×
19.04.2019
219.017.32eb

СПОСОБ СИНТЕЗА НАНОЧАСТИЦ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к способу синтеза наночастиц карбида вольфрама. Способ включает синтез кислородсодержащих соединений вольфрама углеводородами с использованием плазмы электрического разряда. При этом управление морфологией синтезируемых наночастиц осуществляют путем откачивания вакуумной камеры до давления, равного 1,33 Па, и наполнения ее инертным газом, давление которого равно 666,61-66661 Па, перед зажиганием дуги, и зажиганием электрической дуги, имеющей ток разряда, равный 80-200 А, и напряжение разряда, равное 20-30 В, между графитовым электродом и композитным электродом. Композитный электрод представляет собой графитовый стержень с просверленной полостью по центру и наполнен кислородсодержащим соединением вольфрама, выбранным из группы, содержащей WO, W(CO), причем массовое содержание графита и соединения вольфрама выбирают в соотношении, равном от 1:0,5 до 1:2. Поддержание условий горения дуги осуществляют путем варьирования межэлектродного, распыления композитного электрода в электрической дуге и осаждения полученных наночастиц на охлаждаемый экран. Технический результат заключается в создании способа синтеза наночастиц карбида вольфрама, позволяющего управлять морфологией и составом полученных наночастиц. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области нанотехнологий. Изобретение относится к плазменно-дуговой технологии синтеза наноструктурированных порошков карбида вольфрама, пригодных для использования в различных областях промышленности и техники.

Карбиды вольфрама находят широкое практическое применение в качестве прочного, износостойкого материала. Существует возможность использования карбида вольфрама (WC и W2C) в качестве катализаторов. достоинством карбидов являются их уникальные физические свойства: чрезвычайно высокая температура плавления, близкие к металлической термо- и электропроводимость, парамагнетизм. Кроме того, карбиды вольфрама проявляют высокую каталитическую активность, близкую к металлическим катализаторам, и могут служить перспективной заменой благородных металлов [Григорян Э.А. и др. Перспективы применения СВС в технологии приготовления катализаторов. - М.: НТЦ Информтехника, 1991; Grigoryan E.H. - International Journal of SHS, 1997, Т.6, №3; J.Brillo, R.Sur, H.Kuhlenbeck and H.-J. Freund. Surface Science. 397, 137, 1998].

Из известных физических способов для получения наноструктурированных порошков карбида вольфрама применяют: газофазный, плазмохимический, электрический взрыв проводников, способ искрового разряда, механохимический. Сущность физических способов состоит в резком изменении агрегатного состояния металла, что достигается тем, что исходный металл сначала испаряют путем интенсивного нагрева, а затем резко охлаждают. Размер и форма получаемых частиц зависит от температуры процесса, состава атмосферы и давления в реакционном пространстве. К общим недостаткам физических способов следует отнести большой разброс по гранулометрии, сильную загазованность синтезируемого вещества, неустойчивость к окислению и спеканию при комнатной температуре, низкая химическая и диффузионная активность при нагревании и низкую производительность при получении тугоплавких металлов. Плазменно-дуговой способ широко используют для синтеза металл-углеродных наночастиц большинства металлов, у которых при температурах 3000-3500 К, реализуемых в дуге, происходит интенсивное испарение. Исключением являются тугоплавкие металлы, такие как вольфрам (температура кипения - 5828 К).

Известен способ [US 5783263, 21.07.1998, МПК B22F 1/00, B22F 1/02, B22F 9/14, B22F 9/20, С01В 31/30, H01F 1/00, H01F 1/055, B22F 9/02, B22F 9/16, С01В 31/00, H01F 1/00, H01F 1/032], используемый для синтеза покрытых углеродом наночастиц ферромагнитных или парамагнитных соединений диаметром 5-60 нм, включающий следующие шаги: а) изготовление графитового стержня, полость которого наполняют металлом или сплавом, или оксидом металла, или сплава; б) распыление под действием электрической дуги графитового стержня, наполненного магнитным металлом или оксидом металла с целью получения сажи с наночастицами металла, оксида металла и немагнитными частицами; в) выделение из сажи наночастиц с помощью градиента магнитного поля.

Известен способ получения каталитически активного углеродного конденсата - покрытых углеродом наночастиц металла, сплава или карбида металла [US 5549973, 1996.08.27, МПК С01В 31/02; B22F 1/00; B22F 1/02; B22F 9/14; B22F 9/20; С01В 31/30; С22С 45/08; D06M 11/00; H01F 1/00; B22F 9/02; B22F 9/16]. Анод представляет собой графитовый стержень, в полость которого закладывают магнитный редкоземельный металл, сплав или металл, или оксид сплава. Под действием электрической дуги в среде инертного газа формируются содержащие металл кластеры. Для отделения наночастиц металлов от немагнитных частиц в саже используют градиент магнитного поля.

Для получения углеродного нанокомпозита в указанных аналогах [US 5549973, US 5783263] используют совместную конденсацию углерода и металла в электрической дуге, этим методов невозможно напрямую получить наночастицы тугоплавких металлов. В аналогах не предусмотрено управление морфологией получаемого продукта в процессе синтеза. Для отделения магнитных наночастиц от немагнитных дополнительно требуется применение магнитного поля.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков и назначению является патент RU 2349424 [RU 2349424, 20.03.2009, МПК B22F 9/22], в котором раскрыт способ синтеза кислородосодержащих соединений вольфрама углеводородами с использованием плазмы электрического разряда с получением смеси нанопорошков, состоящей из WC, WC2, вольфрама и свободного углерода.

Для синтеза карбида вольфрама в указанном изобретении используют углерод, получающийся из углеводородного газа. В предлагаемом способе углерод поступает в область синтеза при распылении электрода, т.е. не требуется углеводородного газа.

В указанном способе синтезируют наночастицы карбида вольфрама со средним размером 30-3000 нм, в предлагаемом - 4-6 нм.

В основу изобретения положена задача создания способа синтеза наночастиц карбида вольфрама в электрической дуге постоянного тока, позволяющего управлять морфологией синтезируемых наночастиц путем варьирования определяющими параметрами синтеза.

Поставленная задача решается путем использования новых операций в последовательности операций известного плазменно-дугового способа с целью получения нового результата - наночастиц соединений тугоплавких металлов таких, как карбид вольфрама с заданной морфологией.

Предлагаемый способ синтеза наночастиц карбида вольфрама включает: откачивание вакуумной камеры до давления (1,33 Па), наполнение инертным газом, выбираемым из ряда: Не, Ne, Ar, Kr, Xe, зажигание электрической дуги между графитовым и композитным электродами, поддержание условий горения дуги путем варьирования межэлектродным расстоянием, распыление в электрической дуге композитного электрода, представляющего собой графитовый стержень с просверленной полостью по центру, наполненный соединением вольфрама, осаждение наноструктурированного материала на охлаждаемый экран.

Управление морфологией синтезируемых наночастиц осуществляют путем варьирования определяющими параметрами синтеза: составом электродов, составом и давлением инертного газа, характеристиками электрического разряда. Соединение для наполнения графитового электрода выбирают из группы: WO3, W(CO)6, МоО2, МоО3. Массовое содержание графита и соединения вольфрама выбирают в соотношении от 1:0,5 до 1:2. В процессе синтеза наночастиц карбида вольфрама давление инертного газа варьируют в пределах 666,61-66661 Па, характеристики разряда варьируют в пределах: ток разряда 80-200 А, напряжение разряда 20-30 В.

Способ осуществляют в плазмодуговом реакторе, включающем герметичную вакуумную камеру, изготовленную из нержавеющей стали, с неподвижным расходуемым композитным электродом и подвижным графитовым электродом, конструкция которых позволяет варьировать межэлектродное расстояние для сохранения условий горения дуги, систему вакуумной откачки, источник электропитания постоянного тока, систему водяного охлаждения, систему подачи и сброса газа, измерительные системы для контроля давления и электрических параметров разряда, а также измерительные системы для контроля температуры, расхода газовой фазы и ее состава.

Способ осуществляют путем выполнения ряда последовательных операций. Вакуумную камеру реактора откачивают до давления 1,33 Па и затем наполняют инертным газом, который выбирают из ряда: Не, Ne, Ar, Kr, Хе, до требуемого давления. Затем в вакуумной камере между двумя электродами, в атмосфере инертного газа зажигают электрическую дугу. Неподвижный расходуемый электрод представляет собой графитовый стержнь с просверленной полостью по центру, наполненной соединением вольфрама, подвижный электрод - графитовую таблетку.

Поддержание условий горения дуги осуществляют путем варьирования межэлектродным расстоянием, перемещая электрод с помощью сильфонного узла передачи поступательного движения. При нагреве до температур, реализуемых в дуге, осуществляют распыление композитного электрода. Распыление в электрической дуге композитного электрода приводит к образованию атомарных компонент вольфрама, углерода и кислорода. Диффузия этих компонент в инертном газе приводит к протеканию целого спектра возможных реакций, в том числе формированию карбидов вольфрама: WC и W2C. В дальнейшем синтезированные продукты, представляющие собой наноструктурированный материал, осаждают на охлаждаемый экран. Кинетикой химических реакций и последующей конденсации продуктов синтеза в среде инертного газа определяется морфология и состав синтезированного материала. Управление морфологией синтезируемых наночастиц карбидов вольфрама осуществляют путем варьирования определяющими параметрами синтеза: составом электродов, составом и давлением инертного газа, электрическими характеристиками разряда. Соединение для наполнения графитового электрода выбирают из группы: WO3, W(CO)6. Массовое содержание графита и соединения в композитном электроде задают в соотношении от 1:0,5 до 1:2. Давление инертного газа варьируют в пределах от 666,61 до 66661 Па, электрические характеристики разряда варьируют в пределах: ток разряда от 80 до 200 А, напряжение разряда от 20 до 30 В.

Таким образом, в предлагаемом способе для синтеза наночастиц из тугоплавких металлов в электрической дуге подвергают пиролизу до атомарных компонент не металлы (W), а их соединения (WO3, W(CO)6). Варьирование определяющими параметрами синтеза позволяет синтезировать наночастицы карбида вольфрама с заданной морфологией и свойствами.

Синтезированный наноструктурированный материал представляет собой углеродную матрицу с наночастицами карбида вольфрама, имеет «рыхлую» структуру с очень большим числом свободных связей, проявляет высокую стабильность свойств во времени и при различных условиях. Характеристики получаемого материала:

- массовая доля карбидов вольфрама - от 20% и более;

- массовая доля углерода - от 0 до 80%,

- наночастицы карбидов вольфрама имеют кристаллическую структуру;

- размеры наночастиц карбидов вольфрама - преимущественно от 2 до 20 нм.

Осуществление изобретения.

Пример.

Для работы с вольфрамом использовался композит графита и трехокиси вольфрама (WO3). Для этого по центру распыляемого электрода (диаметр 7 мм) на всю его длину высверливалось отверстие диаметром 3 мм, в которое набивался порошок WO3. Эксперименты проведены в электрической дуге при токе 100 А в среде гелия при давлении 3333,05 Па.

Полученные продукты синтеза были исследованы с использованием просвечивающего электронного микроскопа высокого разрешения JEM-2010: осуществлена визуализация морфологии материала; проведен элементный анализ с использованием EDX-спектроскопии; параметры кристаллической структуры измерены по дифракции электронов.

Пример фотографии синтезированного материала приведен на фиг.1. Структура представляет собой наночастицы твердого вещества с характерным размером несколько нанометров на углеродной матрице. Во врезке фиг.1 приведен снимок высокого разрешения наночастицы. Наблюдаемая кристаллическая структура позволяет идентифицировать α-W2C модификацию карбида вольфрама с межплоскостным расстоянием d002=0.23 нм.

EDX-спектроскопия, фиг.2, показала, что в состав наночастиц входят вольфрам и углерод. Однако количественное отношение W:C для идентификации карбидных соединений вольфрама в частицах определить с помощью EDX-спектроскопии не удается, из-за присутствия углеродной матрицы, внутри которой находятся наночастицы.

Для определения химических соединений, которые синтезируются данным способом, использованы два различных метода анализа кристаллической структуры наночастиц: электронная дифрактометрия и анализ изображений высокого разрешения для определения межплоскостных расстояний.

Данные, полученные по электронной дифракции (дифрактограмма приведена на фиг.3), показали, что образец содержит набор карбидных соединений, среди которых имеются WC и α-W2C, а также присутствует металлический вольфрам: β-W. Также для определения фазового состава различных наноразмерных кристаллических частиц в системе W-C был проведен анализ изображений высокого разрешения с применением программы Gatan DigitalMicrograph 3.3.0.1. С ее помощью были получены картины Фурье (FFT) от периодических изображений кристаллической решетки и определены межплоскостные расстояния, отвечающие различным карбидным фазам. Полученные данные подтвердили прямые данные, полученные по электронной дифрактометрии.

Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-4 из 4.
29.04.2019
№219.017.441d

Установка для нагнетательного проветривания тупиковых забоев

Изобретение относится к горной промышленности и может быть применено для проветривания горных выработок. Установка включает вентилятор, нагнетательный трубопровод, эжектирующее-водораспылительное устройство, установленное на его конце. Эжектирующее-водораспылительное устройство содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002428568
Дата охранного документа: 10.09.2011
18.05.2019
№219.017.5983

Спектрометр когерентного антистоксова рассеяния с контролем спектра широкополосной накачки

Спектрометр содержит лазер для формирования опорного излучения, широкополосный лазер и оптическую систему для фокусировки и пересечения световых пучков в измерительном объеме. Излучение из измерительного объема регистрируется монохроматором с многоканальным фотоприемником. Спектрометр содержит...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002429454
Дата охранного документа: 20.09.2011
29.05.2019
№219.017.6834

Электродуговой нагреватель газа

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электродуговым нагревателям газа (плазмотронам), используемым для получения стационарных потоков плазмы различных газов, и может быть применено в химической, металлургической промышленности, а также в научных целях при проведении...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002454044
Дата охранного документа: 20.06.2012
14.07.2019
№219.017.b4ad

Эжектор для проветривания через скважину

Изобретение относится к области горной промышленности и может быть применено для проветривания горных выработок через скважину. Эжектор содержит диффузор, две последовательно установленные приемные головки с ресиверами, соединенными полым цилиндром, с двумя выпускными щелями и прокладками с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002449128
Дата охранного документа: 27.04.2012
Показаны записи 1-10 из 12.
10.10.2014
№216.012.fae0

Способ синтеза полых наночастиц γ-alo

Изобретение относится к плазменно-дуговой технологии синтеза наноструктурированных композиционных материалов, в частности полых наночастиц γ-AlO. Способ синтеза полых наночастиц γ-AlO реализуют в две стадии, причем на первой проводят плазменно-дуговой синтез алюминий-углеродного материала,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002530070
Дата охранного документа: 10.10.2014
10.11.2014
№216.013.054e

Способ синтеза наноструктурного композиционного сео-pdo материала

Изобретение относится к области нанотехнологий, а именно к пламенно-дуговой технологии синтеза наноструктурированных композиционных материалов. Предложенный способ синтеза наноструктурного композиционного CeO-PdO материала в плазме электрического разряда включает откачивание вакуумной камеры,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002532756
Дата охранного документа: 10.11.2014
12.01.2017
№217.015.57bd

Способ синтеза наночастиц диоксида титана

Изобретение может быть использовано в химической промышленности. Для получения наночастиц диоксида титана проводят откачивание вакуумной камеры, наполнение ее инертным газом, зажигание электрической дуги постоянного тока между графитовым электродом и металл-углеродным композитным электродом....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002588536
Дата охранного документа: 27.06.2016
13.01.2017
№217.015.6ca0

Способ синтеза порошка суперпарамагнитных наночастиц feo

Изобретение может быть использовано при получении контрастирующих веществ в магниторезонансной диагностике, суспензий для магнитной сепарации белков и фрагментов молекул ДНК и РНК, для адресной доставки лекарственных средств. Синтез порошка суперпарамагнитных наночастиц FeOпроводят в два этапа....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002597093
Дата охранного документа: 10.09.2016
20.01.2018
№218.016.176c

Способ синтеза магнитной жидкости на основе воды и магнитных наночастиц на углеродной матрице

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано в обогащении полезных ископаемых для извлечения ценных минералов, а также их очистки от магнитных примесей, регенерации магнитных суспензий при гравитационном обогащении. Способ синтеза магнитной жидкости на основе воды и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002635621
Дата охранного документа: 14.11.2017
14.03.2019
№219.016.df6d

Дуговой способ получения графена

Изобретение относится к области нанотехнологий и может быть использовано для получения композиционных материалов с высокой электро- и теплопроводностью. Графитовый стержень заполняют графитовым порошком с добавкой порошка кремния в концентрации 16,5-28 мас. % или карбида кремния в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002681630
Дата охранного документа: 11.03.2019
23.04.2019
№219.017.36af

Способ синтеза наночастиц металлов осаждением на пористый углеродный материал

Изобретение относится к получению наночастиц металла. Способ включает испарение мишени из металла электронным пучком в вакууме и осаждение наночастиц металла. Испарение мишени из металла ведут электронным пучком, направленным под углом 30-90 градусов к поверхности мишени. Обеспечивают...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002685564
Дата охранного документа: 22.04.2019
09.05.2019
№219.017.49b9

Устройство для вакуумной дезинтеграции золотоносных глинистых пород

Изобретение относится к обогащению полезных ископаемых, в частности к аппаратам для извлечения тонкого золота из глинистых золотосодержащих пород. Устройство для вакуумной дезинтеграции золотоносных глинистых пород содержит ресивер, вакуумный насос, подключенный к ресиверу, рабочую камеру,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002686976
Дата охранного документа: 06.05.2019
24.05.2019
№219.017.5d9f

Установка рулонного типа для синтеза графена

Изобретение относится к области нанотехнологий. Установка рулонного типа для синтеза графена включает блок подготовки газовой смеси 5, блок откачки 6, вакуумную рабочую камеру 1 с подогреваемым щелевым соплом 2, на выходе из которого реализуется ламинарное течение, перфорированную по краям...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002688839
Дата охранного документа: 22.05.2019
05.07.2019
№219.017.a554

Способ вакуумной дезинтеграции золотоносных глинистых пород

Изобретение относится к обогащению полезных ископаемых, в частности к аппаратам для извлечения тонкого золота из глинистых золотосодержащих пород. Способ включает импульсное скоростное вакуумирование в вакуумной камере при помощи вакуумного насоса, ресивера, трубопроводов с быстродействующими...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002693586
Дата охранного документа: 03.07.2019
+ добавить свой РИД