CC BY
12УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ СУСПЕНЗИЙ ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ
А.Л. Верещагин, О.В. Стеблева, Г.В. Леонов, Г.С. Юрьев
Изучено воздействие ультразвуковой кавитации на суспензии детонационных наноал-мазов (ДНА). Приведены результаты микроскопического, термического и рентгенострук-турного анализа образцов.
Ключевые слова: ультразвуковая кавитация, детонационные наноалмазы, лонсдейлит, электронная микроскопия, термический анализ, синхротронное излучение
ВВЕДЕНИЕ
Известно, что ультразвуковая кавитация вызывает необратимые физико-химические процессы в обрабатываемой среде. Так, например, [1] нами было обнаружено образование фаз углерода в процессе кавитации угле-родсодержащих жидкостей. Особое значение приобретает ультразвуковое облучение на-ночастиц для управления их морфологией [2], в частности, для получения монодисперсных округлых частиц селенида свинца [3].
Целью данной работы является изучение влияния кавитации в суспензиях детонационных наноалмазов (ДНА) на состояние поверхности и их реакционную способность.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектом исследований явились детонационные наноалмазы, полученные из сплава тротил-гексоген 60/40 [4]. Ультразвуковая обработка образцов ДНА проводилась в воде и 96% этиловом спирте в открытом сосуде из нержавеющей стали Х1810Т объемом 50 см3. Источником ультразвукового излучения был аппарат «Надежда 2», конструкции Бийского технологического института мощностью 200 Вт. Условия и режимы подготовки образцов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Сканирующая электронная микроскопия. Фотографии образцов ДНА, полученные на сканирующем электронном микроскопе ивМ-840, представлены на рисунке 1.
Как видно из фотографий после обработки ультразвуком ДНА в этиловом спирте наблюдается диспергирование частиц с 5-10 до 2 мкм.
Термический анализ. Термический анализ проводился на термоанализаторе БЫ-madzu 60. Методами ДТА и ДСК был проведен анализ образцов в атмосфере воздуха со скоростью нагревания 10 градусов/мин до температуры 973 К. Масса образцов - 1,376 -1,710 мг. Повторность опытов - четырехкратная. Данные обрабатывались статистически с р< 0,05. Результаты термического анализа представлены в таблице 2.
(б)
Рисунок 1. Фото ДНА с 5000-кратным увеличением: а) ДНА исходный (образец 4); б) ДНА после обработки в этиловом спирте (образец 1)
Условия получения образцов
№ Образец Режим и время обработки, Интенсивность облу-
мин чения Вт/см2
1 ДНА + этанол кавитацион-ный, 90 6
2 ДНА + вода безкавита-ционный, 60 2
3 ДНА + вода кавитацион-ный, 90 4,3
4 ДНА исх. без обработки
УЛЬТРАЗВУКОВАЯ КАВИТАЦИЯ СУСПЕНЗИЙ ДЕТОНАЦИОННЫХ НАНОАЛМАЗОВ
Таблица 2
Окисление образцов ДНА
Образец Температура начала окисления, К Тепловой эффект окисления, кДж/г Потеря массы на участке 293-973 К, % Потеря массы на стадии окисления, %
ДНА+ этанол кавит. 809.9 ±1.5 27.9 ±1.5 77.3 76.0
ДНА+ вода безкав. 807.1 ±1.5 26.0 ±1.5 73.2 70.4
ДНА+ вода кавит. 807.1 ±2.5 26.8 ±1.5 85.0 82.5
ДНА исходный 809.1 ±4.1 27.5 ±1.5 71.0 68.9
Из этих данных следует, во-первых, что ультразвуковая обработка в этаноле приводит к осаждению наноуглерода на поверхность детонационных наноалмазов, что в свою очередь ведет к повышению однородности поверхности ДНА, этот эффект мож-носвязать с избирательной адсорбцией наноуглерода на поверхности ДНА.
[тп с
ЗБЗвт-В'НЧБ'НБОнг 2 1Ьей, иедг.
Рисунок 2. Дифрактограмма образцов ДНА: 1 - экспериментальное отражение ДНА, подвергнутых воздействию ультразвука в водной среде в режиме кавитации и затем облучению дозой СИ; 2 - экспериментальное отражение ДНА, предварительно подвергнутых воздействию ультразвука (при 20-41° отражение (100) лонсдейлита); 3 - фрагмент дифракционной картины поликристаллического лонсдейлита; 4 - отражение поликристаллического алмаза (111)
Во-вторых, можно полагать, что обработка ДНА водой в кавитационном режиме
приводит к росту степени окисления углерода алмазной фазы. Вероятнее всего, это связано с реакцией расщепления молекул воды на атом водорода и гидроксильную группу
НОН ^Н + ОН внутри кавитационного пузырька [5] и последующих реакций образования пероксида водорода. Пероксид водорода и атомарный кислород, образующийся при его распаде, возможно, окисляют поверхностные атомы углерода частиц ДНА.
Рентгеноструктурный анализ. Для анализа был взят образец ДНА, обработанный ультразвуком в этиловом спирте.
Структура образца определялась на основе дифракционных картин с использованием синхротронного излучения (СИ) ускорителя-накопителя на встречных электрон-позитронных пучках (ВЭПП-3, ИЯФ СО РАН, г. Новосибирск). Картины регистрировались на дифрактомере высокого разрешения с мо-нохроматизаций как падающего на образец излучения ((>. =1.5390 А), так и дифрагированного. Дифрактометр был установлен на втором канале ВЭПП-3.
Дифракционная картина образца ДНА (рисунок 2) после воздействия ультразвукового облучения (УО) показала не только отражения алмаза, но и отражение лонсдейлита (а =2.565 А, Ь =4.12 А).
После ультразвукового облучения в суспензии образец облучался синхротронным излучением. На дифракционной картине этого образца отсутствовали отражения фазы лонсдейлита.
ВЫВОДЫ
Можно предположить, что под влиянием ультразвуковой кавитации происходят диспергирование и столкновение наночастиц ДНА. Причем энергия этого столкновения достаточна для осуществления фазового перехода алмаз-лонсдейлит на поверхности наночастиц со степенью превращения 1-10 % (достаточной для регистрации). Последующее облучение интенсивным синхротронным излучением вызывает либо сублимацию фазы лонсдейлита, либо его обратный фазовый переход. Наблюдаемый переход приобретает особый интерес в свете последних данных по микротвердости лондейлита (152 ГПа), превышающей на 58% соответствующую величину для алмаза [6]. Следует отметить также, что впервые об изменении структуры алмазов под воздействием рентгеновского излучения было упомянуто в работе с метаморфическим алмазами [7].
ВЕРЕЩАГИН А.Л., СТЕБЛЕВА О.В., ЛЕОНОВ Г.В., ЮРЬЕВ Г.С.
В данном случае необходимы дополнительные исследования для уточнения механизма наблюдавшихся явлений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стеблева О.В., Верещагин А.Л., Леонов Г.В. // Ползуновский вестник - 2008. - № 1-2. - С. 38-41.
2. Clemens Burda, Xiaobo Chen, Radha Narayanan, and Mostafa A. El-Sayed // Chem. Rev. - 2005. - V. 105. - P. 1025-1102.
3. Jun-Jie Zhu,Hui Wang, Shu Xu, and Hong-Yuan Chen Sonochemical // Langmuir. - 2002. - V. 18.- P. 3306-3310.
5. Верещагин А.Л. Детонационные наноалмазы. -Барнаул: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2001. - 137 c.
6. Флинн Г. // Физическая акустика. - 1967. - Т. 1. -С. 7-138.
7. Pan, Zicheng; Sun, Hong; Zhang, Yi; and Chen, Changfeng.// Physical Review Letters. - 2009. - V. 102.- P. 055503.
8. Шумилова Т.Г., Янулова Л.А. // Патент РФ 2080289 от 27.05.97.
ИССЛЕДОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ КАВИТАЦИИ В ВОДЕ
А.В. Куничан, Г.В. Леонов
В работе представлены результаты исследования ультразвуковой кавитации, создаваемой в камере кавитационного акустического широкополосного излучателя (КАШИ). Ключевые слова: кавитационный кластер, широкополосный ультразвук, жидкость
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время ультразвуковая кавитация используется в промышленности в качестве интенсифицирующего фактора, хотя является не до конца изученным и плохо прогнозируемым явлением. Хорошо известны условия возникновения кавитации, однако сам процесс и механизм ее протекания до сих пор является предметом научных дискуссий. Известные в настоящее время математические описания процессов акустической кавитации - фрагментарны, недостаточно точны и, посему, малопригодны в качестве основы для математических моделей, которые могли бы использовать при проектировании технологических процессов и аппаратов и управлении ими.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для реализации возможности исследования кавитации на кафедре МСИА БТИ были разработаны конструкции гидрофона [1] и кавитационного излучателя акустических колебаний широкого спектра [2]. Конструктивная схема излучателя представлена на рисунке 1. Фотографии излучателя представлены на рисунках 2 (в собранном виде) и 2 (УЗ вибратор и стакан расстыкованы).
7
Рисунок 1 . Конструктивная схема кавитаци-онного акустического широкополосного излучателя (КАШИ)
Он состоит из ультразвукового излучателя 1 [3] и стакана 2, выполненного из нержавеющей стали. Стакан снабжен патрубками 3 для организации циркуляции воды. Дно стакана выполнено в виде стальной мембраны 4 толщиной 0,23 мм.
