catalog / TECHNICAL SCIENCES / Nanotechnology and Nanomaterials (by industry)
скачать файл: 
- title:
- Калашников Сергей Васильевич Акустическая сепарация нанопорошков по размерам частиц развитие метода и приложения Калашников Сергей Васильевич
- Альтернативное название:
- Калашников Сергій Васильович Акустична сепарація нанопорошків за розмірами частинок розвиток методу та застосування Калашников Сергій Васильович Kalashnikov Sergey Vasilievich Acoustic separation of nanopowders by particle size development of the method and applications Kalashnikov Sergey Vasilievich
- university:
- Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова
- The year of defence:
- 2019
- brief description:
- Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова"
На правах рукописи
Калашников Сергей Васильевич
АКУСТИЧЕСКАЯ СЕПАРАЦИЯ НАНОПОРОШКОВ ПО РАЗМЕРАМ ЧАСТИЦ: РАЗВИТИЕ МЕТОДА И ПРИЛОЖЕНИЯ
Специальность 05.16.08 - Нанотехнологии и наноматериалы (металлургия и материаловедение)
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
доцент Номоев Андрей Валерьевич
Улан-Удэ - 2019
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................. 6
Глава 1
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ПО РАЗМЕРАМ НАНОДИСПЕРСНЫХ ПОРОШКОВ.................................................................. 13
1.1 Наноразмерные материалы....................................................................... 13
1.2 Влияние способа получения нанопорошков на их гранулометрический
состав................................................................................................................. 14
1.2.1 Гранулометрический состав порошков, полученных газофазным
синтезом.......................................................................................................... 14
1.2.2 Гранулометрический состав порошков, полученных осаждением
коллоидных растворов................................................................................... 16
1.2.3 Гранулометрический состав порошков, полученных
плазмохимическим методом........................................................................... 16
1.2.4 Гранулометрический состав порошков, полученных методом
электрического взрыва проводников............................................................ 17
1.2.5 Механические методы получения ультрадисперсных порошков.. 18
1.3 Известные методы разделения частиц по размеру................................... 19
1.3.1 Седиментационное разделение......................................................... 20
1.3.2 Центрифугирование.......................................................................... 22
1.3.3 Фильтрование.................................................................................... 23
1.3.4 Адсорбционные методы.................................................................... 24
1.3.5 Аэродинамическое разделение......................................................... 24
1.3.6 Акустическое разделение.................................................................. 26
1.3.7 Грохотание........................................................................................ 27
1.3.8 Электромагнитное разделение......................................................... 27
1.3.9 Броуновская диффузия..................................................................... 28
1.3.10 Вибрационная сегрегация............................................................... 29
1.3.11 Гель-электрофорез и диэлектрофорез............................................ 29
Выводы по первой главе.................................................................................. 30
Г лава 2
ИСХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИССЛЕДОВАНИЯ... 31
2.1 Методы и приборы, используемые при экспериментальном исследовании 31
2.1.1 Просвечивающая электронная микроскопия................................... 31
2.1.2 Атомно-силовая микроскопия.......................................................... 32
2.1.3 Рентгеновский анализ........................................................................ 32
2.1.4 Центрифугирование.......................................................................... 33
2.1.5 Метод динамического рассеивания света......................................... 34
2.1.6 Установка акустического разделения............................................... 35
2.1.7 Установка для определения температурного объемного коэффициента
расширения резины и создаваемого ею давления....................................... 37
2.1.8 Растровая электронная микроскопия, твердомеры......................... 38
2.2. Исследуемые образцы............................................................................... 39
2.3 Методология эксперимента....................................................................... 42
Выводы по второй главе.................................................................................. 43
Г лава 3
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ АКУСТИЧЕСКОГО МЕТОДА РАЗДЕЛЕНИЯ... 44
3.1 Обзор работ, посвященных моделированию акустических течений...... 44
3.2 Численная модель потоков среды для бесконечного луча...................... 47
3.3 Эксперимент по фигурам Хладни в рамках модели................................ 53
3.4 Расчет векторного поля СКОРОСТИ над поверхностью кантилевера.. 55
3.5 Экспериментальная проверка влияния аэродинамических процессов на
образование фигур Хладни.............................................................................. 60
3.6 Компьютерное моделирование потоков газа и распределения частиц над
колеблющейся пластиной................................................................................. 64
3.7 Физические причины перераспределения частиц по размерам.............. 70
3.7.1 Гравитационно-механическая причина образования фигур Хладни с
частицами, удерживающимися на пучности................................................. 70
3.7.2 Аэродинамическая природа образования фигур Хладни с частицами на
пучностях........................................................................................................ 73
3.8 Итоговые замечания по моделированию.................................................. 86
Выводы по третьей главе.................................................................................. 88
Г лава 4
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ..................... 90
4.1 Экспериментальные данные по акустическому разделению наночастиц 90
4ЛЛЭксперименты с Макрофигурами Хладни......................................... 90
4.1.2 Разделение на поверхности пьезоэлемента и кантилевера............. 92
4.2 Экспериментальные данные по дифференциации наночастиц по размерам в
поле центробежных сил.................................................................................... 97
4.2.1 Разделение при малом центробежном ускорении........................... 99
4.2.2 Разделение при большом центробежном ускорении.................... 103
4.2.3 Теоретическое обобщение экспериментальных данных по разделению
в поле центробежных сил............................................................................. 105
4.3 Сравнительный анализ акустического и центробежного методов
разделения....................................................................................................... 113
4.4 Возможная техническая реализация акустического метода разделения .... 115
Выводы по четвертой главе............................................................................ 116
Г лава 5
ПРИКЛАДНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ, ИМЕЮЩИХ СУЖЕННЫЙ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ СОСТАВ.............................................................. 117
5.1 Параметры порошков, используемых для модифицирования материалов. 117
5.2 Модифицирование жидких кристаллов.................................................. 118
5.2.1 Измерение диэлектрической анизотропии жидкокристаллических
пленок............................................................................................................ 119
5.2.3 Измерение дипольного момента наночастиц................................. 122
5.3 Модифицирование силиконового компаунда......................................... 126
5.3.1 Результаты экспериментов.............................................................. 127
5.3.2 Внедрение результатов работы в производство........................... 132
5.4 Модифицирование силумина.................................................................. 134
5.4.1 Введение........................................................................................... 134
5.4.2 Экспериментальная часть............................................................... 135
5.4.3 Результаты и обсуждения............................................................... 136
Выводы по пятой главе................................................................................... 141
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................... 143
Список литературы............................................................................................. 146
Приложение
АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВО...................................................... 159
ВВЕДЕНИЕ
Дисперсные системы чрезвычайно широко распространены в природе. Так, например, дисперсные системы и коллоидно-химические явления наблюдаются и далеко за пределами Земли. Как известно, межзвездная материя состоит главным образом из газов и пыли. Земля и водоемы, а также атмосфера, ее окружающая, представляют собой дисперсные системы. Реки планеты и ветры переносят миллиарды тонн породы, которая превращается в твердые частицы дисперсной фазы. Такими же частицами становятся также пыльца, семена и остатки растений. Растет применение дисперсных материалов в науке и различных отраслях техники.
Актуальность данного исследования определяется необходимостью эффективного практического применения и исследования различных нанодисперсных порошков. Большая часть методов получения нанопорошков дает продукт с широким гранулометрическим составом, что часто является недостатком при их применении.
Решение проблемы экспериментального разделения наночастиц, в том числе и в виде коллоидных систем, в первую очередь необходимы при решении задач современного материаловедения, микроэлектроники, аналитической химии, биохимии и др. Надежные методы разделения открывают новые возможности для сортировки и манипуляции частицами, клетками и органеллами в зависимости от их размеров. Нанодисперсные порошки широко применяются при производстве резиновых и смазочных материалов, эмалей, клеев, адсорбентов в хроматографии и медицине. Частицы различного размера имеют, как правило, разные свойства, которые не могут быть адекватно изучены, пока частицы не разделены на отдельные фракции с узким распределением по размеру. Важно, например, определение наиболее оптимального размера наночастиц для модифицирования полимеров, эмалей и резин [1].
В качестве основного объекта исследования выбран нанопорошок диоксида кремния, широко применяемый в настоящее время в различных областях промышленности. В частности, добавки на основе наночастиц диоксида кремния позволяют улучшить физико-механические свойства полимерных материалов, бето- нов, керамик: повысить термостойкость, увеличить прочность и микротвердость. Это позволяет использовать получаемые материалы для решения новых прикладных задач [2,3,4]. При этом свойства композита или керамики начинают зависеть и от свойств ультрадисперсного материала, которые определяются преимущественно размером частиц. Так же в работе использован нанопорошок меди.
Учитывая это, для прикладного использования нанопорошков необходим метод массового их разделения по размерам. Учитывая малые размеры и массу наночастиц, необходима разработка новых или модификация существующих методов разделения.
Степень разработанности темы исследования
В 2007 г. эксперименты М. Доррестийна и др. (Базельский университет, Швейцария) [5] показали, что наноразмерные колебания кантилевера в жидкости или газе заставляют частицы, ранее покоящиеся на поверхности, двигаться либо к узлам, либо к пучностям стоячей волны в зависимости от их размеров, что определяется акустическими течениями среды. Агрегированные в пучностях и узлах частицы могут быть транспортированы в перпендикулярном направлении и разделены. Однако в приведенной работе авторы лишь показали возможность акустического разделения на основе заранее отобранных центрифугированием моноразмерных частиц двух массивов с размерами 4 и 0,5 мкм и при достаточно узких условиях. Теоретические модели относительно взаимодействия потоков среды и частиц над колеблющейся пластиной так же приводил Хенк Ян ван Г ернер (Университет Твенте, Нидерланды) в 2013 г.
Однако до сих пор метод не используется из-за:
1. отсутствия исследований по разделению реальных нанопорошков, производимых различными методами и имеющих большой диапазон размеров частиц;
2. требуемой, согласно ранее проведенным исследованиям, высокой частоты колебаний для разделения наночастиц, и как следствие, малых размеров колеблющейся поверхности, трудностей при практическом применении;
3. ограниченностью (по точности) теоретических и экспериментальных данных о потоках вязкой среды над поперечно колеблющимися поверхностями;
4. отсутствия сравнительного анализа эффективности акустического разделения с другими известными методами, например, с центрифугированием.
- bibliography:
- ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе проведено исследование, посвященное решению одной из прикладных проблем современного материаловедения. Новый класс материалов - в том числе дисперсионные - обладают очевидными преимуществами и перспективностью использования в технике XXI века. Так же быстро, как и становление новой дисциплины, в ней наметились основные научные, технические, социальные и экологические проблемы.
Технические проблемы в первую очередь связаны с трудностью получения чистых веществ с заданным (и одинаковым) размером структурных элементов. Отсюда естественным образом вытекает задача разделения дисперсионных материалов по размерам. Несмотря на то, что наука и техника уже сталкивалась с подобной задачей не раз, все же сегодняшние материалы предъявляют новые требования к методике разделения, и она идет по революционному пути: создаются новые методы разделения, используются физические параметры и явления, на которые ранее не обращали внимания. Одно из таких явлений исследовано в настоящей работе - метод акустического разделения. Другой рассмотренный метод - разделение в поле центробежных сил известен давно, однако в нанотехнологии имеет ограниченное применение.
Основные результаты работы можно свести к следующим пунктам:
1. Показано, что разделение наночастиц по размерам методом их пространственного перераспределения в узлы и пучности колебаний возможно на кантилевере сравнительно больших размеров или поверхности пьезоэлемента, что важно для практического применения акустического метода разделения. При этом концентрация частиц меньшего размера происходит на пучности колебаний, большего размера - на узловой линии.
2. Было показано экспериментально, что именно потоки среды над поперечно колеблющейся твердой поверхностью являются причиной концентрации частиц на пучностях, и следовательно, разделения частиц по размерам.
3. Проведенное численное моделирование выявило потоки Рэлея над колеблющейся пластиной. На основе моделирования и анализа данных нелинейной акустики выявлено направление обращения потоков в акустическом пограничном слое, показан механизм взаимодействия выявленных потоков с частицами разных размеров, приводящий к их пространственному разделению.
4. Проведение моделирования с использованием частиц позволило выявить еще один механизм образования фигур Хладни с частицами, расположенными на пучностях колебаний - гравитационно-механический. Однако было показано, что в реальном эксперименте данный процесс не проявляется.
5. На основе анализа движения частиц и сил, действующих на них, была показана зависимость размера разделяемых частиц от амплитуды колебаний при низких частотах, выявлено, что существует еще одна причина движения частиц к пучности, основанная на вычислении усредненной скорости потока среды в ла- гранжевых координатах.
6. Экспериментально показаны возможности акустического разделения в различной среде (воздух, вода), при разном давлении, частоте колебаний, используемых разделяемых материалах и колеблющихся систем. Измерение размера частиц, взятых из различных областей, показало эффективность разделения.
7. Экспериментально установлено влияние на эффективность разделения нанопорошков в поле центробежных сил параметров этого поля и методики каскадного разделения, которое позволяет отобрать наночастицы с различным диапазоном размеров из исходного полиразмерного порошка. Установлена математическая закономерность, позволяющая рассчитывать эффективность разделения наночастиц при заданных условиях в поле центробежных сил, или, наоборот, выбирать условия исходя из необходимой эффективности разделения.
8. Проведено сужение распределения по размерам нанопорошка диоксида кремния с различным средним диаметром частиц акустическим и центробежным способом, которые могут быть использованы в практических целях.
9. В исследовании модифицирования жидких кристаллов наночастицами показано, что размер композитных наночастиц (который можно изменять рассмотренными методами разделения) может влиять на быстродействие жидких кристаллов.
10. Проведено модифицирование силиконовой резины и алюминиевого сплава наночастицами диоксида кремния с рядом значений их среднего размера, показавшее возможность изменять удельное давление при тепловом расширении резины и твердость сплава в зависимости от размера введенных наночастиц. Проведена успешная опытно-промышленная апробация наномодифицированных изделий из кремнийорганической резины и силумина в условиях производства.
Анализ исследования по модифицированию жидких кристаллов различными наночастицами, применение разделенных нанопорошков для модификации кремнийорганического компаунда и силумина, проведенного в рамках данной работы в виде модельных экспериментов, показало, что размер частиц примененных порошков оказывает влияние на макропараметры веществ и доказало актуальность работы.
В настоящее время ведутся активные разработки по увеличению эффективности способов получения, исследований свойств и методов разделения наноматериалов. Так же будут развиваться и рассмотренные в работе методы дифференциации наночастиц по размерам.
- Стоимость доставки:
- 230.00 руб