Физические основы плазменных технологий разделения веществ и синтеза материалов

Отчет 74 с., 53 рис., 12 табл., 65 источн. УГЛЕРОДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ, ПЛАЗМОХИМИЯ, ПЛАЗМОТРОН, ПИРОЛИЗ, СИНТЕЗ, КАТАЛИЗАТОР, ГЕЛИКОННЫЙ РАЗРЯД, ВАКУУМНАЯ ДУГА Объектами исследования являются: процессы синтеза углеродных наноматериалов с применением плазмы мощного плазмотрона постоянного тока; вакуумная дуговой разряд с катодом из спечённого гадолиния, помещенного в молибденовый тигель с внешним электронно-лучевым подогревом; параметры высокочастотного магнитного поля в геликонном разряде, реализованном в металлической камере плазменного сепаратора. Цель работы: определение влияния параметров и состава плазменной среды мощного плазмотрона постоянного тока на синтез и свойства углеродных наноматериалов и оптимизация условий синтеза; исследование возможности создания источника плазмы модельных веществ с контролируемыми свойствами с помощью вакуумного дугового разряда определение влияния высокочастотного электромагнитного поля на однородность профиля буферной плазмы плазменного сепаратора с целью достижения однородного профиля с экстремальной концентрацией плазмы. Методы и методология проведения работы Для выполнения работ по теме использовались: плазмохимический реактор на основе мощного плазмотрона постоянного тока (разработка ОИВТ РАН); сканирующая электронная микроскопия (электронный микроскоп Hitachi S5500) для визуализации морфологии синтезированных материалов;, спектроскопия комбинационного рассеяния (спектрометр Ntegra Spectra ) для контроля фазового состава продуктов синтеза; синхронный термоанализ (STA 409PC Luxx) с квадрупольной масс-спектрометрией (QMS 403 C Aeolos); дифракционные измерения (дифрактометр Stoe Stadi P); рентгеноструктурные исследования (дифрактометр ДРОН-2) для определения элементного состава продуктов синтеза; энергетически-дисперсионная рентгеновская спектроскопия (микроскоп Philips c энергодисперсионным детектором EDAX) для элементного состава продуктов синтеза; оптическая спектроскопия (спектрометр AvaSpec2048) для определения параметров плазмы в активной зоне синтеза; численные расчеты состава компонентов синтеза с привлечением данных о термодинамических свойствах индивидуальных веществ из банка ИВТАНТЕРМО; вакуумный реактор с дуговым разрядом с электроннолучевым подогревом катодного узла; пирометрия катодного узла в диапазоне до 2000ºС; видеоконтроль экспериментального дугового участка; спектроскопия параметров плазмы вакуумного дугового разряда; осциллография электрических параметров вакуумного разряда; организация продольного геликонного разряда на частоте 5 МГц в стальной цилиндрической камере длиной 2 м и радиусом 40 см при давлении аргона ~2 мТорр; измерение поглощенной в плазме ВЧ-мощности методом рефлектометрии; Осциллографирование ВЧ магнитного поля с применением калиброванных многовитковых магнитных вакуумных датчиков; Результаты работы: Синтезированы многостенные углеродные нанотрубки при пиролизе смеси сажи с катализатором, пропан-бутановой смеси, метана, ацетилена и этанола при работе плазмотрона в интервале давлений 150-710 Торр на аргоне с мощностью –21 – 26 кВт, на гелии – 28 – 35 кВт и на азоте – 30 –35 кВт; найден оптимальный состав катализатора на основе металлических порошков Ni и Co, к которым добавлен Y в виде Y2O3, - при композиции Ni:Co:Y = 1,47:1,47:1,02 ат. % получено максимальное содержание УНТ в 27 масс.% от образовавшейся твердой фазы в плазме гелия при 500 Торр; обнаружено, что род плазмообразующего газа влияет на диаметр УНТ, но не изменяет их морфологию, - синтезированные с помощью гелия УНТ представляют собой прямые цилиндры с открытыми концами диаметром 16–32 нм, а у полученных в объеме струи плазмы аргона УНТ диаметр составил, в среднем, 39 - 70 нм; на основе рентгеноструктурного анализа фазового состава синтезированных УНТ показано, что в структурах УНТ присутствует три металла Y, Ni и Со, наличие которых может быть обусловлено механизмом роста УНТ: - при высоких температурах начинается графитизация иттрия, а затем в кристаллизации углерода участвуют образовавшиеся при более низких температурах металл-углеродные агрегаты (металлофуллерены) Ni и Со; найдено, что характерный диаметр УНТ, синтезированных при использовании углеводородов и этанола, составляет 20-50 нм и не зависит от условий их роста; показано, что при конверсии углеводородов в объеме струи азотной плазмы формируются азотсодержащие УНТ, с содержанием азота в пределах 1.5–5.87 масс %; обнаружено, что при пиролизе углеводородов в плазме гелия, аргона и азота в интервале давлений 77–710 Торр нитевидные УНТ имеют закрытые и отрытые концы, а при пиролизе этанола в плазме гелия и аргона синтезированные МУНТ имеют закрытые концы; установлено с методами СЭМ, элементного и рентгеноструктурного анализа присутствие меди в структурах УНТ, что указывает на их каталитический рост; найдено, что на поверхности МУНТ содержатся также кислородные группы, наличие которых обеспечивает материалу высокую термическую устойчивость; установлено, что масса синтезированных МУНТ из этанола не изменяется при нагревании в интервале температур от комнатной до 1000 °С, а потери 5 масс. % приходятся на область разложения аморфного углерода (250-495 °С); найдены условия синтеза малодефектных МУНТ, - оптимальными параметрами являются: азот - в качестве плазмообразующего газа, ацетилен в качестве прекурсора углерода, давление в реакторе – 150 Торр; показано, что при пиролизе твердого, жидкого и газообразного прекурсора углерода образование УНТ происходит при разных температурах, - чем больше количество компонентов в газовой фазе плазменного потока, тем ниже начальная температура конденсации твердого углерода; исследованы параметры зажигания вакуумной дуги с горячим термоэмиссионным катодом из гадолиния в зависимости от температуры катода и межэлектродного расстояния; показано, что напряжение зажигания дуги уменьшается с ростом температуры катода и не зависит от длины межэлектродного промежутка в пределах 20-50 мм при использовании анода с принудительным охлаждением. показано, что после инициации разряда при начальной температуре катода ниже 1700ºС катод разогревается дугой до температуры, обеспечивающей ток термоэмиссии, близкий полному току дуги; исследованы характеристики ВЧ поля геликонного разряда в цилиндрическом объёме с проводящими стенками в продольном магнитном поле 200 Гс; измерены радиальные зависимости аксиальной и азимутальной компонент магнитной составляющей ВЧ поля в камере плазменной сепарации, обнаружена одновременная генерация различных геликонных волн; измерены радиальные зависимости разности фаз компонентов ВЧ магнитного поля и падающей волны в антенне; измерены радиальные зависимости концентрации генерируемой плазмы в нескольких режимах включения торцевых электродов камеры плазменного сепаратора, - концентрация плазмы в близи оси камеры становится распределенной более однородно при подаче электрического потенциала на большее количество торцевых электродов; измерены радиальные зависимости электрического потенциала в плазме разряда при разных комбинациях подключения торцевых электродов плазменного сепаратора, - показано, что наибольшая величина электрического поля в центре камеры реализуется в отсутствие напряжения на торцевых электродах. Область применения: материаловедение: - синтез УНМ в плазме мощного плазмотрона постоянного тока перспективен для использовать синтезированных наноматериалов в составе керамических композитов для улучшения их свойств, электроника: - мезопористая структура пор, образованная совокупностью УНТ, делает их перспективными для создания электродов для конденсаторов с двойным электрическим слоем; альтернативная технология плазменной переработки ОЯТ для решения задач замкнутого топливного цикла и повышения безопасности атомной энергетики.