Сверхвысокочастотный нагрев - Дипломная работа

В основном это связано с тем, что наноразмерные объекты имеют различия с макрообъектами своими свойствами. Совершенно все методы получения наноструктурированных материалов можно разделить на два крупных класса - химические и физические, так как большинство этих методов не выходят за рамки лабораторных изысканий то масса производимых наночастиц незначительна, что сказывается на их внедрении в промышленность. Использование сверхвысокочастотного нагрева в первую очередь связано с тем, что такой нагрев отличается от классических методов и имеет ряд преимуществ: - высокое качество нагревания раствора, как за счет равномерного тепловыделения, так и в результате быстроты процесса, отсутствии в процессе термической обработки загрязнения материала; Основной принцип развития нанотехнологии базируется на понимании того, что частицы имеющие размеры менее 100 нм, а точнее от 1 до 100 нм, придают материалам и веществам совершенно иные свойства, что в свою очередь позволяет создавать материалы с различными свойствами[2]. В основном термин «кластер» применим к частицам с небольшим числом атомов, термин «наночастица» относят для более крупных атомов, чаще всего он применяется для описания свойств углерода и металлов.Для разработки СВЧ установки обеспечивающей взаимодействие СВЧ энергии с жидкими средами для нагрева был произведении патентный поиск, который описан в нескольких моделях и патентах. Цель достигается тем, что внешний проводник коаксиальной линии (экран) имеет ступенчатую форму и образует три участка с разными волновыми сопротивлениями Z1, Z2, Zн, удовлетворяющими необходимым соотношениям, рис. Внешний проводник коаксиальной линии (экран) имеет ступенчатую форму и образует три участка с разными волновыми сопротивлениями Z1, Z2, Zн, удовлетворяющими следующему соотношению: , (2.1) где Zo волновое сопротивление коаксиального ввода энергии; Z1 волновое сопротивление первого участка длиной l1, примыкающего к вводу энергии; Z2 волновое сопротивление второго участка длиной l2, примыкающего к первому участку; Zн волновое сопротивление рабочего участка. Длины l1 и l2 первого и второго участков выбраны из условий: (2.2) где n1 и n2 замедление фазовой скорости волны на первом и втором участках соответственно, k волновое число вакуума. Необходимость обеспечения эффективного взаимодействия электромагнитной волны спирали 3 с обрабатываемой средой 7 заставляет увеличить радиус экрана d1 по сравнению с радиусом спирали b, что приводит и к увеличению волнового сопротивления спирали 3 по сравнению с волновым сопротивлением ВЧ тракта, соединяющим спираль 3 с газогенератором ВЧ-энергии (на чертеже не показано).Термическое восстановление с помощью диметилсульфоксида и ацетата меди приводит к образованию наночастиц в диапазоне 4,9-7,4 нм при 2,45 ГГЦ СВЧ воздействии в течение 1 и 4 мин, T= 140-1600С в зависимости от длительности воздействия СВЧ на раствор. Проведенные эксперименты подтвердили формирование единых зерен наночастиц в растворе с равномерным увеличением температуры через однородное увеличение СВЧ воздействия. При исследовании размеров наночастиц можно использовать несколько различных методов, а именно: метод визуального наблюдения за системой, просвечивающая, электронная микроскопия, метод динамического рассеяния света, спектроскопия в видимом и ближним к ультрафиолету диапазоне. К наиболее надежным методам стоит отнести инструментальные методы: просвечивающую электронную микроскопию, метод динамического рассеяния света, спектроскопию в видимом и ближним к ультрафиолету диапазону. Данный метод определения размера наночастиц, основанный на анализе спектра рассеянного света, называют методом динамического рассеяния света (ДРС).В отсутствие диэлектрика в волноводе устанавливается стоячая волна с узлами, расположенными на расстоянии друг от друга и от короткозамыкающей пластинки, где - длина волны в волноводе, связанная с граничной длиной волны и соотношением: (4.3) Правая часть уравнения (4.4) содержит, величины и которые определяются при помощи волноводной измерительной линии, установленной между генератором и секцией исследуемого образца и имеющей такое же поперечное сечение, что и секция, содержащая образец. (4.10) где р - 0,1,2,3,..., а ?, - длина волны в образце, которая связана с параметрами волновода и образца, а также с длинной волны в свободном пространстве. Образец должен иметь вид плоскопараллельной пластинки, изготовленной с высокой степенью точности, так как даже небольшое нарушение плоскопараллельности приводит к размыванию узлов стоячей волны и создает условия, благоприятствующие возникновению высших типов колебаний в образце. Если исследуемый диэлектрик будет обладать очень малыми потерями, сравнимыми с потерями в волноводе, то рассчитанное по приведенной выше формуле в значение необходимо ввести поправку на потери в волноводе.Бизнес-план разработан для организации производства и налаживания выпуска модернизированной установки СВЧ диэлектрического нагрева. Бизнес-план документ, разрабатываемый новой или дейст

В настоящее время значительно повысилось внимание к исследованию наноразмерных элементов, в частности, наночастиц разнообразных металлов. В основном это связано с тем, что наноразмерные объекты имеют различия с макрообъектами своими свойствами. Это привело к раскрытию новых возможностей применения наночастиц для производства новейших материалов с другими физическими и химическими свойствами, которые находят все большее применение в разнообразных сферах техники и науки.

Разработано немалое количество методов синтеза наноразмерных частиц. Совершенно все методы получения наноструктурированных материалов можно разделить на два крупных класса - химические и физические, так как большинство этих методов не выходят за рамки лабораторных изысканий то масса производимых наночастиц незначительна, что сказывается на их внедрении в промышленность.

Исходя из этого, первостепенной задачей является разработка методов производства наноразмерных частиц с требуемыми свойствами и в масштабах, применяемых в промышленности.

Наиболее перспективным способом изготовления коллоидных растворов наноразмерных частиц меди является метод химического восстановления при воздействии сверхвысокочастотного электромагнитного поля.

Использование сверхвысокочастотного нагрева в первую очередь связано с тем, что такой нагрев отличается от классических методов и имеет ряд преимуществ: - высокое качество нагревания раствора, как за счет равномерного тепловыделения, так и в результате быстроты процесса, отсутствии в процессе термической обработки загрязнения материала;

- усиление процесса нагрева за счет объемного нагрева изза проникновения электромагнитной волны вглубь раствора;

- точность в управлении технологического процесса за счет возможности точного дозирования сверхвысокочастотного электромагнитного поля;

- снижение вредоносного влияния на окружающую среду и улучшение условий труда обслуживающему персоналу [1].

Все эти преимущества приведут к тому, что сверхвысокочастотное электромагнитное излучение обеспечивает стремительное и равномерное нагревание всей массы реакционного материала, что приведет к однородности в условиях нуклеации и роста зародышей и, в конечном итоге к получению наночастиц минимального размера и однотипной конфигурации.

Основываясь на вышеизложенном, можно заключить, что целью данной работы будет разработка технологического процесса и оборудования для синтеза наночастиц меди из растворов солей в СВЧ электромагнитном поле в промышленных масштабах.

Глава 1. Наноматериалы: технология получения, свойства и получение наночастица электромагнитный медь микроволновый

1.1 Основные понятия в нанотехологиях

В последние годы нанотехнология становится одной из наиболее важных и перспективных областей знаний в физике, биологии, химии и технических науках. Нанотехнология уже обеспечивает новые направления в технологическом развитии в различных сферах деятельности человека. Основной принцип развития нанотехнологии базируется на понимании того, что частицы имеющие размеры менее 100 нм, а точнее от 1 до 100 нм, придают материалам и веществам совершенно иные свойства, что в свою очередь позволяет создавать материалы с различными свойствами[2].

Так называемые наночастицы - это мельчайшие структуры, размером не больше одной миллионной метра. Форма наночастиц зависит от методов получения, они могут иметь гексагональную, сферическую, игольчатую, хлопьевидную, форму, аморфную или мелкокристаллическую структуру. Вследствие того, что они состоят из около ста или меньшего количества атомов, в основном это материалы из зерен или монокристаллы, их свойства отличаются от свойств атомов связанных в объемном веществе.

В настоящий момент в научно-технической литературе еще не определили точные различия между терминами «кластер», «наночастица» и «квантовая точка». В основном термин «кластер» применим к частицам с небольшим числом атомов, термин «наночастица» относят для более крупных атомов, чаще всего он применяется для описания свойств углерода и металлов. «Квантовой точкой» обычно называют частицы островков или проводников, квантовые ограничения которых (носителей зарядов или экситонов) влияют на их свойства.

В литературе присутствует достаточно условная классификация кластеров атомов на основании размера и их связи между размероми частиц и количествами составляющих их атомов. Считают, что у неорганической молекулы имеется до 10 атомных кластеров, у наночастицы - до 105 атомных кластеров, а у объемного материала - более 105.

Данное определение в основе которого лежат только размеры атомных кластеров не совсем приемлемо, поскольку не учитывает различий между наночастицами и молекулами. Большинство молекул состоят из более 25 атомов, а особенно молекулы биологического происхождения. Почти не представляется возможным обусловить четкую грань между ними. Потому как их можно создать, и дроблением объемного материала и посредством сборки атомов. Размеры у наночастиц меньшие чем критические длины, характеризующиеся множеством физических явлений, и придают им уникальные свойства. Большинство физических свойств определяется отдельной критической длиной и специфическим расстоянием тепловой диффузии, или длиной рассеивания.

Электропроводность металлов зависит, в основном от расстояния, которое проходит электрон между двумя соударениями колеблющихся атомов или атомов примесей в твердом теле, а именно расстоянием средней длины свободного пробега, или свойственная им длина рассеяния. Если размер у частиц меньше расстояния средней длины свободного пробега, то вполне вероятно появление новых, а то и иных физических и химических свойств [3].

1.2 Методы получения наночастиц

В настоящее время известны десятки различных методов создания наноструктурированных материалов. Имеющиеся методы получения наноструктур условно разделяют на два основных класса - это физические и химические методы. Выбор методов получения наночастиц определяют сферой их применения, нужным набором свойств и выбором характеристик конечного продукта. Форма наночастиц, содержание примесей, гранулометрический состав, величина удельной поверхности и содержание примесей колеблются в зависимости от методов получения в наночастиц в широких пределах.

K физическим способам получения наночастиц металлов относят методы, с использованием газовых испарений, низкотемпературной плазмы, молекулярных пучков, электровзрыв, катодного распыления, механическое диспергирование в его различных вариантах, ударные волны, электровзрыв, лазерную электродисперсию, сверхзвуковые струи [3].

Методы химического получения наноматериалов охватывают различные реакции и процессы, в том числе процессы газофазной химической реакции, процессы осаждения, пиролиза или термического разложения, восстановления, электроосаждения или гидролиза. Регулировка образования и скорости роста зародышей новой фазы осуществляют с помощью изменений соотношения количеств реагентов, степени пресыщения, температуры процесса. В основном, химические методы многостадийны, и включают в себя некий набор из вышеперечисленных процессов [3].

1.2.1 Метод испарения металла

Метод испарения металла - это процесс, основанный на сочетании испарения металла в потоке инертного газа c последующей конденсацией в камере, находящийся при определенной температуре. Испарение металла происходит при помощи низкотемпературной плазмы, молекулярных пучков, газового испарения, катодного распыления, ударной волны, электровзрыва, лазерной электродисперсии, сверхзвуковой струи и различных методах механического диспергирования.

Сначала вещество испаряют, используя подходящие методы нагрева. Далее пары вещества смешивают с потоком с инертного газа. В основном применяют аргон или ксенон. После этого полученную парогазовую смесь обращают на подложку (поверхность образца), предварительно охлажденную до температуры 4-77 К. При чем образование наночастиц на поверхности образца является неравновесным процессом и зависит от ряда факторов: температуры охлаждаемого образца, степени разбавления с инертным газом, скорости достижения поверхности образца, скорости конденсации и т.д. Полученные наночастицы методом конденсации нескольких веществ на охлаждаемой поверхности позволяет легко вводить в их состав разные добавки. А в процессе контролируемого нагрева, повышая подвижность наночастиц, создавать новые и необычные химические синтезы [3].

1.2.3 Метод термического разложения в растворе

В настоящее время этот способ применяется способ получения нанопорошков с размером частиц в пределах 20-300 нм. Наиболее изученными на сегодняшний день является термическое разложение соединений на основе азидов, оксалатов, перхлоратов, стифнатов, перманганатов, карбонатов, гидратов, цитратов, ацетатов, гидроксидов, алкоголятов. Процесс получения нанопорошков включает в себя следующие реакции - термолиз, окисление и гидролиз. К преимуществам данного метода следует отнести низкую температуру процесса, малые реакционные объемы, отсутствие трудоемких и неэффективных способов промывки и фильтрования готовых продуктов, регулируемую дисперсность и высокую чистота получаемого порошка.

Недостатками являются сложность контроля и регулирования размеров частиц при одновременном конкурентном протекании процессов разложения исходного соединения и спекание частиц конечного продукта под воздействием температуры. Тем более что получаемые этим методом порошки отличаются высокой химической активностью [4].

1.3 Свойства наночастиц

Основные изменения свойств наноматериалов и наночастиц происходят в диапазоне размеров кристаллитов в пределах 10..100нм. У наночастиц доля атомов, находящихся в тонком поверхностном слое приблизительно 1 нм, по сравнению с микрочастицами заметно повышается.

Так, например, оказывается, что наночастицы некоторых материалов обладают очень хорошими каталитически ми и адсорбционными свойствами. Другие материалы обладают уникальными оптически ми свойствами, например, сверхтонкие пленки на основе органических материалов, используют для производства солнечных батарей . Такие батареи, хоть и имеют сравнительно низкую квантовую эффективность , зато недорогие по сравнению с остальными и могут быть механически гибкими. Также искусственные наночастицы могут взаимодействовать и с природными объектами, такими как белки, нуклеиновые кислот ы и др. Тщательно очищенные наночастицы могут самовыстраиваться в определенные структуры. Такие структуры содержат строго упорядоченные наночастицы и также зачастую проявляют необычные свойства [5].