Регистрация / Вход
Прислать материал

14.607.21.0103

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Общие сведения
Номер
14.607.21.0103
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова Российской академии наук
Название доклада
Разработка основ плазмохимических технологий получения наноразмерных порошков бескислородных соединений титана нитрида, карбида и карбонитрида для производства новых конструкционных и функциональных материалов.
Докладчик
Самохин Андрей Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Получение научных результатов, позволяющих переходить к созданию новых промышленных технологий получения нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана, не производящихся в настоящее время в РФ. Обеспечение указанными нанопорошками выполняемых в РФ исследований, разработок и выпуска высокотехнологичной продукции – новых конструкционных и функциональных
материалов и изделий на их основе. Решаемые задачи:
1. Аналитическое обоснование предлагаемых новых технологических принципов и подходов к получению нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана из тетрахлорида титана в термической плазме.
2.Разработка технологических схем процессов получения нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана в потоке термической плазмы.
3.Проведение расчетов энерготехнологических показателей плазменных процессов.
4.Разработка решений по унифицированной конструкции плазменного реактора получения целевых нанопорошков на основе разработанных технологических схем.
5.Проведение лабораторных экспериментальных исследований плазменных процессов получения нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана.
6.Проведение экспериментальных исследований термохимической обработки нанопорошков, полученных в плазменных процессах, для необходимой коррекции их физико-химических свойств.
7.Технико-экономическое обоснование промышленной реализации разработанных технологий.
8.Разработка проекта ТЗ и исходных данных для проведения ОТР/ОКР по созданию опытно-промышленной технологии плазмохимического синтеза нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана и конструкции унифицированного плазменного реактора для реализации процессов с производительностью до 15 кг/ч.
Актуальность и новизна исследования
Одним из наиболее перспективных направлений внедрения нанотехнологий в промышленность является производство наноструктурных материалов. Значительный интерес для создания наноструктурных материалов представляют нанопорошки нитрида, карбида и карбонитрида титана. Эти соединения титана широко используются в производстве безвольфрамовых твердых сплавов, износостойких и коррозионно-стойких наноструктурных покрытий, абразивных материалов, наноструктурных модификаторов металлических и полимерных расплавов, наполнителей полимеров, изделий различного назначения, работающих в условиях высоких температур. Получаемые с использованием наноструктур материалы обладают уникальными свойствами: высокой прочностью, твердостью и износостойкостью, а также термо- и химической стойкостью. Подобные характеристики наноструктурных и нанокомпозитных материалов приводят к формированию спроса на них в разнообразных областях промышленности: аэрокосмической отрасли, судостроении, химическом машиностроении, энергетике, медицине и др. Несмотря на широкие возможности промышленного применения нанопорошков нитрида, карбида и карбонитрида титана их производство в РФ отсутствует. ОАО «ЯрегаРуда» занимается разработкой и исследованиями в направлении производства нанопорошка диоксида титана из тетрахлорида титана в термической плазме. Практический интерес представляет выпуск новой продукции с использованием плазмохимических технологий: нитрид, карбид и карбонитрид титана. Из результатов анализа рынка следует, что цена на эти нанопорошки в несколько раз превышает цену нанопорошка диоксида титана, что значительно повышает экономическую эффективность их производства.
Описание исследования

Для решения поставленных в проекте задач использовались следующие методики и подходы.

Расчеты энерготехнологических показателей плазменных процессов выполнены на основе равновесных термодинамических моделей с использованием программной системы ТЕРРА для моделирования фазовых и химических равновесий при высоких температурах с базой данных термодинамических свойств компонентов. Выполнены расчеты равновесных составов и термодинамических свойств систем Ti-Cl-H-N, Ti-Cl-H-C и  Ti-Cl-N-H-C в интервале температур 400-4000 К и давлении 0.1 МПа, на основании которых определены энерготехнологические характеристики процессов получения НТ, КТ и КНТ: состав и выход целевых продуктов, затраты энергии на их получение, необходимая энтальпия потока плазмы.

Для проведения лабораторных экспериментальных исследований использована лабораторная плазмохимическая установка ИМЕТ РАН на базе электродугового плазмотрона постоянного тока номинальной мощностью 25 кВт при использовании в качестве плазмообразующих газов азота, водородно-азотных и водородно-аргоновых смесей. ТХТ подается в плазменный поток в парообразном состоянии. В процессах синтеза карбида и карбонитрида титана углеродсодержащее сырьё в виде жидких или газообразных углеводородов вводится в зону реакции совместно с парами ТХТ. Установка оснащена необходимыми системами КИП, обеспечивающими управление плазменными процессами от ПК с использованием системы сбора и обработки данных LabView.

Базовым вариантом плазменного реактора для проведения синтезов нанопорошков порошков НТ, КТ и КНТ  являлся реактор с ограниченным струйным течением (патент РФ №2311225 (2007)). Данная конструкция реактора не имеет ограничений по ресурсу работы и может эффективно использоваться при промышленной реализации процесса. Плазменная струя, генерируемая в электроразрядном генераторе термической плазмы, истекает в объем, который ограничен охлаждаемой цилиндрической поверхностью. На входе плазменной струи в реактор в нее вводятся реагенты в газообразном состоянии.  В плазменном потоке происходит совокупность физико-химических процессов, приводящих к образованию паров целевого продукта. Истечение плазменного потока при внезапном расширении канала в объем реактора с охлаждаемыми стенками при соотношении диаметров сопла плазмотрона и реактора превышающем 10, обеспечивает снижение температуры потока и при этом происходит формирование наноразмерных частиц в результате конденсации из газовой фазы. Управление свойствами получаемых наночастиц достигается за счет изменения параметров синтеза – состава и энтальпии плазменной струи, концентрации реагентов, размеров узла смешения и реактора.

В экспериментальных исследованиях определено влияние основных параметров плазменного процесса (расхода и концентрации реагентов, состава и энтальпии плазменной струи, температуры поверхности осаждения нанопорошков) на физико-химические свойства получаемых нанопорошков, в результате чего установлены возможные диапазоны изменения этих свойств и разработаны методы управления ими при проведении процессов.

Для удаления примесей, сорбированных на поверхности наночастиц, использована термовакуумная обработка нанопорошков.

Комплексный анализ физико-химических свойств полученных нанопорошков включал определение морфологии продуктов синтеза, их дисперсного, фазового и химического составов.

Морфология порошков исследована методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии. Дисперсный состав полученных нанопорошков характеризовался средним размером частиц, получаемым из измерений удельной поверхности методом БЭТ на анализаторе Micromeritics TriStar 3000, а также из статистической обработки изображений, полученных на электронном микроскопе JSM-6700F (Jeol Company). Фазовый состав полученных нанопорошков определялся на рентгеновском дифрактометре Rigaku Ultima IV. Для определения химического состава использованы анализаторы элементного состава Leco: CS-400 и TC-600.

Результаты исследования

На основе анализа научно-технической литературы и патентных исследований подготовлено обоснование предлагаемых новых технологических принципов и подходов к получению наноразмерных порошков бескислородных соединений титана - нитрида, карбида и карбонитрида титана из тетрахлорида титана в термической плазме электродугового плазмотрона.

Определены теоретические характеристики процессов получения наноразмерных порошков бескислородных соединений титана - НТ, КТ и КНТ из ТХТ (состав и выход целевых продуктов, затраты энергии на их получение, необходимая энтальпия потока плазмы) на основании расчетов равновесных составов и термодинамических свойств систем Ti-Cl-H-(N,С) в интервале температур 400 – 4000оС.

Разработаны технологические схемы процессов получения наноразмерных порошков бескислородных соединений титана - НТ, КТ и КНТ из ТХТ в потоке термической плазмы, генерируемой в электродуговом плазмотроне для реализации процессов в унифицированном плазмохимическом реакторе.

Разработана конструкторская документация унифицированного плазменного реактора на базе электродугового плазмотрона мощностью до 25 кВт. Реактор предназначен для проведения экспериментальных работ в широком диапазоне значений энтальпии плазменного потока (2,5-6,0 кВтч/м3), расхода ТХТ (1-20 г/мин), избытка водорода H/Cl (5-40 моль/моль), температуры стенки реактора (100-900 С), условий смешения парообразного ТХТ с потоком плазмы(определяемых соотношением скоростей смешиваемых потоков и их плотностью).  На основании этой документации изготовлен и испытан экспериментальный образец унифицированного плазменного реактора на базе электродугового плазмотрона номинальной мощностью 25 кВт.

Выполненные экспериментальные исследования показали возможность синтеза из паров ТХТ нанопорошков НТ и КНТ в потоке водородно-азотной плазмы, а также КТ в потоке водородно-аргоновой плазмы, генерируемой в электродуговом плазмотроне, при проведении процесса в реакторе с ограниченным струйным течением. Достигнутый выход нанопорошков составил до 94 % при модернизации конструкции реактора, обеспечившей повышение температуры стенки реактора в диапазоне 670 – 1090 К, при этом содержание примесей общего хлора могло быть снижено до величины менее 0.1 мас. %.

В экспериментах получены однофазные нанопорошки с кубической кристаллической решеткой типа NaCl и представляющие собой ансамбли наночастиц преимущественно кубической формы с размерами 20 – 300 нм и агрегаты на их основе. Изменение параметров синтеза позволило получать нанопорошки НТ с удельной поверхностью в диапазоне 11 – 39 м2/г, содержащие 18.8 – 22.5 масс. %, что соответствует брутто-формулам TiN0.79 – TiN0.99. Нанопорошки КНТ имели удельную поверхность 13 – 23 м2/г при содержании 7.5 – 13.6 мас. % углерода и 13.5 – 5.1 мас. % азота. Нанопорошки КТ имели удельную поверхность 21 – 49 м2/г и содержали 16 – 20 мас. % углерода, что соответствует формуле TiC0.8 - TiC1.05.

На основании результатов выполненных работ поданы заявки на получение патентов РФ на изобретение: №2015137006 от 01.09.2015 «Способ получения карбидов элементов и композиций элемент-углерод» и № 2016114851 от 18.04.2016 «Способ получения порошков бескислородных соединений титана–КТ, КН и КНТ».

Все экспериментальные результаты получены впервые и соответствуют мировому уровню разработок синтеза нанопорошков в термической плазме.

Практическая значимость исследования
Выполненные ПНИЭР направлены на создание и реализацию новых высокотехнологичных процессов получения нанопорошков НТ, КНТ и КТ, используемых в новых материалах и имеющих высокую востребованность на мировом рынке. Эти соединения титана широко применяются в производстве безвольфрамовых твердых сплавов, износостойких покрытий, абразивных материалов, изделий различного назначения, работающих в условиях высоких температур. Получаемые с использованием наноразмерных порошков материалы обладают уникальными свойствами: высокой прочностью, твердостью и износостойкостью, а также термо- и химической стойкостью. Подобные характеристики наноструктурных и нанокомпозитных материалов приводят к формированию спроса на них в разнообразных областях промышленности: аэрокосмической отрасли, судостроении, химическом машиностроении, энергетике, медицине и др.
В ходе последующих ОТР/ОКР, которые будут выполнены ОАО «ЯрегаРуда», на основе результатов ПНИЭР будет разработана опытно-промышленная технология и оборудование с целью создания опытно-промышленного производства нанопорошков НТ, КНТ и КТ с суточной производительностью на уровне 100 кг в первую очередь для обеспечения потребностей российского рынка.
Опытно-промышленное производство обеспечит нанопорошками НТ, КНТ и КТ выполняемые в РФ исследования, разработки и выпуск высокотехнологичной продукции – новых конструкционных и функциональных материалов и изделий на их основе.
Презентация

Presentation_A.V.Samokhin.pptx

Постер

Poster ФЦП.pptx