгеновской дифрактометрии и полнопрофильного структурно-фазового анализа, и термографическими методами с возможностью оценки поглощаемых и выделяемых газов в процессе нагрева в присутствии кислорода показали, что продукт синтеза содержит две ультрадисперсные кристаллические фазы: многослойные углеродные нанотрубки, с поперечным размером до 70 нм с процентным содержанием 60-70 мас.% и α-фазы ковалентного нитрида углерода αC₃N₄ с содержанием 40-30%.