Transcript Семинар
Применение высокочастотных индуктивных плазмотронов для синтеза наноструктурированных материалов и покрытий.
Красильников Артур Владимирович ЦНИИмаш, г. Королев, МО
[email protected]
2
Цель доклада
Демонстрация возможностей высокочастотных индукционных плазмотронов для получения высокочистых наноструктурированных материалов и покрытий плазмохимическим способом.
Самый крупный в России ВЧ-плазмотрон создан в ЦНИИмаш и работает с 1982 г. На нем выполнен большой объем экспериментальных исследований по заказу отечественных предприятий ракетно космической отрасли (РКК «Энергия», НПО «Молния», МИТ, НПО им. С.А. Лавочкина и др.).
Разработанная установка и полученные на ней результаты исследований (с участием специалистов ИПМ РАН, ИЦ им. М.В. Келдыша, НПО «Молния», АГАТ) отмечены Государственной премией СССР 1988 г.
Основные технические характеристики
Уникальность установки заключается в эрозии электродов в электродуговых плазмотронах.
использовании высокочастотного индукционного плазмотрона, создающего безэлектродным способом плазменный поток рабочего газа, не содержащий паразитных примесей, образующихся, например, при Генератор Параметры установки: Плазмообразующие газы Рабочая камера Разрядная камера Выхлопной тракт Система охлаждения мощность – 1000 кВт, частота генератора – 440 кГц, давление смеси газов –10…200 мбар, температура смеси газов – 4000…11000К используемые газы: аргон, гелий, азот, воздух, водород, СО2 и др., расход газа – 5… 30 г/с, расход углеродосодержащего химического вещества –до 3 г/с, внутренний диаметр кварцевой разрядной камеры – 180 мм, размеры рабочей части – 0.8
×
0.8
×
0.8 м.
Разработаны методики комплексной диагностики параметров плазмы (энтальпии, скорости температуры, состава и т.д.) и проведения экспериментов по получению наноструктурированных материалов.
3
Данные о лабораторном оборудовании
4
• • • • • • •
Пирометр Dr. Georg MAURER GmbH ETPBSEZ/G – бесконтактный измеритель температуры поверхности. Диапазон измерения: 400…1700
С. Погрешность измерений: ± 1
С. Спектральный диапазон измерений: 4..5 мкм.
Тепловизор ThermoVision A40-M – бесконтактный измеритель пространственного поля температур поверхности. Диапазон измерений: 40…2000
С. Погрешность измерений: ± 2
С или 2 %. Спектральный диапазон измерений: 7.5..13 мкм. Разрешение 320
240 пикселей. Частота обновления изображения 50 Гц.
Оптико-волоконный, автоматизированный спектрометр NIR-512 Ocean Optics (
= 200....2000 нм).
Спектрометр НР-2000.
ИК-сканирующий спектрометр до
= 9 мкм.
Светочувствительная камера с усилителем яркости УФ-диапазона.
Туннельный микроскоп «Умка».
Дистанционная диагностика параметров, характеризующих процесс
Схема спектральных измерений Спектр аргона 4,0 Эксп. 2191, экспоз. 1 сек 3,5
5 1 - камера, 2 – плазменная струя, 3 – кварцевые иллюминаторы, 4 -спектрометр с волоконной оптикой и детектором –ПЗС-линейкой, 5 - световод
0.6 мм, 6 - сменный объектив с f =100 мм или 10 мм, 7 - позиционная линейка с шаговым двигателем, 8 – ПК, 9 – спектрограф ДФС-452, 10 – многоканальный регистратор спектров МОРС-2, 11 – ПК с интерфейсной платой, 12 – система ввода изображений, 13 - ПК
3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 650 700 750 800 900 950 1000 850 , нм 800 Спектр аргона с частицами углерода Эксп. 2193, экспоз. 1 сек 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 650 700 750 800 нм 850 900 950 1000 1050
6
• • • • • • • • • •
Преимущества плазмохимического способа синтеза наноматериалов
отсутствие ограничений по мощности и, как следствие, большая производительность ( например, до 10 кг фуллереносодержащей сажи в час ); высокая мощность, подводимая к частицам испаряемого вещества (в потоке аргона до 1000 Вт/см 2 , а в потоке гелия до 3000 Вт/см 2 ); возможность организации непрерывного производства; возможность использования для наноматериалов и нанесения покрытий; получения широкого класса использование исходных химических веществ в виде порошков, жидкостей, газов; химическая чистота плазменного потока, обусловленная безэлектродным способом нагрева, что дает возможность получения особо чистых веществ; простота подготовки смесей с катализаторами; подача веществ в различных сечениях струи; диагностика на всех этапах процесса; возможности оптимизации процесса за счет независимого регулирования давления, энерговклада, соотношений расходов плазмообразующего газа, углеродосодержащего вещества и катализатора.
Опыт реализации плазмохимического способа синтеза наноматериалов в высокочастотном плазмотроне
• • • •
7 Экспериментальная отработка способа фуллереносодержащей сажи и углеродных нанотрубок; получения разработка теоретических диспергирования плазменном потоке; до методов атомарного описания состояния процесса материалов в дистанционная (спектральная) диагностики параметров плазмы и смеси плазмы аргона с углеродом и другими веществами, определение состава примесей; получение наноструктурированных материалов и нанесение покрытий (вольфрамом, молибденом, титаном, никелем, медью, кремнием, диоксидом титана, нитридом титана, дисилицидом молибдена и вольфрама).
Картина течения в рабочей камере
8 Аргонная плазма с порошком графита
T 10500 9500 8500 7500 6500 5500 4500 3500 2500 1500 500
и порошком окиси никеля
T 10500 9500 8500 7500 6500 5500 4500 3500 2500 1500 500
Течение в разрядной камере и около сажеуловителя (линии тока и поля температур), полученное в результате совместного интегрирования уравнений Навье-Стокса и Максвелла
Реализация плазмохимического способа получения углеродных наноструктур
Картина обтекания плазмой подложки до и в момент ввода порошка графита
9 Рамановская спектрограмма и микрофотография углеродных нанотрубок
Отработка технологии нанесения наноалмазных пленок.
Исходный химический материал – пропан, катализатор – водород, мощность N = 87 кВт, давление р = 11.8….15.6 мбар, сопло 880 до 1030
С.
120 мм, расстояние до модели от среза сопла 300мм, температура поверхности плитки в диапазоне от Изменение температуры по времени в четырёх точках поверхности подложек, соответственно, Съемка с экрана тепловизора изготовленных из материаловTa, Zr, Mo, Si в эксперименте при расходе смеси пропана с водородом ~2 г/с.
t,C Т w , C
t, с 10 Плитка Подложки
Спектральные измерения при отработке технологии нанесения наноалмазных пленок.
11
Появление интенсивных линий углерода С ( = 247,8 нм) атомарного при вводе в поток плазмы аргона смеси водорода с пропаном.
(1) – интенсивность излучения аргоновой плазмы без пропана, (2)-(4) - интенсивность излучения в линии С в зависимости от времени после ввода смеси водорода с пропаном в аргоновую плазму.
Появление в зависимости от времени интенсивных линий атомарного водорода H при вводе в поток плазмы аргона смеси водорода с пропаном.
Отработка технологии нанесения кремниевых покрытий на металлы (Al, Cu и др.)
Микрофотографии кремниевых покрытий на подложке из алюминиевого сплава, полученные с использованием электронного микроскопа 12 Покрытие из кремния на алюминиевой подложке
13
• • • • •
Заключение
На действующей уникальной (самой крупной в стране) газодинамической установке с высокочастотным безэлектродным плазмотроном мощностью ~1000 кВт генерируются потоки химически чистой плазмы различных газов (аргон, гелий, азот, воздух, водород, СО2 и др.) в диапазоне давлений р= 10-500 мбар и температур Т = 4000-11000К.
В результате проведенных расчётов сублимации частиц углерода и других веществ в потоке плазмы ВЧ-плазмотрона, установлено, что плотность мощности (удельный тепловой поток) к частицам вещества может достигать 1000- 3000 Вт/см 2 и более, что дает возможность эффективно диспергировать до атомарного состояния любые материалы.
Опробован и показал положительные результаты плазмохимический способ получения углеродных нанотрубок, покрытий различных подложек вольфрамом, молибденом, титаном, никелем, медью, кремнием, диоксидом титана, нитридом титана, дисилицидом молибдена и вольфрама. Полученные покрытия охарактеризованы с использованием РФА, атомносиловой , электронной микроскопии и рамановской спектроскопии.
Имеются широкие возможности для оптимизации способа за счет варьирования параметров процесса.
установки (давления, температуры, скорости), местоположения сажеуловителя и точек впрыска исходных веществ и катализатора. Имеется в наличии необходимое лабораторное оборудование для диагностики и контроля за прохождением Большая производительность, высокий кпд установки и практически неограниченный ресурс работы, обусловленный используемым принципом безэлектродного нагрева газа, позволяет создать с использованием установок такого типа высокотехнологичный непрерывный процесс синтеза наноструктурированных материалов и покрытий.
14
Задачи, которые могут решаться с использованием высокочастотного индуктивного плазмотрона в интересах Роскосмоса:
- уменьшение веса бортовой аппаратуры и снижение энергозатрат за счет использования элементной базы на основе углеродных наноматериалов и др. в микроэлектронике; - повышение эффективности солнечных батарей за счет усовершенствование процессов получения и нанесения кремния при их производстве; - расширение пределов регулирования скорости горения твердого топлива и снижение потери удельного импульса в камере сгорания ракетного двигателя за счет применения добавок в топлива нанодисперсных металлических горючих (алюминия, магния, бора, их сплавов и модификаций); - увеличение прочностных характеристик конструкционных материалов путем добавления углеродных нанотрубок; - усовершенствование системы жизнеобеспечения пилотируемых КА путем разработки фильтров для очистки жидкостей с использованием наночастиц диоксида титана (ТiO покрытий (включая алмазоподобные) на узлы сухого трения; 2 ); - увеличение сроков нормального функционирования узлов трения, имеющихся на КА (например, в устройствах раскрытия солнечных батарей), за счет добавок наноматериалов в смазки или нанесения - повышение жаропрочности и термостойкости конструкционных материалов за счет нанесением на их поверхность более термостойких материалов (таких как карбиды WC, NiC, Mo 2 C, TaC, SiC, нитриды BN или металлоуглеродные композиты, ZrO2, HfO2 и твердые сплавы Сu-С, Ni-C, WC-CoC и др.); изменение отражающих и поглощающих характеристик космических аппаратов в УФ, ИК и радиолокационном диапазонах длин волн путем нанесения многофункциональных покрытий из наноматериалов.