CC BY
74
УДК 539.8+539.42+546.62
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-837-840
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С Ga-In ЭВТЕКТИКОЙ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
© А.И. Низовский1'2*, А.А. Новиков2*, С.В. Белькова2), М.В. Тренихин3*, В.И. Бухтияров1*
1) Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск, Российская Федерация,
e-mail: [email protected] 2) Омский государственный технический университет, г. Омск, Российская Федерация,
e-mail: [email protected] 3) Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск, Российская Федерация,
e-mail: [email protected]
Исследовано влияние ультразвукового воздействия на характер взаимодействия промышленных алюминиевых сплавов с жидким эвтектическим сплавом (76 вес.% Ga, 24 вес.% 1п, /пл. = 15,9 °С). Показано, что ультразвуковая обработка значительно повышает эффективность проникновения компонент эвтектики по границам зерен исходного материала. Проявление особенностей ультразвукового воздействия существенно отличается для разных коммерческих сплавов. Полученный в результате обработки материал является эффективным реагентом для получения водорода при взаимодействии с водой и может быть использован как материал для компактных водородных картриджей.
Ключевые слова: получение водорода; ультразвук; алюминиевые сплавы; Ga-In эвтектика.
Высокая активность галлия по отношению к конструкционным алюминиевым сплавам хорошо известна [1]. Диффузия галлия и эвтектик на его основе по границам зерен исходного материала приводит к резкому изменению механических и физико-химических характеристик [2]. В литературе по водородной энергетике имеется значительное количество работ, в которых рассматриваются возможности получения водорода из воды с помощью реакции с металлическим алюминием или его сплавами [3]. По эффективности выхода водорода в реакции с водой алюминий уступает только литию, теоретический выход водорода составляет 1,24 г/л.
В то же время изделия из алюминиевых сплавов являются широко распространенными элементами конструкций авиационно-космической техники, высокоскоростных речных и морских судов, спортивного снаряжения, предметами бытового назначения. Этот известный парадокс традиционно объясняется высокой инертностью тонких оксидных пленок на поверхности алюминия. Если в случае повышения надежности и долговечности алюминиевых конструкций важной задачей является их защита различными методами от коррозионных повреждений, то для создания источников водорода на основе реакции алюминия с водой необходимо организовать условия, когда образующаяся на поверхности металла оксидная или гидроксидная пленка существенно не затрудняла бы дальнейшее взаимодействие с водой.
Известными способами активирования алюминия являются проведение реакции в сильнощелочных средах, использование ртути и ее соединений, мехактиви-рование реагентов, приготовление специальных сплавов с распределенными гальваническими парами и др.
[4]. Особенностью данной работы является использование коммерческих конструкционных алюминиевых сплавов в качестве исходного материала для получения активированного алюминия. Ранее нами было показано, что для получения высокоактивного материала необходимо добиться, чтобы компоненты Ga-In эвтектики были относительно равномерно распределены по межзеренным границам всей массы активированного продукта [5]. Это обеспечивает дальнейшее интенсивное выделение водорода и полноту взаимодействия в реакции с водой. Показано, что материалы, полученные в результате обработки коммерческих алюминиевых сплавов жидкими металлическими эвтектиками Ga-In, могут успешно использоваться в качестве реагентов для компактных водородных картриджей [6].
Для интенсификации процесса активирования образца в данной работе была реализована идея использования ультразвука для увеличения скорости проникновения эвтектики Ga-In по межзеренным границам. Поскольку ультразвуковая волна, распространяющаяся по образцу, представляет собой области разряжения-сжатия, то на межкристаллитном уровне воздействие ультразвука приводит к расширению и сжатию межзе-ренных границ, по которым и происходит проникновение эвтектики внутрь образца. Этот процесс напоминает эффект аномального капиллярного распространения жидкости под воздействием ультразвука. Идея использования ультразвука для увеличения скорости различных химических процессов не нова, в т. ч. и для интенсификации взаимодействия активированного алюминия с водой. Однако в варианте его использования, как предложено авторами [7], нет ничего принципиально нового и полезного и это не дает каких-либо преимуществ.
Рис. 1. Микрофотографии РЭМ торца образца, бывшего в контакте с Ga-In эвтектикой
Рис. 2. Активированный материал после контакта с водой
Ранее нами была предпринята попытка использования ультразвука для увеличения интенсивности проникновения эвтектики в активируемые образцы из коммерческих сплавов [8]. В данной работе в качестве исходных образцов использовались различные объекты: первичный алюминий А1, промышленные сплавы Д1Т, Д16Т, АМг6. Одновременное воздействие ультразвука и жидкого эвтектического сплава Ga-In на образец из коммерческого алюминиевого сплава производилось следующим образом. Образец цилиндрической формы, размер которого был кратен длине ультразвуковой волны, являлся резонатором ультразвукового излучателя. При активировании нижний торец образца погружался в эвтектику Оа-1п (76 вес.% Ga, /пл. = 15,9 °С). В качестве базового оборудования был использован ультразвуковой генератор и излучатель от ультразвукового аппарата «Ярус». При этом резонатором был исследуемый образец из алюминиевого сплава. Поскольку аппарат «Ярус» рассчитан на частоту 42 кГц, образцом был цилиндр из соответствующего алюминиевого сплава диаметром 20 мм и длиной 120 мм. При мощности возбуждения излучателя 200 Вт амплитуда колебаний рабочего торца излучателя, а соответственно, и погруженного в эвтектику торца образца, составляла 10-12 мкм. Одной из особенностей используемого пьезокерамического излучателя является его высоко-
добротный резонансный характер, соответствующий последовательному колебательному контуру. При взаимодействии всех указанных образцов с эвтектикой в течение нескольких минут происходило исчезновение резонанса, образец при этом нагревался, что было обусловлено проникновением компонентов эвтектики в образец и нарушением его однородности.
На рис. 1 приведены микрофотографии торца образца, контактировавшего с эвтектикой, полученные с помощью растровой электронной микроскопии (РЭМ).
На ней отчетливо видны кавитационные каверны, которые наблюдаются у всех образцов после ультразвукового воздействия. После короткого контакта с водой (смачивания торцевой поверхности образца) происходило интенсивное разрушение объекта с образованием протяженных волокнистых структур, которые в дальнейшем превращались в высокодисперсный порошок черного цвета, как показано на рис. 2. В ходе проведения рентгенофазового анализа порошка было выяснено, что он представлял собой металлический алюминий с незначительной примесью смеси гидро-ксидов и остатков компонентов Ga-In эвтектики.
В следующей серии экспериментов схема ультразвукового воздействия была изменена. В качестве исходной акустической системы использовался пьезоке-рамический излучатель на кольцах из материала ЦТССт-3 диаметром 80 мм, стальной бустер и образцы в виде шестигранника из Д16Т или цилиндра из Д1Т длиной 180 мм и диаметром 40 мм. Добавление бустера в схему было сделано для уменьшения ухода резонансной частоты из-за изменений механических характеристик алюминиевого образца в процессе акустического воздействия при обработке эвтектикой.
Контроль за процессом акустического воздействия осуществлялся с помощью осциллографа. В процессе эксперимента в течение первых нескольких минут исходная форма синусоидального ультразвукового сигнала менялась, появлялись дополнительные обертона. Образцы при этом нагревались, на поверхности образца наблюдались характерные выпотевания капель эвтектики. Кавитационные каверны на торце образцов, контактировавших с эвтектикой, появлялись на первых минутах эксперимента, как было показано на рис. 1.
Рис. 3. Схема эксперимента. На поверхности образца из Д1Т видны капли эвтектики
б)
Рис. 4. Фотографии образцов после активирования Ga-In эвтектикой с одновременным ультразвуковым воздействием: а - Д16Т; б - Д1Т
Рис. 5. Микрофотография РЭМ поверхности скола частицы сплава Д16Тв процессе ультразвуковой обработки
Через ~30 минут от начала эксперимента выпотевания проявились на противоположном (верхнем) торце образца, который фиксировался к бустеру излучателя.
На рис. 4 приведена фотография образца после ультразвукового воздействия.
Видно, что поверхность покрылась трещинами различной формы и размеров. Происходило частичное разрушение образцов с отшелушиванием частиц с поверхности, на рис. 5 приведены микрофотографии поверхности этих частиц. Ранее, в проведенных нами экспериментах при активации образцов с помощью GaIn эвтектики без использования ультразвука было показано с помощью растровой электронной микроскопии на приборе JSM 6610 LV «JEOL», что на поверхности сколов наблюдается достаточно однородное покрытие компонентами эвтектического сплава. Это принципиально важный факт, который подтверждает гипотезу, полагающей, что для достижения высокой реакционной способности материала необходимо, чтобы компоненты эвтектики были распределены по всей массе материала по границам зерен [5]. У авторов есть некоторые предположения о механизме взаимодействия активированного материал с водой, для которой справедливость предлагаемой гипотезы имеет принципиальное значение. Однако вопрос механизма реакции с водой требует отдельного специального рассмотрения и не может кратко обсуждаться в данной статье.
В заключение следует отметить, что ультразвуковая обработка значительно повышает эффективность активирования алюминиевых сплавов с помощью Ga-In эвтектики, что позволяет надеяться на возможность тиражирования данной методики в промышленном масштабе.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лариков Л.Н., Максименко Е.А., Франчук В.И. Структурные изменения в алюминии и его сплавах при охрупчивании жидким галлием // Металлофизика. 1990. Т. 12. № 1. C. 115-117.
2. Тренихин М.В., Бубнов А.В., Козлов А.Г., Низовский А.И., Дупля-кин В.К Проникновение компонентов индий-галлиевого сплава в алюминий // Журнал физической химии. 2006. Т. 80. № 7. С. 12621267.
3. WangH.Z., LeungD.Y.C., LeungM.K.H., NiM. A review on hydrogen production using aluminum and aluminum alloys // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2009. V. 13. P. 845-853.
4. Zhen-Yan Deng, Jose M. F. Ferreira Yoshio Sakka Hydrogen-Generation Materials for Portable Applications // J. Am. Ceram. Soc. 2008. V. 91. № 12. P. 3825-3834.
5. Низовский А.И., Бухтияров В.И., Велигжанин А.А., Зубавичус Я.В., Мурзин В.Ю., Чернышов А.А., Хлебников А. С., Сенин Р.А., Казаков И.В., Воробьев В.В. Особенности взаимодействия алюминия с эвтектикой Ga85In25 по данным рентгеновской синхротронной диагностики // Кристаллография. 2012. Т. 57. № 7. С. 774-781.
6. Nizovskii A.I., Belkova S.V., Novikov А.А., Trenikhin M.V. Hydrogen production for fuel cells in reaction of activated aluminum with water // Procedia Engineering. 2015. V. 113. P. 8-12.
7. Ларичев М.Н., Шайтура Н.С., Ларичева О.О. Влияние ультразвукового поля на окисление водой порошков // Химическая физика. 2008. Т. 27. № 9. C. 95-98.
8. Novikov АЛ., Nizovskii A.I., Trenikhin M. V., Bukhtiyarov V.I. Effect of ultrasonic oscillations on the interaction of Al with Ga-In eutectic alloy // Mechanisms and Machine Science. 2014. V. 23. Р. 309-316.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках государственного задания Института катализа СО РАН.
Поступила в редакцию 10 апреля 2016 г.
UDC 539.8+539.42+546.62
DOI: 10.20310/1810-0198-2016-21-3-837-840
IMPACT OF Ga-In EUTECTIC WITH INDUSTRIAL ALUMINUM ALLOYS IN ULTRASONIC FIELD
© A.I. Nizovskiy1), A.A. Novikov2), S.V. Belkova2), M.V. Trenikhin3), V.I. Bukhtiyarov1)
^ Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, Novosibirsk, Russian Federation, e-mail: [email protected] 2) Omsk State Technical University, Omsk, Russian Federation, e-mail: [email protected] 3) Institute of Institute of Hydrocarbons Processing SB RAS, Omsk, Russian Federation, e-mail: [email protected]
Impact of Ga-In eutectic with industrial aluminum alloys in ultrasonic field is considered. Key words: hydrogen production; ultrasonic impact; aluminium alloys; Ga-Ineutectic.
REFERENCES
1. Larikov L.N., Maksimenko E.A., Franchuk V.I. Strukturnye izmeneniya v alyuminii i ego splavakh pri okhrupchi-vanii zhidkim galliem. Metallofizika — Metallofizika, 1990, vol. 12, no. 1, pp. 115-117.
2. Trenikhin M.V., Bubnov A.V., Kozlov A.G., Nizovskiy A.I., Duplyakin V.K. Proniknovenie komponentov indiy-gallievogo splava v alyuminiy. Zhurnal fizicheskoy khimii — Russian Journal of Physical Chemistry, 2006, vol. 80, no. 7, pp. 1262-1267.
3. Wang H.Z., Leung D.Y.C., Leung M.K.H., Ni M. A review on hydrogen production using aluminum and aluminum alloys. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, vol. 13, pp. 845-853.
4. Zhen-Yan Deng, Jose M. F. Ferreira, Yoshio Sakka. Hydrogen-Generation Materials for Portable Applications. J. Am. Ceram. Soc., 2008, vol. 91, no. 12, pp. 3825-3834.
5. Nizovskiy A.I., Bukhtiyarov V.I., Veligzhanin A.A., Zubavichus Ya.V., Murzin V.Yu., Chernyshov A.A., Khlebnikov A.S., Senin R.A., Kazakov I.V., Vorob'ev V.V. Osobennosti vzaimodeystviya alyuminiya s evtektikoy Ga85In25 po dannym rent-genovskoy sinkhrotron-noy diagnostiki. Kristallografiya — Crystallography Reports, 2012, vol. 57, no. 7, pp. 774-781.
6. Nizovskii A.I., Belkova S.V., Novikov A.A., Trenikhin M.V. Hydrogen production for fuel cells in reaction of activated aluminum with water. Procedia Engineering, 2015, vol. 113, pp. 8-12.
7. Larichev M.N., Shaytura N.S., Laricheva O.O. Vliyanie ul'trazvukovogo polya na okislenie vodoy poroshkov. Khimicheskaya fizika — Russian Journal of Physical Chemistry B, 2008, vol. 27, no. 9, pp. 95-98.
8. Novikov A.A., Nizovskii A.I., Trenikhin M. V., Bukhtiyarov V.I. Effect of ultrasonic oscillations on the interaction of Al with Ga-In eutectic alloy. Mechanisms and Machine Science, 2014, vol. 23, pp. 309-316.
GRATITUDE: The work is fulfilled within a framework of state assign of Catalysis Institute of SB. Received 10 April 2016
Низовский Александр Иванович, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск, Российская Федерация, кандидат химических наук, доцент, старший научный сотрудник лаборатории исследования поверхности, e-mail: [email protected]
Nizovskiy Aleksander Ivanovich, Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, Novosibirsk, Russian Federation, Candidate of Chemistry, Associate Professor, Senior Research Worker of Surface Investigation Laboratory, e-mail: [email protected]
Новиков Алексей Алексеевич, Омский государственный технический университет, г. Омск, Российская Федерация, доктор технических наук, профессор кафедры «Машиностроение и материаловедение», e-mail: [email protected]
Novikov Aleksey Alekseevich, Omsk State Technical University, Omsk, Russian Federation, Doctor of Technics, Professor of Mechanical Engineering and Materials Science Department, e-mail: [email protected]
Белькова Софья Валентиновна, Омский государственный технический университет, г. Омск, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Промышленная экология и безопасность», e-mail: [email protected]
Belkova Sofya Valentinovna, Omsk State Technical University, Omsk, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor, Associate Professor of Industrial Ecology and Safety Department, e-mail: [email protected]
Тренихин Михаил Викторович, Институт проблем переработки углеводородов СО РАН, г. Омск, Российская Федерация, кандидат химических наук, старший научный сотрудник, e-mail: [email protected]
Trenikhin Mikhail Viktorovich, Institute of Hydrocarbons Processing SB RAS, Omsk, Russian Federation, Candidate of Chemistry, Senior Research Worker, e-mail: [email protected]
Бухтияров Валерий Иванович, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, г. Новосибирск, Российская Федерация, доктор химических наук, профессор, директор, e-mail: [email protected]
Bukhtiyarov Valeriy Ivanovich, Boreskov Institute of Catalysis SB RAS, Novosibirsk, Russian Federation, Doctor of Chemistry, Professor, Director, e-mail: [email protected]
