Научный коллектив Томского политехнического университета занимается разработкой принципиально новой технологии по активации порошков металлов высокоэнергетичным СВЧ-излучением с импульсами наносекундной длительности. Способ, предложенный политехниками, позволит активировать вещество быстрее. Кроме того, порошки будут обладать улучшенными свойствами. Работы поддержаны госзаданием «Наука».
По словам руководителя проекта, научного сотрудника лаборатории СВЧ-технологии Инженерной школы ядерных технологий ТПУ Андрея Мостовщикова, для активации порошков в настоящее время в основном используются два метода: химический и механоактивации. Однако у каждого из них есть ряд существенных недостатков.
«Отрицательной стороной химического метода является загрязнение порошков, что может помешать их использованию в медицине, фармакологии, при производстве катализаторов. А в процессе механоактивации осуществляется, по сути, перемол порошка. Механическое воздействие приводит к изменению морфологии частиц: их внешнего вида, распределения частиц по размеру. То есть мы получаем порошок с другими физическими параметрами», — поясняет ученый.
Предложение политехников заключается в том, чтобы использовать для активации порошка внешнее энергетическое воздействие, что позволяет изменять такое специальное свойство порошков, как химическая активность.
При этом вещество остается чистым и никак не изменяется распределение частиц по размерам. Кроме того, такой порошок обладает улучшенными характеристиками, что позволяет все процессы, в которых он будет принимать участие, проводить в более ресурсоэффективном режиме.
Добавим, научный коллектив также разработал метод активации нанопорошка алюминия путем термического воздействия. Проект вошел в число ста лучших изобретений России за 2017 год. Как поясняет Мостовщиков, новый способ отличается технической реализацией и скоростью. Так, термический метод предполагает получасовое воздействие, а в рамках разрабатываемой технологии СВЧ-модифицирования подобный эффект можно будет достичь за полминуты.
«Речь идет о технологии модифицирования микро- и нанопорошков металлов высокоэнергетичным СВЧ-излучением с импульсами наносекундной длительности: от нескольких наносекунд до нескольких микросекунд. В чем особенность обычной промышленной СВЧ-печи: в ней используется достаточно мощное непрерывное излучение частотой в 2,45 гигагерц, подобранное так, чтобы взаимодействовать в основном с молекулами воды, вызывая их колебания и разогрев продукта. Наше конкурентное преимущество заключается в том, что мы можем генерировать импульсы короткой длительности и различной частоты, что позволяет значительно сократить потери энергии на нагрев самого образца. Поэтому мы сможем не только запустить процессы, которые просто невозможны в простой СВЧ-печи, но и можем ими избирательно управлять: какие-то отсекать, а какие-то — усиливать», — объясняет Андрей Мостовщиков.
Фото: порошки металлов
Работы в рамках госзадания «Наука» ведутся с 2017 года. Проект рассчитан на три года. В состав научного коллектива, кроме Андрея Мостовщикова, входят профессор отделения естественных наук Школы базовой инженерной подготовки Александр Ильин, заведующий научно-исследовательской лабораторией СВЧ-технологии Инженерной школы ядерных технологий Павел Чумерин, главный эксперт этой же лаборатории Юрий Юшков, а также аспиранты и студенты. За прошедшее время научная группа уже установила оптимальные режимы облучения, проанализировала широкий спектр материалов, определила ряд зависимостей: как разные металлы взаимодействуют с излучением; в чем разница между микронными и наноразмерными порошками; выявила ряд интересных закономерностей. В настоящее время на установках ТПУ ведутся уточняющие эксперименты на основе полученных ранее результатов.
«Что нам остается сделать: уточнить все моменты, отделить эффекты, которые определяются металлической составляющей частиц, от эффектов, которые определяются оксидной оболочкой частиц. Еще одна важная часть проекта: непосредственное испытание порошков в различных изделиях: керамических материалах, полимерах. В целом задача проекта — изучение короткоимпульсного излучения и его взаимодействия с порошками металлов. На выходе мы должны получить работающую технологию, включающую в себя приборную базу, ряд рекомендаций, как прибором пользоваться, научную составляющую — описание процессов, которые будут происходить при действии излучения на различные порошки», — отмечает ученый.
По словам Андрея Мостовщикова, во время проведения исследования ученые использовали широкий спектр порошков из алюминия, железа, вольфрама, меди, никеля, кобальта, марганца, молибдена и других — всего около 15 наименований металлов. Кроме того, были рассмотрены и оксидные системы: оксид алюминия, железа, меди, несколько оксидов редкоземельных металлов. Все исследования велись на лабораторных установках, однако, замечает ученый, еще одно преимущество разработки политехников: отсутствие необходимости серьезного изменения действующих установок.
«Наша задача — подобрать оптимальный алгоритм для каждого вещества. А реализация в виде установок — это не такой сложный процесс. Сложнее определить рабочие диапазоны, алгоритмы, по которым будут работать промышленные установки», — подчеркивает он.
Работы, ведущиеся в Томском политехе, уже вызывают серьезный интерес у потенциальных партнеров. Так, научный коллектив работает с Иркутским алюминиевым заводом (один из крупнейших и старейших алюминиевых заводов в Восточной Сибири и Российской Федерации, входит в состав объединенной компании «РУСАЛ» — ред.). Есть и другие заинтересованные предприятия, что обусловлено современными тенденциями материаловедения, делающими ставку на работу с композитными структурами.
Источник: Официальный сайт ТПУ