close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Презентация

код для вставкиСкачать
Кавитационный синтез углеродных
наноструктур
Воропаев С.А.(1), Днестровский А.Ю. (1), Скоробогатский В.Н. (2),
Бондарев О.Л. (2), Кривцов А.М. (3), Кузькин В.А. (3)
(1) ГЕОХИ РАН; (2) МГТУ им. Н.Э.Баумана; (3) ИПМ РАН
Работа поддержана грантом РФФИ 09-05-12071-OFI_M
Контакт: svoropaev@rambler.ru
Исходная идея
В основе исследований лежит идея академика Галимова Э.М. [1] о
возможности синтеза алмаза как следствие кавитации в потоке флюида
магмы при подъеме в кимберлитовой трубке. Изменения профиля
канала могли вызывать значительные скачки гидродинамического
давления в потоке. При падении давления в узком сечении трубки
возникают пузыри растворенного газа (метан), которые коллапсируют
при увеличении давления в расширяющемся канале. Как показывают
расчеты и эксперименты, возникающие при коллапсе давление и
температура внутри пузыря достаточны для синтеза алмаза [2].
Данная гипотеза предполагает ряд процессов, до сих пор детально не рассматривавшихся.
Это касается протекания кавитации в расплавах при высоком давлении, роста, стабильности и
неустойчивости газовых и паровых пузырей, проходящих внутри них сложных физикохимических процессов. В настоящее время кавитация вызывает дополнительный интерес как
инструмент воздействия на углеродные нанотрубки. Ударные волны и струйки, возникающие в
результате схлопывания кавитационных пузырьков, могут эффективно деформировать
наноструктуры, позволяя тем самым исследовать их физические и механические свойства [3].
Таким образом, гидродинамическая кавитация является уникальным процессом, сильно
отличающимся от акустической кавитации (вызываемой звуковой волной небольшой
амплитуды в жидкости) по возможностям создания и контроля ряда наноструктур.
Экспериментальная установка
Для подтверждения гипотезы в ГЕОХИ РАН совместно с МГТУ им. Н.Э.
Баумана, группа проф. Скоробогатского В.Н., была создана
лабораторная установка. В качестве рабочей среды был выбран бензол
(С6Н6), маловязкая жидкость с высоким давлением насыщенных паров
при нормальных условиях. Также, при термической диссоциации бензол
образует смесь газов с высоким процентным содержанием углерода по
отношению к водороду.
Схема экспериментальной установки приведена ниже на рисунке. Установка содержит
полости (1) и (4), где осуществляется подрыв пороховых зарядов для движения поршней q1
и q2. Полости (2) и (3), соединенные трубкой с профилем Вентури, предназначены для
движения бензола. Профиль такого типа используется для создания низкого давления,
разрыва и вскипания жидкости. Экспериментальная установка работает следующим
образом: под давлением пороховых газов в полости 1 поршень q1 начинает движение и
толкает бензол из полости 2 в полость 3 через трубку Вентури. В этот момент происходит
рождение паровых пузырей в узком сечении трубки (первая стадия кавитации). Пузыри
увеличиваются в размере и выносятся потоком в полость 3. Поршень q3 достигает крайне
правого положения и накалывает капсюль, который инициирует подрыв порохового заряда в
полости 4. Под давлением пороховых газов в полости 4 поршень q2 получает значительный
импульс в обратном направлении, что генерирует ударную волну в полости 3, приводящую к
адиабатическому коллапсу кавитационных пузырей и синтезу в них алмаза.
Измерения и результаты
Измерения давления были проведены с помощью ряда датчиков,
расположенных в полостях и трубке Вентури. Величина исходного
давления была в интервале от 140 MPa до 170 MPa, давление в
полости 3 (до подрыва заряда в полости 4) было от 0.002 MPa до
0.004 MPa, причем скорость движения поршня составляла 2 м/с. В
ряде экспериментов был установлен датчик температуры вместо
датчика давления в полости 3. Его показания свидетельствовали о
незначительном увеличении температуры, что позволило считать
процесс изотермическим.
После отработки рабочих режимов установки, была воспроизведена вторая фаза кавитации:
сферически-симметричное адиабатическое сжатие пузырей в полости 3 при подходящем
внешнем давлении. Были надежно зафиксированы зерна алмазной фазы размером от 10 до
30 нанометров и агрегаты наноалмазов размеров до 10 мкм. Зерна исследовались с помощью
поляризационного микроскопа Leica, Фурье ИК спектрометра PU 9804 Phillips и Рамановского
спектрографаT 64000. Также, использовался сканирующий электронный микроскоп JEOL 6700
с разрешением 100 нанометров.
Atm
Выводы
Разработана экспериментальная установка для гидродинамической
кавитации бензола. Получены агрегаты алмазной фазы размером от
1 до 10 μm и отдельные наноалмазы. Для исследования образцов
использовалась рентгеновская дифрактометрия и рамановская
спектроскопия. Полученные результаты подтверждают гипотезу о
создании достаточных термодинамических условий в кавитационном
пузырьке для синтеза алмаза.
Библиография
1. Galimov E.M. Nature,1973, vol. 243, p. 389-392.
2. Галимов Э.М., Кудин А.М., Скоробогатский В.Н. и др. ДАН, 2004, т. 395, №2, стр. 187-191.
3.P.A. Quinto-Su, etc. Physical Review Letters, 2010, vol.104, p.14501-14505.
Документ
Категория
Презентации по физике
Просмотров
19
Размер файла
1 279 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа