РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ МАКРООБРАЗЦОВ МАТЕРИАЛОВ, СОДЕРЖАЩИХ НЕАГЛОМЕРИРОВАННЫЕ УЛЬТРАДИСПЕРСНЫЕ ЧАСТИЦЫ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

На протяжении всей своей истории человечество испытывало необходимость в измельчении различных материалов. С древнейших времен до настоящего времени развитие цивилизации непрерывно связано с минимальным размером частиц различных веществ, который люди могут применять в своей жизни.

В качестве иллюстрации очень хорошо подходит употребление в пищу различных злаковых культур. Изначально, на заре истории, человек употреблял в пищу зерно как таковое – готовил кашу. [1] Однако, далее зерно подвергали различного вида обработке, что способствовало развитию технологий: от деревянной ступки человек перешел к мельницам, что способствовало уменьшению дисперсности частиц.

Такая же ситуация наблюдается с дымным порохом. Меньшие зерна пороха способствовали его более активному сгоранию. Истории известно большое количество случаев, когда уменьшение дисперсности частиц являлось двигателем прогресса. Наука не является исключением.

На текущий момент, в науке особое внимание уделяется диспергированию частиц, так как ее развитие замедляется из-за структуры материалов: они состоят из крупных частиц. Для ускорения развития многих областей необходимы материалы, состоящие из более мелких, ультрадисперсных частиц.

Материалы, содержащие наночастицы, в наше время находят всё более широкое применение в электронике, медицине, приборостроении, электротехнике и во многих других промышленных областях. Однако до сих пор нет общего подхода к производству данного типа частиц. Стоимость данного производства высока, а объёмы – относительно не велики.

Подобное положение дел требует разработки новых технологий получения как самих наночастиц, так и изделий на их основе. Разработка таких технологий и установок для их реализации, позволит вывести производство изделий, содержащих наночастицы, на качественно новый уровень.

В полной мере использовать все преимущества свойств наночастиц возможно только в том случае, когда эти частицы в процессе создания изделий не образовывают агломератов (крупных частиц, образующихся за счет сцепления между собой более мелких частиц), и, когда объёмное содержание наночастиц в изделии оказывается достаточным для проявления их уникальных свойств. Соблюдение данных условий - сложная технологическая задача, которую мы попытались решить на примере разработки технологии получения макрообразцов материалов, содержащих неагломерированные ультрадисперсные частицы ферромагнитных материалов, с использованием технологического ультразвука.

Проведённые в лаборатории «Импульсные Электротехнологии» СПбГЭТУ предварительные исследования показали, что:

1. В качестве среды, позволяющей избежать агломерации наночастиц, можно использовать кремнеорганическую матрицу, которую получают с использованием золь-гель технологии;
2. Эффективное ультразвуковое диспергирование возможно только при соотношении твёрдое вещество – жидкость не менее 1 к 1000. Увеличение концентрации твёрдой компоненты приводит к многократному уменьшению производительности системы. В эффективных режимах диспергирования размер отдельных частиц уменьшается от 100 мкм до 0.2-0.3 мкм за 60 минут, при вкладываемой ультразвуковой мощности в 600 Вт;
3. Область, в которой происходят кавитационные процессы высокой интенсивности, вследствие которых происходит разрушение материалов, можно определить по быстрому изменению ультразвукового давления;
4. Диспергированные частицы на этапе удаления жидкости образуют агломераты, размером в несколько мкм.

Для получения макрообразцов ультрадисперсных ферромагнитных материалов соотношение материал – связующее вещество не должно превышать 1 к 3-5. В противном случае – улучшение магнитных свойств за счёт измельчения будет демпфировано увеличением объёма материала. Таким образом, прямое диспергирование в среде оказывается не возможным и поэтому технологию пришлось разбить на несколько стадий:

1. Ультразвуковое диспергирование керамического материала в жидкой среде (дистиллированная вода) под действием кавитационных процессов;
2. Выпаривание жидкости (дистиллированной воды). На этой стадии получается агломерированный порошковый материал с размером отдельных зёрен в 1 - 10 мкм;
3. Ультразвуковое разрушение агломератов и гомогенизация смеси ТЭОС (тетраэтоксисилана) – спирт в соотношении 50% к 50%. В этом случае нет необходимости «разбивать» керамику, и, как следствие, на этой стадии используются режимы с меньшей мощностью ультразвуковых колебаний и существенно менее жёсткие требования по соотношению порошок – жидкость (1 к 5-10);
4. Мероприятия по золь-гель технологии, в которых предполагается получение макрообразцов, состоящих из слабо агломерированных керамических частиц, закреплённых в кремнеорганической матрице.

При реализации первой стадии возникла необходимость определения размеров камеры, в которой будет проводиться диспергирование. Эти размеры должны практически совпадать с областью, в которой наблюдаются интенсивные кавитационные процессы.

Для определения данных размеров были проведены предварительные эксперименты по измерению объёмного распределение ультразвукового давления. Для этой цели использовалась установка, которая позволяет позиционировать волновод технологической ультразвуковой установки относительно датчика с разрешением не менее 1 мм по трём координатам.

Эксперименты проводились в дистиллированной воде в камере, размеры которой значительно превышали размеры области, в которой, по оценкам, должна наблюдаться кавитация, с использованием измерительного комплекса для оценки возбуждаемого в среде акустического давления.

Проведённые эксперименты позволили определить размеры камеры (диаметр 100 мм, высота 80 мм), в которой, в дальнейшем, проводился технологический процесс диспергирования керамики.

При реализации третьей стадии технологического процесса, агломераты разрушались в камере объёмом 10 мм² под действием ультразвука мощностью 200 Вт в течении 30 мин. В результате – получена однородная субстанция, которую наносили тонким слоем на стеклянную подложку.

Обработка полученных образцов по стандартной золь-гель методике и исследование их с помощью сканирующего зондового микроскопа Certus, позволяет утверждать, что с помощью ультразвуковых колебаний удаётся «разбить» агломераты и получить отдельные ультрадисперсные частицы материала, заключённые в кремнеорганическую матрицу.

Реализация четвёртой стадии технологического процесса показала, что:

1. В процессе старения геля происходит агломерация внедрённых в него ультрадисперсных частиц керамики;
2. Макрообразцы, содержащие неагломерированные ультрадисперсные частицы ферромагнитных материалов можно получить послойным нанесением однородной субстанции с промежуточной обработкой полученных образцов по стандартной золь-гель методике.

Список литературы:

1. Новик А.А., Исследование процесса ультразвукового диспергирования керамических материалов в жидких средах: дис. к.т.н. -  СПб. : СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. – С.104-118.