ТЕХНОЛОГИЯ  ПРОИЗВОДСТВА  НАНОПОРОШКОВ  В  АТМОСФЕРЕ  РАЗЛИЧНЫХ  ГАЗОВ

Разработан новый технологический процесс производства нанопорошков в атмосфере различных газов. Процесс заключается в испарении твердых природных или техногенных исходных материалов (например, кварца в случае диоксида кремния) с последующим быстрым охлаждением высокотемпературного пара и конденсацией вещества в виде наночастиц. Последние могут иметь различные размеры (от 10 до 500 нанометров).

Содружество физиков и химиков: ведущий инженер М. Голковский, ИЯФ; д.ф.-м.н. С. Бардаханов, ИТПМ; ведущий инженер А. Лаврухин, ИЯФ; к.х.н. В. Гончаров, ИК; д.т.н. Р. Салимов, ИЯФ; к.ф.-м.н. В. Володин, ИФП.

В проекте участвовали институты Ядерной физики им. Г. И. Будкера, Катализа им. Г. К. Борескова, Физики полупроводников, Неорганической химии, Химии и химической технологии, Теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича, Кемеровский филиал Института химии твердого тела и механохимии СО РАН, Институт химии ДВО РАН (Владивосток), НПФ «Кварц» (Тюмень), Новосибирский электровакуумный завод, ОАО «Катод» (Новосибирск). Научными координаторами проекта были академик В. Бузник, д.х.н. Б. Бальжинимаев, д.т.н. Р. Салимов, д.х.н. Л. Игнатьева, д.ф.-м.н. С. Бардаханов, а ученым секретарем — к.х.н. Ю. Танашев.

Один из ускорителей электронов непрерывного действия серии ЭЛВ с мощностью 100 кВт, промышленно выпускаемый ИЯФ им. Г.И.Будкера, используется для испарения и является основным высокотехнологичным компонентом процесса. Отличительным свойством ускорителя является выпуск концентрированного пучка электронов непосредственно в атмосферу с плотностью мощности до 5000 кВт на кв. см (при атмосферном давлении). Процесс обеспечивает температуру достаточную для испарения любого материала, при темпе нагрева более 1000 градусов в секунду. Разработанный процесс экологически чист и не использует какие-либо опасные и токсичные материалы и составляющие, в отличие от существующих промышленных способов. Дополнительным преимуществом является меньшее число стадий производства.

Волокнистые структуры в нитриде алюминия

В результате могут быть получены нанопорошки различных веществ  при высокой производительности (до десятков килограмм в час для некоторых веществ). К настоящему моменту получены нанодисперсные порошки: оксидов - диоксида и оксида кремния (SiO2, SiO), оксида магния (MgO), оксида алюминия (Al2O3), закиси меди (Cu2O); металлов – тантала (Ta), молибдена (Mo), никеля (Ni), алюминия (Al), серебра (Ag), и некоторых других, в различных атмосферах; полупроводника – кремния (Si); нитридов – алюминия (AlN), титана (TiN); и другие вещества, в частности, фуллерены. Использовавшиеся газы: воздух, аргон, азот, гелий, ксенон.

К практическим результатам тесно примыкают и фундаментальные данные об особых свойствах других веществ. По крайней мере, для некоторых полученных порошков удалось показать, что наночастицы формировались в существенно неравновесных условиях, что проявлялось в их строении и свойствах. В частности, оказалось, что нанодисперсные порошки кремния, полученные радиационным испарением кремния полупроводниковой чистоты в аргоне, имеют искаженную кристаллическую решетку, а при воздействии на них ультрафиолетовым излучением при комнатной температуре светятся в видимом спектральном диапазоне. Сильный коротковолновый сдвиг максимума фотолюминесценции, по-видимому, объясняется эффектом размерного квантования электронов и дырок в нанокристаллах кремния с малыми размерами. Эти интересные научные факты могли бы найти применение в высокоэффективных устройствах наноэлектроники, например, памяти.

Существенным дефектам и другим особенностям в наночастицах серебра, полученных испарением в аргоне, сопутствовала высокая активность порошка в каталитических приложениях. По-видимому, эти данные также имеют большое значение, как в научном плане, так и в прикладном.

Получены экспериментальные данные о течениях наноразмерных порошков. Показано, что порошки текут так же, как жидкости и газы. Впервые использован термоанемометрический метод для измерений в «гранулированной» среде. В практическом плане результаты могут быть полезны для анализа типов движений в производственных процессах с присутствием нанопорошков, где в настоящее время используются сугубо эмпирические сведения. К числу важных «попутных» результатов можно отнести данные о том, что в некоторых случаях воздействие электронным пучком приводит к восстановлению металлов из оксидов и нитридов, и что по просьбам промышленных предприятий изготовлены некоторые пробные керамические детали из наноразмерных порошков.

Консультации: Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича