Ученые ТПУ разрабатывают новый, более быстрый и эффективный способ активации порошков металлов
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.
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.