close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY14051

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.02.28
(12)
(51) МПК (2009)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 14051
(13) C1
(19)
B 82B 3/00
C 01B 31/00
C 23C 16/00
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДНЫХ НАНОВОЛОКОН
(21) Номер заявки: a 20090337
(22) 2009.03.10
(43) 2010.10.30
(71) Заявитель: Государственное научное учреждение "Институт тепло- и
массообмена
им.
А.В.Лыкова
Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(72) Авторы: Фисенко Сергей Павлович;
Боровик Феликс Николаевич; Жданок Сергей Александрович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Институт теплои массообмена им. А.В.Лыкова Национальной академии наук Беларуси"
(BY)
(56) BADDOUR C.E. et al. Carbon, 2008.
Vol. 47. - P. 313-347.
RU 2135409 C1, 1999.
RU 2146648 C1, 2000.
EP 1995213 A1, 2008.
RU 2299851 C2, 2007.
WO 2007/069267 A2.
US 2004/0081758 A1.
BY 10010 C1, 2007.
BY 14051 C1 2011.02.28
(57)
Способ получения углеродных нановолокон, при котором осуществляют очистку каталитической металлической подложки для осаждения углеродных нановолокон, нагревают
ее до температуры не более 850 °С, прокачивают над ней поток углеводородных газов в течение 1-2 минут, затем осуществляют принудительное охлаждение подложки со скоростью
не более 10 °С в минуту до температуры 550-600 °С, после чего одновременно прекращают
прокачку потока углеводородных газов и принудительное охлаждение.
Предлагаемое техническое решение относится к способу получения углеродных нановолокон на каталитической подложке, в частности на подложке из нержавеющей стали, и
может найти применение в цветной металлургии и промышленности строительных мате-
BY 14051 C1 2011.02.28
риалов для упрочнения материалов, шинной промышленности и лакокрасочной промышленности для повышения эффективной теплопроводности материала, и в целом ряде других отраслей.
Известен способ получения углеродных нановолокон [1]. Сущность его заключается в
том, что на керамическую поверхность подложки наносятся частицы одного из каталитического материалов. В качестве материала для каталитических частиц могут использоваться такие металлы как Fe, Ni, Co и некоторые их сплавы. Диаметр этих частиц 220 нанометров. Для термической активации каталитических частиц подложка выдерживается необходимое время при повышенной температуре в диапазоне 350-700 °C. После чего
над подложкой в течение заданного времени (обычно несколько минут) пропускается углеводородный газ, например пропан или ацетилен. После прекращения подачи углеводородного газа и охлаждения подложки на ней находят нановолокна углерода длиной до
одного микрона и диаметром примерно равным диаметру каталитических частиц. Важной
особенностью полученных нановолокон углерода является то, что каждое волокно на одном из его концов содержит частицу каталитического материала или, по крайней мере,
часть ее.
К недостаткам способа относится необходимость каждый раз при повторении цикла
наносить наночастицы каталитического материала, и распределять их достаточно равномерно по площади подложки.
Известен способ получения углеродных нановолокон [2]. Сущность этого способа состоит в нанесении каталитической частицы на подложку из того же материала, что и каталитическая частица. При этом показано, что критическим условием возникновения
нановолокон является создание пересыщенного твердого раствора углерода внутри каталитической частицы. Пересыщенный твердый раствор образуется при охлаждении насыщенного раствора, так как растворимость углерода в металлах экспоненциально падает
при уменьшении температуры. Обнаружены также зависимости, связывающие время создания пересыщенного раствора с размером каталитической частицы и температурой частиц, влияющей на коэффициент диффузии углерода. Выявлено также, что при этом
способе скорость образования нановолокон экспоненциально возрастает по сравнению со
скоростью образования в том случае, когда используется подложка из другого материала,
как в [1]. Показано, что нановолокна образуются всегда на поверхности каталитической
частицы.
К недостаткам способа относится необходимость каждый раз при повторении цикла
производства нановолокон наносить заранее подготовленные наночастицы каталитического материала и распределять их достаточно равномерно по площади подложки.
Известен способ получения углеродных нановолокон, выбранный в качестве прототипа [3]. Сущность его заключается в том, что каталитическую подложку из нержавеющей
стали, очищают ацетоном и затем обрабатывают раствором соляной кислоты. Затем подложку нагревают до 850 °C в атмосфере азота (бескислородной атмосфере), выдерживают
не менее 30 мин, после чего охлаждают до температуры 700 °C. Над охлажденной подложкой в течение 5-15 мин прокачивается углеводородный газ (ацетилен, пропан). При
этих температурах при столкновении молекул углеводородного газа с каталитической
подложкой происходит эффективное отщепление атомов углерода от этой молекулы, после чего значительная часть атомов углерода диффундирует внутрь подложки. Затем прокачка углеводородного газа прекращается, и система поддерживается при температуре
700 °C в течение определенного времени с последующим охлаждением. После охлаждения на подложке находятся образовавшиеся пановолокна углерода. Каждое нановолокно
содержит в себе частицу материала подложки. В качестве подложки может использоваться и порошок из нержавеющей стали. Размер частиц порошка 50-70 нм.
К недостаткам способа относится многостадийность и относительно большая длительность цикла получения паноматериала, связанная со стадией предварительного нагре2
BY 14051 C1 2011.02.28
ва до 850 °C и выдерживания при этой температуре, а также большое время прокачки углеводородного газа при 700 °C, что снижает производительность процесса получения
нановолокон углерода.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение производительности способа за счет сокращения времени проведения этапов получения нановолокна.
Задача решается следующим образом. Известный способ получения углеродных нановолокон включает очистку каталитической металлической подложки для осаждения углеродных нановолокон, ее нагрев, прокачку над ней потока углеводородных газов и ее
охлаждение.
Согласно предлагаемому техническому решению, нагревают каталитическую металлическую подложку до температуры не более 850 °C, прокачивают над ней поток углеводородных газов в течение 1-2 мин, в течение которых происходит диффузионное
насыщение углеродом приповерхностного слоя подложки на глубину 5-7 микрон. Затем
осуществляют принудительное охлаждение подложки со скоростью не более 10 °C в минуту за счет управляемого снижения мощности нагревателя до достижения температуры
подложки 550-600 °C, после чего одновременно прекращают прокачку потока углеводородных газов и принудительное охлаждение. Во время этого охлаждения в приповерхностном слое происходит образование пересыщенного твердого раствора углерода,
нуклеация углерода и рост кластеров углерода. Охлаждение и рост кластеров углерода
приводят к разрушению сплошности приповерхностного слоя. Образовавшиеся частицы
подложки размером 10-50 нм служат каталитическими частицами, на поверхности которых образуются нановолокна углерода. На поверхности каталитической частицы в течение 10-15 мин прокачки потока углеводородного газа его молекулы распадаются таким
образом, что углерод отщепляется и диффундирует внутрь частицы, что обеспечивает
рост углеродного волокна.
Па фигуре представлена схема осуществления предлагаемого способа получения углеродных нановолокон с помощью устройства, которое включает камеру 1 для очистки
каталитической металлической подложки 2. Нагревательная камера 3, в которую помещают очищенную подложку 2, снабжена регулируемым нагревателем 4, узел для прокачки (на фигуре не показан) обеспечивает прокачку потока 5 углеводородных газов. После
выполнения всех действий способа на подложке 2 образуются углеродные нановолокна 6.
Предложенный способ осуществляется следующим образом. В камере 1 каталитическая металлическая подложка 2 проходит очистку от загрязнений и переносится в нагревательную камеру 3 с нагревателем 4, с помощью которого осуществляется нагрев
подложки 2 до температуры не более 850 °C. После чего начинают прокачку потока 5 углеводородных газов через камеру 3. Через 1-2 мин после начала прокачки начинают осуществлять принудительное охлаждение подложки 2 со скоростью не более 10 °C в
минуту. Во время этого охлаждения в приповерхностном слое происходит образование
пересыщенного твердого раствора углерода, нуклеация углерода и рост кластеров углерода. Охлаждение и рост кластеров углерода приводят к разрушению сплошности приповерхностного слоя каталитической металлической подложки. Образовавшиеся частицы
подложки размером 10-50 нм, служат каталитическими частицами, на поверхности которых образуются углеродные нановолокна 6. На поверхности каталитической частицы в
течение 10-15 мин охлаждения молекулы углеводородного газа распадаются таким образом, что атомы углерода отщепляются от них и диффундирует внутрь частицы, что обеспечивает рост углеродного нановолокна 6. После достижения подложкой температуры
550-600 °C одновременно прекращают прокачку потока 5 углеводородных газов и принудительное охлаждение путем выключения нагревателя 4.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить производительность способа получения углеродных нановолокон за счет снижения многостадийности, сокращения времени выдержки подложки в процессе работы и создание более
3
BY 14051 C1 2011.02.28
благоприятных условий для роста углеродных нановолокон на металлической каталитической подложке, в том числе из нержавеющей стали.
Источники информации:
1. Патент США 2004/0081758 A1, МПК C 23C 16/00, 2004.
2. Фисенко С.П., Боровик Ф.Н. Нуклеация в каталитической нанокапле и рост нановолокон // Техническая физика. - 2009. - Т. 79. - Вып. 2. - C. 83-89.
3. Baddour C.E., Fadlallah F., Meunier J.-L., et al. A simple thermal CVD method for carbon nanotube synthesis on stainless steel 304 without the addition of an external catalyst.
Carbon, 2008. - V.47. - P.313-318.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
148 Кб
Теги
by14051, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа