Г.В. Сакович Получение новых материалов применением высокоэнергетических веществ 1 2014 Синтез наноматериалов в детонационной волне из высокоэнергетических соединений Уникальность метода: - чрезвычайно высокие температуры (до 6000K) и давления (до 500 тыс. атм.) - крайне малая продолжительность процесса (0,1÷2 мкс) - высокая скорость “закалки” продуктов: скорость падения температуры – неск. млн. град/с 2 Фазовая диаграмма наноуглерода 450 Жидкий углерод 400 - ТНТ 350 2 - октоген Наноалмаз - CL-20 Давление, кбар 300 1 – линия фазового равновесия сажананоалмаз 2 – линия плавления наноалмаза 3 – линия плавления неалмазного углерода - бензотрифуроксан - ТГ-50/50 250 Неалмазные формы углерода 200 150 1 — статическая диаграмма углерода 100 Графит 50 0 2000 2500 3000 3500 4000 3 4500 5000 5500 Температура, К 3 Аппаратурно-технологическая схема автоматизированного комплекса синтеза УДА (запущен в 1984 г.) в атмосферу Объем камеры, м3 3,0 Цикл подрыва, мин. 2÷2,5 Масса заряда, кг 0,65 Мощность, кг/год 2000 4 Основные факторы, влияющие на выход ультрадисперсных алмазов 1. Условия образования алмазов в детонационной волне: - состав и плотность взрывчатого вещества, - структура и свойства молекулы ВВ - дисперсность компонентов смесевого гетерогенного ВВ 2. Детонация заряда, как реального физического тела: - форма, размеры, масса заряда, - наличие и свойства оболочки, - мощность и положение инициирующего импульса 3. Сохранение УДА при синтезе во взрывной камере: - состав и давление газовой среды, - объем взрывной камеры, - масса заряда 5 Выход КУ и УДА при детонации некоторых ВВ ВВ ρ0, г/см3 ВКУ, % ВУДА, % СУДА, % ТНТ 1,586 18,91 ± 0,38 2,49 ± 0,36 13,18 ТАТБ – 13,19 ± 1,83 3,91 ± 0,76 29,62 ТНБ 1,605 13,88 ± 0,25 3,47 ± 0,19 24,98 Гексоген 1,616 8,11 ± 0,11 1,09 ± 0,01 13,44 Баллиститный порох РСИ-60 1,590 9,54 2,86 29,90 СТТ ТТФ-56/3 1,600 3,80 0,10 2,60 ТНТ/гексоген -60/40 1,665 11,67 ± 0,06 7,66 ± 0,09 65,68 ТНТ/октоген(ВДО)70/30 1,692 13,73 ± 0,17 11,19 ± 0,08 81,51 6 Основные области применения детонационных наноалмазов Область применения Гальванические покрытия: -Cr+УДА -Ni+УДА -Cu, Au, Ag, Zn, Sn, …+УДА Содержание УДА, % 0,31,0 0,1-0,7 до 1 Эффективность Повышение износостойкости в 2-12 раз Повышение износостойкости в 5-6 раз Повышение износостойкости до 15 раз Полирование: (микроэлектроника, оптоэлектроника, видимая и рентгеновская оптика, …) 2-5 Максимальный уровень шероховатости, нм - твердые сплавы – 1-5 - кремний – 0,5-1,5 - кристалл бромистого калия – 2-3 Модификаторы трения: (автомобильные масла, смазочно-охлаждающие жидкости) 0,1-0,3 Снижение коэффициента трения на 20-30 % Уменьшение износа трущихся пар в 1,5-3 раза Модификаторы полимерных материалов: (резино-техническая промышленность) 2-7,5 Снижение коэффициента истирания: -полярных каучуков в 1,1-3,2 раза -неполярных каучуков в 1,1-5,3 раза 7 8 Постановление Совета Министров СССР от 29 апреля 1989 г. № 363-97 Перечень подлежащих строительству и вводу в 1990-1995 годах объектов, необходимых для развития работ по ультрадисперсным алмазным порошкам, получаемых методом взрыва Предприятие Срок ввода в действие НПО «Алтай» г.Бийск Алтайского края Опытная установка для производства ультрадисперсных алмазных порошков, мощность 3 т порошков в год (реконструкция) 1991 Объекты опытно-промышленного производства ультрадисперсных алмазных порошков, мощность 50 т порошков в год 1995 в том числе, первая очередь – 15 т порошка в год 1993 Объекты для производства продукции на основе ультрадисперсных алмазных порошков: - по производству концентратов масел, мощность 500 т концентратов в год в том числе первая очередь 100 т концентратов в год - по производству концентратов электрохимических покрытий, мощность 100 т концентратов в год в том числе первая очередь 25 т концентратов в год - по производству композиционных материалов, мощность 15 т материалов в год в том числе первая очередь – 6 т материалов в год Инженерно-лабораторный корпус научно-исследовательского центра «Синтез взрывом», площадь 6 тыс.кв.м. 1995 1993 1995 1993 1995 1993 1993 9 Синтез других наноматериалов в волне горения и детонации из высокоэнергетических соединений с добавками Добавка Продукты Бор (B) Нитрид бора (BN), карбид бора (B4C) Алюминий (Al) Корунд (γ-Al2O3) Кремний (Si) Нитрид кремния (Si3N4), карбид бора (SiC) Цирконий (Zr)+Mg, Ca, Y … Стабилизированная циркониевая керамика (ZrO2+MgO, CaO, Y2O3 …) Бензол (C6H6), толуол (CH3C6H5) … Многослойные углеродные нанотрубки 10 11 Производство микро- и наночастиц металлов и оксидов Горячее прессование и ударно-волновое компактирование порошков Al-наноалмаз, Al-Al2O3, Al-TiC, Al-TiB2, Al-AlN и др. Металломатричный нанокомпозит Концентрированная лигатура с частицами Введение лигатуры в расплав + воздействие внешних полей (механическое перемешивание, мощный ультразвук, электро-магнитные поля) Легкий сплав с повышенными до 30% эксплуатационными свойствами 12 Нанокатализаторы на службе безопасности 1. Наноразмерная TiO2 известна как катализатор фотохимического окисления органических канцерогенных веществ, включая ОВ (ИК). 13 2. Способы получения наноразмерной TiO2 - горением металлоорганических солей Ti(CN4H3O3)4 → TiO2 (нитросемикарбазид титана), способный к самостоятельному горению (Тсг40 = 2700 К), к детонационному превращению (Tвзр = 3270 К) с Д ≈ 7400 м/с. На его основе были созданы композиты ЭКС и КВВ. № п/п Способ получения TiO2 Размер, нм Квантовый выход, % Тсг в опыте, К 1 Горение НСКТ Р=0.1 МПа 60-70 2,6 2480 2 ЭКС 50 3,7 2500 3 ЭКС 50 1,0 2700 4 ЭКС 20 26,0 2300 5 Коллоидной химии 5…20 60,0 - Каталитически активной является β – TiO2. Кратковременного воздействия высоких температур достаточно для образования α-TiO2. 14 Способы защиты 1. На низкотемпературных ЭКС взрывом или горением по схеме или с использованием выбрасывающих их устройств. 15 16 Газогенераторы холодного газа E (Ts T0 ) 1 2 2 RT 17 18 Способ позволяет: посредством химического состава топлива получать индивидуальные «холодные газы» Состав топлива и характеристики Газ азот кислород водород 1. Компонент и его содержание, % Азиды щелочных металлов 70-80 Хлораты и перхлорат ы 85-90 Гидриды металлов 80-85 2. Теплопоглощающая добавка, % Галогениды щелочных металлов 15-20 Оксиды металлов 2-5 Оксиды металлов 15-20 5 5-10 1 380…420 260…300 900…950 35…80 80…100 50…70 98 98 99 3. Цементатор, % 4. Газопроизводительность, нл/кг 5. Температура газа, °С 6. Чистота газа, % об, не ниже 19 Характеристики систем с использованием генераторов холодного азота Характеристика «Дубль1» Плот Жилет АТС Объем подаваемого газа, л 600 2140 16 300 Время подачи, л/с 20 60 4 8 Скорость подачи, л/с 30 36 4 38 Добавление газа в системе, МПа 5,6 0,11 0,11 0,11 Масса генератора, кг 21 15 0,22 8 0,98 0,99 0,99 0,97 Вероятность безотказного срабатывания 20 21 22 23 Спасибо за внимание Алтай 24