Новости

Замена СО2-лазера волоконным иттербиевым лазером значительно расширяет возможности метода синтеза нанопорошков.

Дата публикации: 09/09/2009
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Конденсация пересыщенного металлического пара, возникшего при воздействии на мишень мощного лазерного излучения, лежит в основе синтеза нанопорошков.

Масштабный рост потребления электрической энергии, колоссальные потери при ее доставке потребителю через централизованные сети подталкивают к необходимости перехода на систему распределенной энергетики.
Замена стационарных станций более эффективными преобразователями топлива - химическими источниками, связана с внедрением уникальной технологии создания ТОТЭ-генераторов (твердо-оксидных топливных элементов). ТОТЭ-технология использует нанопорошки для создания тонких газоплотных слоев твердых электролитов. Чем тоньше структурные элементы, наносимые на пористый катод, тем ниже сопротивление и выше кислородная проводимость электрохимического генератора.
Ранее разработанная технология создания частиц размерами 20-100 нм опиралась на метод электрического взрыва проволоки и позволяла получать порошки из чистых материалов Fe, Al, Ag, Ni.
Порошки с элементами сложных химических соединений размерами 10-15 нм можно получить с помощью испарения мишени мощным лазерным излучением с последующей конденсацией паров в потоке буферного газа.

Создание топливных элементов на основе нанопорошков YSZ (ZrO2, стабилизированный Y203), полученных методом лазерного синтеза, позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики генераторов. Возможности метода были впервые продемонстрированы более 30 лет назад, но обнаружили низкую производительность (порядка 0,6 г/ч при мощности излучения 100 Вт).

И хотя перспективы метода лазерного синтеза нанопорошков очевидны, он не получил должного развития. Только сравнительно недавно в работе немецких исследователей была достигнута высокая производительность и подтверждена конкурентоспособность лазерного метода по сравнению с другими методами получения нанопорошков.

Ими было доказано, что при использовании непрерывного излучения С02-лазера количество произведенного за час порошка сильно зависит от мощности и интенсивности излучения, а также от скорости перемещения мишени относительно луча лазера.

В России, в Институте электрофизики УрО РАН, технология лазерного синтеза нанопорошков развивается с 1997 г. на базе созданного здесь импульсно-периодического С02-лазера с регулируемой формой и длительностью импульса излучения. Низкий КПД (~5%), необходимость регулярного восполнения расходуемой смеси газов активной среды, флуктуации мощности излучения во время работы, необходимость регулярного ТО, большие габариты и вес установок существенно ограничивают перспективы промышленного использования для этих целей С02-лазера.

В последние годы на рынке появились волоконные иттербиевые лазеры, имеющие высокий КПД (~30%), малые габариты и ресурс работы не менее 50000 часов.
Кроме того, волоконные лазеры не расходуют газ и не требуют регулярного обслуживания.
Была выполнена оценка возможности использования иттербиевого волоконного лазера ЛС-06 для синтеза наночастиц.
Опытные партии нанопрошков оксида YSZ, полученные в ходе проведенных экспериментов, были исследованы на электронном микроскопе.
Рентгенофазовый анализ показал, что полученный нанопорошок однофазный, имеет 100%-ную кубическую структуру, в которой содержание Y203 составляет (9,5±0,5)% моль, что соответствует содержанию исходного материала мишени в пределах погрешности измерения. За 17 часов работы было приготовлено 325 г порошка из электрофильтра.

С учетом выхода в рукавный фильтр 20% вещества усредненная производительность составляет 23 г/час. Это на 30% превышает производительность, полученную при использовании импульсно-периодического С02-лазера той же мощности.

При этом удельные затраты энергии на единицу массы произведенного нанопорошка по энергии излучения составляли 25 Вт-ч/г, что соответствуют лучшим мировым достижениям. А по потреблению электроэнергии от сети результат превысил в 2-3 раза лучшие известные мировые достижения. Предварительная оценка показала, что с учетом чрезвычайной легкости в эксплуатации лазера и стабильности параметров его излучения при двухсменной эксплуатации установки ее производительность составит порядка 330 г/день или 10 кг/месяц.

То есть непрерывная работа установки в две-три смены позволит сделать экономически выгодным создание опытно-промышленной установки получения нанопорошков на основе более мощного волоконного лазера. Новая установка по своим конструктивным и технико-эксплуатационным показателям может значительно превзойти существующие отечественные и зарубежные установки синтеза нанопорошков для технологии ТОТЭ на основе С02-лазеров.

Источник: «ФОТОНИКА», 2009, №3, с.18-20, www.electronics.ru

Статьи по теме:

страницы: 1