Экспериментальное исследование влияние наноразмерного

УДК 621.4
А.А. Мокрушин1
1
Ижевский государственный технический университет им. М. Т. Калашникова, Ижевск,
Россия
Экспериментальное исследование влияние наноразмерного фильтра
на дисперсность твердой фазы аэрозоля.
Аннотация: Использование нанотехнологий, позволяющих получить новые материалы и поновому организовать физико-химические процессы, весьма перспективно во многих областях техники. В
последние годы обнаружены уникальные энергетические, механические, электрические и другие
свойства материалов, находящихся в нанодисперсном состоянии. Применение наноаэрозолей и создания
на их основе аэрозольных нанотехнологий позволит создать в будущем высокоэффективные процессы в
различных областях науки и техники [1, 2]. В настоящем докладе представлена методика проведения
эксперимента при генерации аэрозоля через высокопористый фильтр и без него. Проведен
сравнительный анализ результатов эксперимента по исследованию дисперсности твердой фазы аэрозоля.
Ключевые слова: нанотехнологии, наноструктурные элементы, аэрозоль, наноразмерный
фильтр, дисперсность твердой фазы аэрозоля, эксперимент.
Цель работы состояла в исследовании влияния фильтра на основе
нанопорошков на дисперсность твердой фазы аэрозоля специального назначения на
бесконтактном оптическом профилометре «New View 6300».
1 Постановка и методика проведения эксперимента по исследованию твердой
фазы аэрозоля
Эксперимент проходил в специальной вытяжной камере, в которой
размещались генератор аэрозоля и специальные стекла, на которых осаждалась твердая
фаза аэрозоля. Исследования выполнялись при его формировании через фильтрующий
элемент и без него. Фильтрующий элемент представляет собой промышленноизготавливаемый наноразмерный фильтр на основе нанопорошков.
Бесконтактный оптический профилометр «NewView 6300» (рис. 1)
предназначен для исследования трехмерной структуры поверхности материалов в
микро- и наномасштабе [3, 4, 5].
а)
б)
Рисунок 1 – Бесконтактный оптический профилометр «NewView 6300» (а) и базовый
модуль (б).
Метод измерения: бесконтактный трехмерный, сканирующий белым светом,
интерферометр. Вертикальное разрешение: до 1А (0,1 нм). Горизонтальное разрешение:
от 0,43 до 11,6 мкм в зависимости от объектива. Максимальная область сканирования:
89 x 203 x 203 мм (высота х ширина х глубина).
2 Обработка результатов оптического сканирования на бесконтактном
оптическом профилометре «New View 6300»
На рис. 2 видно существенное изменение дисперсности частиц при
формировании в генераторе с фильтром (рис. 2-а) и без него (рис. 2-б). Размер
изображения 140 х 105 мкм (ширина х высота).
а
б
Рисунок 2 – Изображения микро и наночастиц, осажденных на стекле,
при генерации аэрозоля через высокопористый фильтр (а)
и без фильтра (б) при увеличении 50Х.
Обработка результатов оптического сканирования на бесконтактном
оптическом профилометре «New View 6300» проведена согласно методике
математической обработки результатов эксперимента [6] и представлена в таблице 1.
Таблица 1 – Значения параметров гистограммы и статистические характеристики
распределений частиц
Название параметра
Состав с фильтром
Состав без фильтра
Объем выборки
100
100
Математическое среднее
3,87996
4,34651
Исправленная дисперсия
8,554292
13,07881
Среднеквадратическое отклонение
2,924772
3,616463
Число интервалов разбиения при
построении гистограммы
10
10
Анализ результатов оптического сканирования размеров частиц представлен
для сравнения на рисунках 3 и 4.
Рисунок 3 – Гистограмма распределения вероятностей
для размеров мелкой фракции частиц при их формировании
в генераторе аэрозолей с фильтром.
Рисунок 4 – Гистограмма распределения вероятностей
для размеров мелкой фракции частиц при их формировании
в генераторе аэрозолей без фильтра.
3 Анализ результатов исследования дисперсности твердой фазы аэрозоля
Исследования дисперсности твердой фазы аэрозоля специального назначения
позволяет сделать следующие выводы:
Анализ твердой фазы аэрозоля на бесконтактном оптическом профилометре
«NewView 6300» показал, что ее дисперсность существенно изменяется при
формировании в генераторе с фильтром (рис. 2-а) и без него (рис. 2-б). При
формировании твердой фазы аэрозоля без фильтра наблюдается возникновение
крупных частиц, размерами порядка десятков (рис. 2-б нижнее фото) и, даже, сотен
микрон (рис. 2-б верхнее фото). Встречаются разные формы частиц: вытянутые,
круглые и “неправильные”. Кроме того, наблюдается достаточно большое число
мелких частиц, что свидетельствует о существовании бимодального распределения
частиц по размерам, которое часто встречается при горении твердых составов. А при
формировании твердой фазы аэрозоля через фильтр наблюдается гораздо большее
число мелких частиц, размерами порядка нескольких сот нанометров. Практически все
частицы круглые и овальной формы. Средний размер наименьших частиц при наличии
фильтра уменьшается почти в два раза (рис.3).
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 11-03-00571-а и Программы
фундаментальных исследований ОЭММПУ РАН N 12 «Многоуровневое исследование
свойств и поведения перспективных материалов для современных узлов трения»
(проект 12-Т-1-1009).
Библиографический список
1.
Аликин В.Н., Вахрушев А.В., Голубчиков В.Б., Липанов А.М., Серебренников
С.Ю. «Разработка и исследование аэрозольных нанотехнологий. Том III. Топлива.
Заряды. Двигатели.». – М.: Машиностроение, 2010. – 196с.: ил.
2.
Science and nanotechnology - fundamental principles and colloidal particles / Capek,
Ignác. - 1. vyd. - Amsterdam : Elsevier, 2006. - 301 s.
3.
Вахрушев А.В., Федотов А.Ю. «Методические указания к выполнению
практических занятий по курсу «Информационные системы в экономике». – Ижевск:
ИжГТУ, 2009. – 20с.: ил.
4.
Zygo Corporation, NewView 6200, 6300 Operating Manual, 01/2007,
http://www.zygo.com.
5.
Zygo Corporation, MetroPro Microscope Application Manual, 04/2006,
http://www.zygo.com.
6.
Румшинский Л.З. «Математическая обработка результатов эксперимента». – М.:
Наука, 1971. – 192с.: ил.
Об авторах
Мокрушин Александр Алексеевич (Ижевск) – аспирант кафедры механики и
моделирования ФГБОУ ВПО «ИжГТУ имени М.Т. Калашникова» (426069, г. Ижевск,
ул. Студенческая, 7, e-mail: alexandr.mokrushin@list.ru)