P76-82 (Раздаточные материалы)

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 11

05;07;12

Исследование характеристик оксидных нанопорошков, получаемых

при испарении мишени импульсно-периодическим CO2 лазером

© Ю.А. Котов, В.В. Осипов, М.Г. Иванов, О.М. Саматов, В.В. Платонов, Е.И. Азаркевич, А.М. Мурзакаев, А.И. Медведев

Институт электрофизики УрО РАН, 620016 Екатеринбург, Россия e-mail: max@iep.uran.ru

(Поступило в Редакцию 27 февраля 2002 г. В окончательной редакции 6 мая 2002 г.) Сообщается о конструкции и характеристиках установки для получения нанопорошков оксидов металлов с производительностью до 20 g/hour средним размером частиц 15 nm и энергозатратами излучения 30.40 W · hour/g. Нанопорошки YSZ (ZrO2, стабилизированный Y2 O3) иAl2O3+YSZ производились методом испарения материала мишени излучением импульсно-периодического CO2 лазера с последующей конденсацией паров в потоке воздуха. Импульсно-периодический CO2 лазер, возбуждаемый комбинированным разрядом, имел среднюю мощность излучения до 1 kW, пиковую мощность до 10 kW, КПД . 10%. Приводятся данные об удельной поверхности порошка, форме частиц, распределении частиц по размерам, результаты фазового и структурного анализов.

Введение

m = 3.8 g/hour и W = 158W · hour/g, что существенно

ниже, чем для приведенного выше режима постоянного

В последние годы в связи с развитием технологий

излучения, на ту же долю мощности P = 600 W

синтеза наноструктурированных объемных материалов

( m = 23.8 g/hour и W = 25 W · hour/g).

с улучшенными механическим и новыми электромаг-

Однако, на наш взгляд, импульсный режим излуче-

нитными и оптическими свойствами [1,2] значительное

ния должен обеспечивать не только снижение размера

внимание уделяется получению наноразмерных порош-

частиц за счет увеличения интенсивности излучения

ков. Существует достаточно большое количество ме-

и более эффективного выноса паров из горячей зоны,

тодов получения наноразмерных частиц, их подробный

но и по крайней мере не более высокие затраты энер-

анализ приведен, например, в работах [2,3]. Длительное

гии, чем режим постоянного излучения. Связано это

время использование лазерного излучения для этих

с тем, что вероятность элементарного акта испарения

целей не находило значимого применения из-за низкой

экспоненциально увеличивается с ростом температуры

производительности и высоких энергозатрат. В то же

расплава, а значит и пиковой плотности мощности

время сам метод испарения вещества излучением лазера

излучения [4]. Такая ситуация сохраняется вплоть до

с последующей конденсацией пара известен давно [4]

развития оптического пробоя. Использованный в ра-

и всегда привлекал внимание благодаря чистоте и ма-

боте [3] импульсный режим, полученный за счет мо-

лым размерам получаемых частиц, дешевизне и разно-

дуляции добротности оптического резонатора лазера,

образию исходных материалов. Доказать его конкуренто-

не позволяет из-за характерной для такой модуляции

способность с другими методами удалось сравнительно

формы импульса излучения в полной мере выявить до-

недавно.

стоинства импульсно-периодического режима получения

Так, при использовании постоянного излучения

нанодисперсных порошков. Кроме того, такая модуляция

CO-лазера показано [3,5,6], что производительность m

излучения существенно снижает общий КПД лазера.

этого процесса существенно зависит от мощности Pu

В настоящей работе сообщается о получении нанораз-

иинтенсивностиI излучения, а также от скорости VM

мерных порошков с использованием CO2 -лазера, возбу-

перемещения мишени относительно луча лазера. При

ждаемого импульсно-периодическим комбинированным

Pu = 3270 W, I = 4.2 · 105 W/cm2 и VM = 28 m/s

разрядом [7].

для порошков ZrO2 получены m = 130 g/hour, затраты

энергии излучения W = 25 W · hour/g и размер частиц

Методика эксперимента

dB ET = 60 nm.

Для дальнейшего увеличения интенсивности (до

В экспериментах был использован лазер с возбужде-

107 W/cm2 ) в [2,3] лазер с помощью механического

нием активной среды импульсно-периодическим комби-

прерывателя или интерферометра Фабри–Перо перево-

нированным разрядом, плазма в разрядном промежутке

дился в импульсный режим. При этом размер частиц

которого создается кратковременным самостоятельным

снизился до d BE T . 15 nm, однако для равной средней

разрядом, а основная доля энергии (порядка 97–98%)

мощности излучения P = 600 W были получены при

поступает в течение длительного несамостоятельного

длительности импульса tu = 25 µs: m = 11 g/hour

разряда при пониженной напряженности поля, опти-

и W = 54.5W · hour/g, а для tu = 100 µs—

76

Исследование характеристик оксидных нанопорошков, получаемых при испарении мишени... 77

Рис. 1. Осциллограммы импульсов тока самостоятельного (a), несамостоятельного (b) разрядов и излучения (c).

мальной для возбуждения верхнего лазерного уровня [4]. менения элементов, ограничивающих ток разряда, что

Электрическая схема возбуждения позволяла разделить позволяло обеспечить последовательное возбуждение

высоковольтную и низковольтную цепи питания без при- самостоятельного и несамостоятельного разрядов.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 11

78 Ю.А. Котов, В.В. Осипов, М.Г. Иванов, О.М. Саматов, В.В. Платонов, Е.И. Азаркевич...

Рис. 2. Осциллограммы импульсов излучения при одном (a),двух(b) итрех(c) импульсах самостоятельного разряда в пакете.

Осциллограммы токовых импульсов обоих разрядов

из-за диссоциации CO2 и появления в смеси газов

и излучения, поясняющие принцип работы лазера и воз-

электроотрицательных компонент. Поэтому поиск дол-

можности изменения длительности излучения, приведе- говременных рабочих режимов проводился в смесях,

ны на рис. 1. Самостоятельный разряд в двухэлектрод- содержащих CO, в которых возможно поддержание

ном промежутке длительностью . 100 ns (рис. 1, a) воз-

начального состава за счет процессов восстановления

буждался генератором Блюмлейна. После завершения

CO+ O > CO2 , компенсирующих диссоциацию. В смеси

самостоятельного разряда в промежутке поддерживал-

CO2 :CO:N2 :He= 1.5 : 1 : 10: 20 давлением 60 Torr была

ся несамостоятельный разряд длительностью . 100µs

получена средняя мощность излучения 600–800W (при

(рис. 1, b), для которого напряжение горения было

КПД 10%), которая не снижалась в процесе работы.

выбрано оптимальным для передачи энергии на верхний

Схема экспериментальной установки по получению

лазерный уровень. После того как ток несамостоя-

нанопорошков показана на рис. 3. Излучение лазера

тельного разряда в промежутке спадал до заданного

с помощью линзы 8, служившей одновременно входным

уровня, на промежуток снова подавался высоковольтный

окном камеры 3, фокусировалось на мишень 2, специаль-

импульс, и процесс повторялся.

ным приводом 1 мишень 2 вращалась и перемещалась

Импульсы накачки активной среды лазера могли быть

линейно в горизонтальной плоскости так, чтобы ско-

одиночными или объединенными в пакеты. Частота па-

рость перемещения лазерного луча по ее поверхности

кетов могла меняться от 50 до 1000Hz, число импульсов

в пакете — от 1 до 4, время между импульсами

в пакете — от 50 до 200µs для различного числа

импульсов накачки. Характерные осциллограммы им-

пульсов излучения в пакете показаны на рис. 1 и 2.

Видно, что если число импульсов в пакете не превышало

трех, то длительность излучения практически не изменя-

лась, а менялась только ее форма. Пиковая мощность

излучения Pma x могла достигать 10 kW, хотя средняя

мощность не превышала 1 kW (рис. 2, b).

Максимум мощности излучения находится на частоте

750–900 Hz для смесей без H2 и CO и 400–600 Hz

для смесей, содержащих H2 или CO. В ходе экспери-

ментов была найдена смесь газов CO2 :N2 :He= 1:4:8,

давлением 80 Torr, для которой получен КПД 22%.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки по получению

Однако в процессе работы КПД резко уменьшался

нанопорошка.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 11

Исследование характеристик оксидных нанопорошков, получаемых при испарении мишени... 79

Рис. 4. Характерная фотография порошка, выпавшего в осадок при седиментации.

оставалась постоянной и обеспечивалась однородность распределение по размерам изучались по фотографиям,

срабатывания поверхности мишени. По мере срабатыва- полученным с помощью просвечивающего (JEM-200)

ния мишень перемещалась в осевом направлении таким и растрового (JSM-T220A) микроскопов, кроме того,

образом, что ее поверхность оставалась в плоскости фракционный состав изучался седиментационным анали-

фокального пятна. Фокусное расстояние линзы из KCl

зом. Содержание влаги и летучих исследовалось с помо-

равнялось 10 cm. Диаметр пятна фокусировки составлял

щью термогравиметрии на приборе Q1500.

0.45 mm.

Предварительные эксперименты по выбору оптималь-

Мишенью служили спрессованные в таблетку по-

ного режима получения нанопорошка производились пу-

рошки YSZ (ZrO2 , стабилизированный Y2 O3 ) смеси тем изменения длительности излучения за счет измене-

порошков ZrO2 иY2 O3 или YSZ и AL2 O3 с размером

ния от 1 до 4 числа импульсов в пакете (рис. 1,2);энер-

до десятков микрон, с соответствующим соотношением

гии и пиковой мощности импульса излучения — варьи-

этих окислов. Скорость перемещения луча по поверхно-

рованием энергии импульса накачки. При этом пиковая

сти мишени была 20 cm/s, что обеспечивало ее смещение

мощность излучения менялась от 1 до 5.2 MW/cm2 .Мак-

на D . 0.045 cm за время между импульсами. Рабочий

симальная производительность получения нанопорошка

газ (воздух или смесь N2 иO2 в соотношении 0.79 : 0.21

20 g/hour при длительности непрерывной работы 4h

по объему) прокачивался вентилятором 4 через герме-

достигалась при двух импульсах в пакете (рис. 2, b)

тичную испарительную камеру 3 и переносил порошок

и максимальной плотности мощности 5.2 MW/cm2 .Ре-

в циклон 5 и электрофильтр 6, где порошок улавливался.

зультат не совсем очевидный, поскольку при плотностях

Перед выбросом в атмосферу воздух дополнительно

мощности более 2 · 106 W/cm2 развитие оптического

очищался механическим фильтром 7. В области поверх-

пробоя при этих длительностях импульса излучения,

ности мишени скорость газа была . 15m/s.

согласно [8],неизбежно.

Были получены порошки 2.8YSZ, 4.1YSZ, 8.6YSZ и

9.85YSZ (цифры означают мольный % Y2 O3 ),атак-

Результаты и обсуждение