ФОРМИРОВАНИЕ  УГЛЕРОДНЫХ  ДЕНДРИТОВ  В  БАРЬЕРНОМ  ГАЗОВОМ  РАЗРЯДЕ  АТМОСФЕРНОГО  ДАВЛЕНИЯ

Богослов  Евгений  Александрович

канд.  техн.  наук,  ст.  науч.  сотр.,  Казанский  национальный  исследовательский  техническоий  университет  им.  А.Н.  Туполева-КАИ,  РФ,  Республика  Татарстан,  г.  Казань

E-mail: 

Воронина  Елена  Валентиновна

инженер-исследователь,  ООО  «Центр  трансфера  технологий»,  РФ,  Республика  Татарстан,  г.  Казань

E -mail:  info@nanort.ru

Данилаев  Максим  Петрович

д-р  техн.  наук,  профессор,  Казанский  национальный  исследовательский  техническоий  университет  им.  А.Н.  Туполева-КАИ,  РФ,  Республика  Татарстан,  г.  Казань

E -mail:  danilaev@mail.ru

Косско  Игорь  Александрович

д-р  техн.  наук,  технический  директор,  ООО  «Центр  трансфера  технологий»,  РФ,  Республика  Татарстан,  г.  Казань

E -mail:  igor.kossko@nanort.ru

Морозов  Олег  Геннадьевич

д-р  техн.  наук,  профессор,  Казанский  национальный  исследовательский  техническоий  университет  им.  А.Н.  Туполева-КАИ,  РФ,  Республика  Татарстан,  г.  Казань

E -mail: 

Насыбуллин  Айдар  Ревкатович

канд.  техн.  наук,  доцент,  Казанский  национальный  исследовательский  техническоий  университет  им.  А.Н.  Туполева-КАИ,  РФ,  Республика  Татарстан,  г.  Казань

E -mail:  gmorozov-2010@mail.ru

Пашин  Дмитрий  Михайлович

д-р  техн.  наук,  генеральный  директор,  ООО  «Центр  трансфера  технологий»,  РФ,  Республика  Татарстан,  г.  Казань

E-mail:  info@nanort.ru

CARBON  DENDRITES  FORMATION  BY  BARRIER  ATMOSPHERIC  PRESSURE  DISCHARGE.

Bogoslov  Eugenii  Aleksandrovich

Ph.  D.,  Senior  Researcher,  Kazan  national  research  technical  university  by  A.N.Tupolev  (KNRTU)   Russia,  Republic  of  Tatarstan,  Kazan

Voronina  Elena  Valentinovna

research  engineer,  Ltd  “CTT”,  Russia,  Republic  of  Tatarstan,  Kazan

Danilaev  Maxim  Petrovich

doctor  of  Sc,  professor,  KNRTU,  Russia,  Republic  of  Tatarstan,  Kazan

Kossko  Igor  Aleksandrovich

doctor  of  Sc.,  Chief  technical  officer,  Ltd  “CTT”,  Russia,  Republic  of  Tatarstan,  Kazan

Morozov  Oleg  Gennadevich

doctor  of  Sc,  professor,  KNRTU,  Russia,  Republic  of  Tatarstan,  Russia,  Republic  of  Tatarstan,  Kazan

Nasubullin  Aidar  Revkatovich

Ph.  D.,  Assistant  Professor,  KNRTU

Pashin  Dmitrii  Michailovich

doctor  of  Sc,  professor,  Chief  of  Board  of  Directors,  Ltd  “CTT”,  Russia,  Republic  of  Tatarstan,  Kazan

АННОТАЦИЯ

В  данной  работе  приведены  результаты  экспериментальных  исследований  формирования  в  барьерном  разряде  атмосферного  давления  углеродных  дендритов,  представляющих  собой  конгломераты  углеродных  субмикронных  частиц.  Эксперименты  проводились  с  использованием  в  качестве  исходного  органического  продукта  мономера  стирола,  полученного  путем  деполимеризации  полистирола.

ABSTRACT

The  experimental  results  of  carbon  dendrites  formation  by  atmospheric  pressure  discharge  are  considered  in  that  paper.  The  possibility  of  using  polystyrene  depolymerization  products  can  for  carbon  dendrites  growth  in  discharge  was  confirmed  in  that  experiment.

Ключевые  слова:   углеродные  дендриты;  барьерный  разряд;  полистирол.

Key  words :  carbon  dendrites;  polystyrene;  atmospheric  pressure  discharge.

Углеродные  субмикронные  частицы  наполнителя  (например,  карбонизированные  или  графитированные  структуры)  являются  перспективным  материалом  для  формирования  композиционных  полимеров  с  повышенными  прочностными  характеристиками.  Такие  композиционные  полимеры  по  своим  прочностным  характеристикам  и  легкости  значительно  превосходят  классические  конструкционные  материалы.  В  целом  ряде  работ  [2,  3,  5]  приводятся  результаты  исследований  физико-технических  свойств  композиционных  полимерных  материалов,  наполненных  углеродными  субмикронными  частицами.  Эти  результаты  подтверждают  целесообразность  разработки  новых  технологий,  направленных  на  формирование,  как  углеродных  субмикронных  частиц,  так  и  композиционных  полимеров,  наполненных  этими  частицами.  В  данной  работе  приведены  результаты  экспериментальных  исследований  формирования  в  барьерном  разряде  атмосферного  давления  углеродных  дендритов,  представляющих  собой  конгломераты  углеродных  субмикронных  частиц.

Структурная  схема  экспериментальной  установки  представлена  на  рис.  1. 

Рисунок  1  Структурная  схема  экспериментальной  установки:  1  —  баллон  с  буферным  газом,  2  —  вентиль,  3  —  устройство  барботирования,  4  —  продукты  деполимеризации  полистирола,  5  —  входной  штуцер,  6  —  игольчатый  электрод,  7  —  углеродный  дендрит,  8  —  выходной  штуцер,  9  —  корпус  плазмохимического  реактора,  10  —  диэлектрический  барьер,  11  —  плоский  электрод,  12  —  высоковольтный  источник

Буферный  газ  (аргон)  через  вентиль  (2)  подавался  в  устройство  барботирования  (3).  Расход  аргона  в  экспериментах  составлял  200  мл/мин  и  регулировался  с  точностью  ~10  %.  Подача  исходных  органических  продуктов  (4)  в  плазмохимический  реактор  (9),  из  которых  осуществлялось  формирование  углеродных  дендритов  осуществлялось  через  входной  штуцер  (5)  с  использованием  устройства  барботирования  [4],  в  котором  происходила  организация  многофазного  газового  потока  аргона,  мелкодисперсных  капель  жидкого  мономера  и  паров  этого  же  мономера.  Эксперименты  проводились  с  использованием  в  качестве  исходного  органического  продукта  мономера  стирола,  полученного  путем  деполимеризации  полистирола  [1].  Такой  исходный  органический  продукт  содержал  тяжелые  фракции  углеродов.  Система  электродов  разрядной  камеры  плазмохимического  реактора  имела  конфигурацию  «игла-плоскость»:

·     игольчатый  электрод  (6)  с  радиусом  закругления  0,5  мм.  Материал  электрода  —  сталь;

·     плоский  электрод  (11)  диаметром  10  см,  покрытый  керамикой  толщиной  1,5  мм  (диэлектрический  барьер). 

Плазма  барьерного  разряда  формировалась  источником  высокого  переменного  напряжения  (12)  частотой  25  кГц.  Напряженность  электрического  поля  изменялась  в  пределах  0,6—3  кВ/см  при  мощности  разряда  ~250  Вт.  Барьерный  разряд  зажигался  в  атмосфере  аргона  с  парами  мономера.  Визуальные  наблюдения  за  разрядом  осуществляются  через  прозрачное  окно. 

Формирование  углеродных  дендритов  начиналось  с  образования  одного  или  нескольких  каналов  на  кончике  острия  игольчатого  электрода.  Рост  дендритов  сопровождался  хаотическим  ветвлением,  изгибами,  что  является  следствием  процессов  самоорганизации  сложных  структур.  Типичные  структуры  дендритов,  полученные  в  экспериментах,  приведены  на  рис.  2. 

Рисунок  2.  Углеродные  дендриты.  Изображения  получены  методом  растровой  электронной  микроскопии  (РЭМ)

Структуры  данного  типа  часто  называют  древовидными  [6].  Увеличение  амплитуды  прикладываемого  напряжения  приводило  к  росту  числа  ветвей  и  формированию  кустообразных  структур.  Рост  углеродных  дендритов  продолжался  до  момента  соприкосновения  дендрита  с  диэлектрическим  барьером  (7).  После  увеличения  расстояния  между  электродами  рост  дендритов  возобновлялся.

В  экспериментах  было  установлено,  что  минимальная  мощность  разряда,  необходимая  для  формирования  углеродных  дендритов  составляет  ~200  Вт.  С  увеличением  подводимой  мощности  происходило  увеличение  скорости  роста  дендритов.  В  экспериментах  скорость  роста  дендритов  составила  порядка  1  мм/мин.  Увеличение  подводимой  мощности  выше  порога  ~300  Вт  приводило  к  срыву  роста  дендритов  из-за  сильного  разогрева  игольчатого  электрода,  вплоть  до  его  оплавления.  Рост  дендритов  сопровождался  световым  пульсирующим  излучением  на  кончике  дендрита  с  частотой  пульсаций  ~  0,01  Гц.  Анализ  химического  состава  и  структуры  дендритов  проводился  методами  Ожеспектроскопии  с  использованием  оже-электронного  спектрометра  Jamp-9500F  (JEOL)  и  рентгеноструктурного  анализа  с  использованием  рентгеновского  дифрактометра  SmartLab  (RIGAKU),  соответственно. 

Оже-спектры  (рис.3)  свидетельствуют  об  отсутствии  примесей  в  углеродных  дендритах.  Относительно  высокий  уровень  шума  в  спектрах  обусловлен  намеренным  снижением  дозы  облучения  образца  для  исключения  артефактов,  связанных  с  разрывом  межмолекулярных  связей,  а  также  с  зарядкой  образца.

Рисунок  3.  Спектры  Оже-электронов  от  различных  углеродных  дендритов

Снятие  рентгеновских  дифрактограмм  происходило  по  схеме  Брэгга-Брентано  в  диапазоне  углов  2θ  от  3°  до  90°  с  шагом  0.02°  и  временем  регистрации  в  каждой  точке,  равном  1с.  Длина  волны  излучения  CuКα1=1.5406  Ǻ.  Результаты  исследований  представлены  на  рис.  4.

Рисунок  4.  Рентгеновская  дифрактограмма  углеродных  дендритов

На  дифрактограмме  дендрита  присутствуют  три  широких  пика  с  центрами  в  углах  2θ  ≈  25.54^о,  2θ  ≈  43.16^о,  2θ  ≈  78.33⁰.  Согласно  работе  [8],  в  которой  проводилось  исследование  аналогичных  углеродных  дендритных  структур,  положения  данных  пиков  соответствуют  отражениям  от  плоскостей  (002),  (101/100),  (110),  межплоскостные  расстояния  которых  равны  d002≈3.485  Ǻ,  d101/100≈3.485  Ǻ,  d110≈3.485  Ǻ  соответственно.  Близкие  по  значению  положения  дифракционных  пиков  также  имеют  класс  «неграфитизированных»  (не  сформировавших  полностью  структуру  графита)  структур,  включая  стеклоуглерод  [7],  активированный  углерод  [9].

Таким  образом,  проведенные  экспериментальные  исследования  показывают  возможность  использования  продуктов  деполимеризации  полистирола  для  формирования  углеродных  дендритов.  Элементный  состав  и  структура  полученных  углеродных  дендритов  совпадает  с  соответствующими  параметрами  углеродных  дендритов,  полученных  с  использованием  очищенных  исходных  продуктов  (мономеров).

Список  литературы:

1.Анфиногентов  В.И.,  Насыбуллин  А.Р.,  Морозов  О.Г.,  Морозов  Г.А.,  Самигуллин  Р.Р.,  Шакиров  А.С.  Выбор  оптимальной  структуры  построения  СВЧ-комплекса  обработки  термореактивных  композитных  материалов//  Известия  Самарского  научного  центра  РАН.  —  2012.  —  т.  14.  —  №  1(2).  —  с.  525—528.

2.Композиционные  материалы.  Справочник.  (Под  ред.  В.В.  Васильева.)  М.:  Машиностроение,  1990.  —  512  с.

3.Михайлин  Ю.А.  Конструкционные  полимерные  композиционные  материалы.  СПб.:  НОТ,  2010.  —  822  с.

4.Перепелкин  К.Е.  Газовые  эмульсии.  СПб.:  Химия,  1979.  —  197  с.

5.Chung  D.L.  Carbon  Fiber  Composites.  Boston  (USA,  MA):  Butterworth-Heinemann,  1994.  —  215  р.

6.Dissado  L.A.,  Fothergill  J.C.  Electrical  Degradation  and  Breakdown  in  Polymers.  London:  Peregrinus,  1992.

7.Heiman  A.,  Lakin  E.,  Zolotoyabko  E.,  Hoffman  A..  Microstructure  and  stress  in  nano-crystalline  diamond  films  deposited  by  DC  glow  discharge  CVD.  Diamond  and  Related  Materials,  11,  2002,  —  pp.  601—607.

8.Kozak  D.,  Shibata  E.,  Iizuka  A.,  Nakamura  T.  Growth  of  carbon  dendrites  on  cathode  above  liquid  ethanol  using  surface  plasma.  Carbon,  vol.  70,  April  2014,  —  pp.  87—94.

9.Zhao  J.,  Yang  L.,  Li  F.,  Yu  R.,  Jin  Ch..  Structural  evolution  in  the  graphitization  process  of  activated  carbon  by  high-pressure  sintering.  Carbon,  vol  47,  2009,  —  pp.  744—751.