51
Поскольку в плазме и жидкое, и твердое сырье переходит в газообразное
состояние, то все эти три способа можно отнести к методам конденсации из
газовой фазы.
Рассмотрим подробнее сущность протекающих
физико-химических
процессов и свойства получаемых при этом продуктов для каждого из
указанных методов.
2.1.1.1. Переработка газообразных соединений в плазме
Метод включает следующие процессы:
1) генерацию плазмы
2) введение сырья в плазму
3) нагрев сырья
4)
химическую реакцию
5) образование и рост частиц.
Последовательность этих процессов показана на рис. 16.
Рис. 16. Схема процесса переработки газообразного сырья: I — зона
смешения; II — зона химической реакции; III — зона зародышеобразования и
роста частиц; IV
— зона охлаждения; 1 — плазмотрон; 2
— реактор. Здесь и
далее
Q — отводимая теплота
52
Сырье вводят в плазмотрон, где происходит смешение сырья с плазмой и
нагрев до очень высоких температур (2000-2300К). Далее происходит
взаимодействие компонентов сырья, затем образование частиц порошка
продукта из газовой фазы. Последний процесс происходит или при
осаждении частиц на стенках аппаратуры (конденсация на поверхности), или
за счет
появления и роста зародышей, возникающих самопроизвольно в
результате флуктуаций плотности (конденсация в объеме вещества).
Следующие далее процессы укрупнения частиц могут идти двумя
путями. Один из них представляет перенос вещества от мелких частиц к
более крупным (изотермическая перегонка по Кельвину-Гегузину), т.е.
мелкие частицы постепенно испаряются (уменьшаются), а крупные растут.
Второй путь, более характерный для плазмохимических процессов,
заключается в слипании частиц – коагуляции.
В результате в порошке возникают крупные спекшиеся агломераты. Так
как целью метода является получение нанопорошков, то развитие процессов
укрупнения нежелательно. Чтобы избежать укрупнения, применяют быстрое
охлаждение реакционной смеси – закалку,
которая приводит к резкому
увеличению пересыщения, что, в свою очередь, приводит к увеличению
количества зародышей новой фазы, замедлению их роста и укрупнения. С
той же целью в плазмохимический реактор вводят холодные газы, при этом
происходит одновременно и закалка и разбавление продуктов реакции.
Свойства
некоторых веществ, полученных этим путем, представлены в
табл.1.
Таблица 1. Свойства некоторых порошков, полученных переработкой
газообразных веществ в плазме
Синтезируемое
вещество
Исходное сырье
Размер частиц
продукта, нм
Удельная поверхность
продукта, м
2
/г
TiN TiCl
4
, NH
3
10-50
10-95
53
TiC
Si
3
N
4
ZrO
2
TiCl
4
, CH
4
SiCl
4
, NH
3
ZrCl
4
10-150
30-40
60-90
8,7
6,0
-
Основные достоинства метода таковы:
1)
химические реакции протекают в газовой фазе при очень высоких
температурах, что обуславливает их большую скорость, а следовательно,
высокую производительность реактора;
2) продукты получаются в результате конденсации тугоплавких
соединений из газовой фазы и представляют
собой нанопорошки высокой
чистоты, так как в ходе реакции сырье не соприкасается со стенками
реактора, что обуславливает низкое содержание посторонних примесей;
3) метод позволяет смешением исходных паров получать твердые
растворы и осуществлять легирование продуктов микропримесями других
веществ.
К недостаткам метода можно отнести:
1) высокую коррозионную активность летучих соединений;
2) высокую адсорбционную способность наночастиц (в результате
которой на их поверхности адсорбируются
исходные газообразные
вещества);
3) необходимость
применения
дорогостоящего
оборудования
(плазмотрон).
Достарыңызбен бөлісу: