ДО ВИСОКОПРОДУКТИВНОГО СИНТЕЗУ АЛЮМІНІЄВИХ НАНОЧАСТОК В ПЛАЗМОВІЙ СТРУМИНІ ПРИ АТМОСФЕРНОМУ ТИСКУ
DOI:
https://doi.org/10.15588/1607-6885-2024-2-7Анотація
Мета роботи. Метою даного дослідження є вивчення високопродуктивного випаровування мікронного алюмінієвого порошку в плазмовому струмені атмосферного тиску для синтезу наноалюмінія. Використовуючи спеціальну плазмову техніку, наночастинки можна отримати шляхом швидкого плавлення і випаровування початкових мікрометричних частинок та їх подальшої повторної нуклеації.
Методи дослідження. Використані методи математичного та комп’ютерного моделювання дозвукових турбулентних плазмових струменів при атмосферному тиску та експериментальні дослідження двофазних процесів при термічній плазмовій обробці з використанням дугового плазмотрону.
Отримані результати. На основі комп’ютерного моделювання спроектована і розроблена спеціальна реакторна система, що включає до свого складу плазмово-струменевий реактор з електродуговим плазмотроном для синтезу наночастинок алюмінію. Чисельне моделювання надає можливість визначити положення точки плавлення, випаровування і дроблення розплавленої частинки, еволюцію фракційного складу дисперсної фази, знайти швидкість і температуру частинки на ділянці від точки її плавлення до точки дроблення. Проведена експериментальна перевірка роботи реакторної системи при використанні дугових плазмотронів потужністю 30 та 150 кВт. Показано, що інтенсифікація дроблення дисперсної сировини в плазмовому струмені може бути корисною в технологіях отримання наноматеріалів. Наслідком процесу дроблення є перерозподіл фракційного складу порошку вздовж плазмового струменя і супутні зміни динаміки руху, нагрівання та випаровування частинок. Визначено, що коли температура найбільших частинок алюмінію досягає 2500 °С, загальна кількість випаруваної маси теоретично дорівнює 100 %. Основними параметрами, що впливають на поведінку частинок у плазмовому струмені, є діаметр частинок, швидкість впорскування порошку, швидкість потоку, температура і склад плазмового газу. Урахування цих параметрів дозволить вести процес на підвищеній продуктивності.
Наукова новизна. Отримано математичний опис процесу дроблення полідисперсного порошку, заснований на континуальному підході, що надає змогу визначити положення точки дроблення розплавленої частинки, фракційний склад дисперсної фази, знайти швидкість і температуру частинки на ділянці від точки її плавлення до точки дроблення і випаровування. Вперше показано, що можна вести процес коли повне випаровування розплавленої краплі здійснюється за рахунок високої ентальпії плазми до закінчення перемішування з парою.
Практична цінність. Спроектована і розроблена спеціальна реакторна система, що включає до свого складу плазмово-струменевий реактор з електродуговим плазмотроном для синтезу наночастинок алюмінію. Визначені параметри роботи реакторної системи, що дозволить проводити процес синтезу наночастинок алюмінію з високою продуктивністю.
Посилання
Ghorbani, H.R. (2014). A Review of Methods for Synthesis of Al Nanoparticles. Oriental Journal of Chemistry, 30, 4, 1941-1949. doi: doi.org/10.13005/ojc/300456
Kolahalam, L. A., Kasi Viswanath, I. V., Diwakar, B. S., Govindh, B., Reddy, V., & Murthy, Y. L. N. (2019). Review on nanomaterials: Synthesis and ap-plications. Materials Today: Proceedings, 18, 6, 2182–2190. doi:10.1016/j.matpr.2019.07.371
Salem, S. S., Hammad, E. N., Mohamed, A. A., El-Dougdoug W. (2023). Comprehensive Review of Na-nomaterials: Types, Synthesis, Characterization, and Applications. Biointerface Research in Applied Chemistry, 13, 1, 41. doi: doi.org/10.33263/BRIAC131.041
Puszynski, J.A. (2002). Characterization and Reac-tivity of Nanoenergetic Materials. Proceedings of the 29th International Pyrotechnic Conference, West-minster, CO, USA, 191–202.
Groza, J. R. (1999). Sintering of Nanocrystalline Powders. Int. J. Powder Metallurgy, 35(7), 59–66.
Hull, M. (2002). Tetronics: Plasma Processing Holds Key to Consistent Nanopowders. Powder Metall, 45(1), 8–9. doi: 10.1179/pom.2002.45.1.8
Paskalov, G., Plasma Processing of Aluminium Nano-fuel. Retrieved from: https://www.ispc-conference.org/ispcproc/ispc20/3.pdf
Settumba, N., Garrick, S.C. (2007). Modeling and Simulation of Nano-aluminium Synthesis in a Plas-ma Reactor. in: Advancement in Energetic Materials and Chemical Propulsion. International Journal of Energetic Materials and Chemical Propulsion, 6, 5, 651–663. doi: 10.1615/IntJEnergeticMaterialsChemProp.v6.i5.70
Jiayin, G., Xiaobao F., Dolbec R.,. Siwen X, Jurewicz J., Boulos M. (2010). Development of Nanopowder Synthe-sis Using Induction Plasma. Plasma Science and Technol-ogy, 12, 2, 188–199. doi: 10.1088/1009-0630/12/2/12
Kearns, M. (2004). Development and Applications of Ultrafine Aluminium Powders. Materials Science and Engineering A., 375, 1, 120–126. doi: 10.1016/j.msea.2003.10.160
Seo, J.-Ho, Hong, B.-G. (2012). Thermal Plasma Synthe-sis of Nano-Sized Powders. Nuclear Engineer-ing and Technology, 44, 1, 9–20. doi: 10.5516/NET.77.2012.002
Yamamoto N., Nishiyama T., Nagayama K., Process Controlled Synthesis of Aluminum Nanoparticles as a Next Generation Propellant; http://www.aero. kyu-shu-u.ac.jp/aml/laser/Al%20nano.pdf.
Schroder, K.A., Jackson, D.K. (2005) Radial Pulse Arc Discharge Gun for Synthesizing Nanopowders, Patent US 2005/0000950 A1.
Yanik, B. Agustos, H., Ipek, Y., Koyun, A., Uzunsoy, D. (2013). Synthesis and Characterization of Alumin-ium Nanoparticles by Electric Arc Technique. Arabi-an Journal for Science and Engineering, 39, 12, 3587–3592. doi: 10.1007/s13369-013-0621-2
Faraji, M., Poursalehi, R., Fkhazraei, A. (2015). The Effect Of Surfactant on Colloidal Stability, Oxida-tion and Optical Properties of Aluminium Nanoparti-cles via DC Arc Discharge in Water. Procedia Materi-als Science. 11, 684–688. doi: 10.1016/j.mspro.2015.11.029
Gromov, A.A ed. (2007). Fizika i khimiya goreniya nanoporoshkov metallov v azot-soderzhashchikh gazovikh sredakh [Physics and chemistry of combustion of metal nanopowders in nitrogen-containing gaseous media]. Tomsk: Iz-datelstvovo Tomskogo universitetata, 332. [in Rus-sian].
Kwon, Y.-S., Jung, J,-H., Yavorovsky, N.A., Illyn, A.P., Kim, J.-S. (2001). Ultrafine Powder by Wire Ex-plosion Method. Scripta Materialia, 44, 8, 2247–2251. doi: 10.1016/S1359-6462(01)00757-6
Sarathi, R., Sindhu, T.K., Chakravarthy, S.R. (2007). Generation of Nano Aluminium Powder Through Wire Explosion Process and its Characterisation. Ma-terials Characterization, 58, 2, 148–155. doi: 10.1016/j.matchar.2006.04.014
Tepper, F. (2000). Nanosize Powders Produced by Electro-explosion of Wire and Their Potential Appli-cations. Powder Metallurgy, 43, 4, 320–322.
Li, H., Meziani, M.J., Lu, F., Bunker, C.E., Guliants, E.A., Sun, Ya-P.(2009). Templated Synthesis of Al-uminium Nanoparticles-A New Route to Stable Ener-getic Materials, The Journal of Physical Chemistry C, 113, 48, 20539–20542. doi: 10.1021/jp908681p
Chung, S.W., Guliants. E.A., Bunker, C.E., Hammer-stroem, D.W., Deng, Y., Burgers, M.A., Jelliss, P.A., Buckner, S.W. (2009). Capping and Passivation of Aluminium Nanoparticles Using Alkyl Substituted Epoxides. Langmuir, 25, 16, 8883–8887. doi: 10.1021/la901822h
Foley, T.J., Johnson, C.E., Higa, K.T. (2005). Inhibi-tions of Oxide Formation on Aluminium Nanoparti-cles by Transition Metal Coating. Chemistry of Ma-terials, 17, 16, 4086–4091. doi: 10.1021/cm047931k
Haber, J.A., Buhro, W.E. (1998) Kinetic Instability of Nanocrystalline Aluminium Prepared by Chemical Synthesis; Facile Room-temperature Grain Growth. American Chemical Society, 120, 42, 10847–10855. doi.org/10.1021/ja981972y
Jouet, R.J., Warren, A.D., Rosenberg, D.M., Bellitto, V.J., Park, K., Zachariah, M.R. (2005) Surface Pas-sivation of Bare Aluminium Nanoparticles Using Per-fluoroalkyl Carboxylic Acids. American Chemical Society, 17, 11, 2987–2996. doi: 10.1021/cm048264y
Ghanta, S.R., Muralidharan, K. (2013) Chemical Synthesis of Aluminium Nanoparticles. Journal of Nanoparticle Research, 15, 6, 1–10. doi: 10.1007/s11051-013-1715-1
Gottapu, S., Padhi, S.K., Krishna, M.G., Muralidharan K. (2015). Poly(vinylpyrrolidone) Stabilized Alumini-um Nanoparticles Obtained by the Reaction of SiCl4 with LiAlH4. New Journal of Chemistry, 39, 7, 5203–5207. doi: 10.1039/C5NJ00438A
Lui, Y., Zhao, S., Tao, D., Liang, Z., Huang, D., Xu, Z. (2014). Synthesis of Size Controlledand Discrete Core Shell Aluminium Nanopaticles with a Wet Chemical Process. Materials Letters, 121, 54–57. doi: 10.1016/j.matlet.2014.01.122
Eom, N., Bhuiyan, M.H., Kim, T.-S., Hong, S.-J. ( 2011). Synthesis and Characterization of Agglomer-ated Coarse Al Powders Comprising Nanoparticles by Low Energy Ball Milling Process. Materials Transac-tions, 52, 8, 1674–1678. doi: 10.2320/matertrans.M2011059
Abdoli, H., Ghanbari, M., Baghshahi, S. (2011). Thermal Stability of Nanostructured Aluminum Powder Synthesized by High-energy Milling. Materi-als Science and Engineering: A, 528, 22–23, 6702–6707. doi: 10.1016/j.matlet.2014.01.122
Sundaram, D. S., Yanga, V., Zarkob. V. E. (2015). Combustion of Nano Aluminum Particles (Review). Combustion, Explosion, and Shock Waves, 51, 2, 173–196. doi: 10.1134/S0010508215020045
Pivkina, A., Ivanov, D., Frolov, Yu., Mudretsova, S., Nikolskaya, A., Shunman, Dzh. (2006). Nanoalyuminie-vie poroshki, sintezirovannie v plazme. Struktura, termicheskie svoistva i povedenie pri gorenii [Nanoaluminum powders synthesized in plasma. Structure, thermal properties and combus-tion behavior]. Zhurnal termicheskogo analiza i kalo-rimetrii, 86, 3, 733–738.
Gulyaev, I., Dolmatov, A., Kharlamov, M., Krivtsun, I., Korzhyk V. (2015). Arc-plasma wire spraying: an optical study of process phenomenology. Journal of Thermal Spray Technology, 24., 1566-–1573. doi: 10.1007/s11666-015-0356-6
Petrov, S., Bondarenko, S., Koichi, S. (2022). Consid-eration of the possibility of large-scale plasma-chemical production of nanosilicon for lithium-ion batteries. Technology audit and production reserves, 3/3(65), 6–14. doi: 10.15587/2706-5448.2022.259066
CASPSP. Available at : http://www.plasma.kiev.ua/results/caspsp3.html
Petrov S.V. Innovatsionnie plazmenno-struinie tekhnologii [Innovative plasma jet technologies]. LAMBERT Academic Publishing. 2021. – 104.
Shigeta, M. (2018) Numerical Study of Axial Mag-netic Effects on a Turbulent Thermal Plasma Jet for Nanopowder Production Using 3D Time-Dependent Simulation. Journal of Flow Control, Measurement & Visualization, 6, 2 107–123. doi: 10.4236/jfcmv.2018.62010.
Petrov, S.V., Karp, I.N. (1993). Plazmennoe gazo-vozdushnoe napilenie [Plasma gas-air spraying]. Ki-ev: Naukova dumka, 495.
Kharlamov M.,. Krivtsun, I, Korzhyk, V., Demyanov O. (2015). Simulation of motion, heating and breakup of molten metal droplets in the plasma jet at plasma-arc spraying. Journal of Thermal Spray Technology, 24, P. 659–670. doi: 10.1007/s11666-015-0216-4
Kharlamov, M., Krivtsun, I., Korzhyk, V. (2014). Dynamic model of the wire dispersion process in plasma-arc spraying. Journal of Thermal Spray Technology, 23, 420¬430. doi: 10.1007/s11666-013-0027-4
Akkus. Y. (2020).The effect of stefan flow on the models of droplet evaporation. Journal of Thermal Science and Technology, 40, 2, 309–318. doi: doi.org/10.47480/isibted.817053
Vardelle, M., Vardelle, A., Li, K.-I., Fauchais, P. (1996). Coating generation: Vaporization of particles in plasma spraying and splat formation. Pure and Applied Chemistry, 68, 5, 1093–1099.
Wan, Y.P., Fincke, J.R., Sampath, S., Prasad, V., Herman, H. (2002). Modeling and experimental ob-servation of evaporation from oxidizing molyb-denum particles entrained in a thermal plasma jet. International Journal of Heat and Mass Transfer, 45, 5, 1007–1015. doi: doi.org/10.1016/S0017-9310(01)00214-9
Onda, K., Tanaka, Y., Akashi, K., Furukawa, R., Nakano, Y., Ishijima, T., Uesugi, Y., Sueyasu, S. , Watanabe, S., Nakamura, K. (2020). Numerical study on the evaporation process of feedstock pow-der under transient states in pulse-modulated induc-tion thermal plasmas for nanoparticle synthesis. Journal of Physics D: Applied Physics, 53, 32, 325201. doi: doi.org/10.1088/1361-6463/ab8419
Kravchenko, O.Yu., Maruschak I.S. (2017). Dynam-ics of dust particles in a plasma jet. Voprosi atomnoi nauki i tekhniki, 1, 159–162.
Leblanc, D., Dolbec, R., Guerfi, A., Guo, J., Hoving-ton, P., Boulos, M., Zaghib. K. (2017). Silicon na-nopowder synthesis by inductively-coupled plasma as anode for high-energy Li-ion batteries. In book: Silicon Nanomaterials Sourcebook, 463–484. doi: 10.1201/9781315153551-24
Vardelle, M., Vardelle, A., Fauchais, P., Trassy, C., Proulx, P. (1990). Experimental and numerical inves-tigation of powder vaporization under thermal plas-ma conditions. Journal de Physique Colloques, 2, C5-171–C5-180. doi: 10.1051/jphyscol:1990521
Pant, A., Seth, T., Raut, V., Prakash, V., Pralhad, S., Nandi, A. K., Prasanth, H., Pandey R. K. (2016). Preparation of Nano Aluminium Powder (NAP) using a Thermal Plasma: Process Development and Char-acterization. Central European Journal of Energetic Materials, 13, 1, 53–71. doi: 10.22211/cejem/64964
Jeol. Products. Retrieved from: https://www.jeol.com/products/
Tekna plasmasonic product line. Retrieved from: https://www.tekna.com/plasmasonic
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Положення про авторські права Creative Commons
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи.
