Кристаллические порошки хромоникелевой шпинели для покрытий с высокой излучательной способностью Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 546.03

О.О. Васильков1,О.П. Баринова1*, Е.Л. Силакова2, Е.В Харлова3

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 3 * e-mail: opbar@rambler.ru

2Центр Коллективного Пользования им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул.Героев Панфиловцев, д.20, корп. 1 3ОАО "РКК" Энергия" им. С.П. Королева, г.Королев, Россия Московская область, Мытищинский р-н, ул. Ленина, д. 4а

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ ПОРОШКИ ХРОМОНИКЕЛЕВОЙ ШПИНЕЛИ ДЛЯ ПОКРЫТИЙ С ВЫСОКОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ

Получены кристаллические порошки хромита никеля NiCr2O4 со структурой шпинели, имеющие размеры частиц от 0,31 до 300мкм, пригодных для получения покрытий с высокой излучательной способностью. Методом газотермического напыления получены равномерные покрытия с высокой адгезией.

Ключевые слова: хромоникелевая шпинель, NiCr2O4, материал с высокой излучательной способностью.

Нихромит никеля NiCr2O4 представляет интерес в качестве материалов обладающих полупроводниковыми, каталитическими,

ферромагнитными, магнитострикционными и другими свойствами [1]. Особый интерес представляет полиморфная модификация NiCr2O4 имеющая кристаллическую структуру шпинели (хромоникелевая шпинель) [2,4,6], благодаря своим уникальным оптическим свойствам. Хромоникелевая шпинель используется как пигмент черного цвета для керамических подглазурных красок [3]. Наибольший интерес хромоникелевая шпинель представляет как материал для покрытий радиаторов космических аппаратов, холодильников-излучателей и отражателей ядерных электрогенераторов, работающих в высоком вакууме [7,8]. Её использование обусловлено сочетанием высокой излучательной способности (не менее 0,87 в интервале температур 538-1150 0С), высокой термостойкости (температура плавления 1900 0С) и достаточно высокой микротвердости (1200 кг/мм) [8]. Нанесение покрытий хромоникелевой шпинели обеспечивается ионно-плазменным и газотермическим методами напыления, для которых необходимы кристаллические порошки, определенного гранулометрического и морфологического состава. К настоящему времени исследованы способы синтеза и некоторые физико-химические свойства №&204 [1, 5].

Целью настоящей работы является исследование особенностей гранулометрического состава, морфологии и некоторых физико-химических свойств кристаллических порошков хромоникелевой шпинели, а так же возможность получения покрытий на их основе.

Для получения хромоникелевой шпинели №сг204 в качестве исходных компонентов

использовались оксид никеля NiO марки «ч» (ТУ 6-09-5095), оксид хрома (III) &2O3 марки «чда» (ТУ 6-09-4272).

Фазовый состав кристаллического порошка хромоникелевой шпинели определяли методом рентгеновского фазового анализа (РФА) на дифрактометре ДРОН-3 (CuKa=1.5418 А, никелевый фильтр), с проведением расчета параметров элементарной ячейки и рентгеновской плотности. Гранулометрический состав полученных порошков исследовали на лазерном анализаторе размера частиц Mastersizer micro фирмы Malvern Instruments. Морфологию и размер синтезированных порошков NiCr2O4 исследовали на оптических АЛЬТАМИ МЕТ 1М, МИН-8 и электронном (Jeol JSM-6510LV) микроскопах. Ситовой анализ кристаллических порошков проводили на вибростенде, используя сита 160, 100, 40 мкм, определение плотности проводили пикнометрическим методом.

Синтезированный кристаллический

хромит никеля NiCr2O4 по данным рентгеноструктурного анализа принадлежит к структурному типу шпинели, пространственная группа Fd3m и имеет характеристические рентгеновские рефлексы 2,50 А, 2,94 А, 1,60 А (рис.1). Рассчитанный параметр элементарной ячейки синтезированного хромита никеля составляет а=8,30 А, а рентгеновская плотность имеет величину р=5,26 г/см3.

Для синтезированного кристаллического порошка NiCr2O4 определена также пикнометрическая плотность, которая составила р=4,80 г/см3.

Исследование морфологии синтезированного NiCr2O4 с помощью электронной микроскопии показало, что NiCr2O4 имеет преимущественное огранение в виде октаэдра, что соответствует его структурному типу Fd3m (рис.2).

100мкм) пригодной напыления.

для газотермического

Рис.1. Штрихрентгенограмма синтезированного кристаллического порошка МСГ2О4

Рис.2. Морфология кристаллического порошка №СпО4 увеличение х12000

Для нанесения покрытий методом газотермического напыления существенное значение имеет гранулометрический состав кристаллических порошков, который определяет сыпучесть материала. Исследование

распределения размера частиц синтезированного №&204 показало, что размер частиц варьируется от 0,31 мкм до 300 мкм (рис.3).

Следует указать что, вероятно, частицы размером более 100 мкм представляют собой конгломераты кристаллов. Средний размер частиц составляет 83 мкм.

Анализ распределения частиц №Сг204 по фракциям (табл.1) показал, что кристаллический порошок содержит большое количество (39%) мелкой фракции (0-40мкм), но имеет достаточно высокое содержание (28,22%) фракции (40-

10.0 100.0 Particle Diameter (pm )

Рис.3. Гранулометрический состав кристаллического порошка NiCr2O4 Таблица 1

мкм 0-40 40-60 60-80 80-100 100-160 >160

% 39,09 10,33 11,7 6,19 18,26 14,43

Средний размер частиц кристаллического порошка №&204 и распределение по фракциям позволяет обеспечить достаточную сыпучесть для нанесения покрытий методом газотермического напыления.

Для исследования возможности получения покрытий на основе хромоникелевой шпинели на металлических поверхностях была синтезирована опытная партия №Сг204. Ситовой анализ синтезированного кристаллического порошка показал следующее распределение частиц по фракциям: менее 40 мкм - 46,79%, 40-100мкм -47,27%, 100-160мкм - 2,72% и более 160мкм -2,07%. Пригодная для газотермического напыления фракция хромоникелевой шпинели составила, таким образом, 47%. На основе синтезированного кристаллического порошка №Сг204 на предприятии ОАО "РКК" Энергия" им С.П. Королева методом газотермического напыления получены покрытия (рис.4.), которые имели равномерное распределение толщины по поверхности и хорошую адгезию.

а)увеличение х1 б) увеличение х2

Рис. 4. Внешний вид покрытия на основе хромоникелевой шпинели, полученного методом газотермического напыления.

Васильков Олег Олегович студент РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Баринова Ольга Павловна к. т.н., доцент кафедры общей технологии силикатов РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва

Силакова Елена Леонидовна ведущий инженер ЦКП им. Д.И. Менделеева, РХТУ им. Д. И. Менделеева,

Россия, Москва

Харлова Елена Владимировна ведущий инженер ОАО РКК Энергия им. С.П. Королева, Россия, Королев

Литература

1. Иванов В.В., Ульянов А.К., Шабельская Н.П. Ферриты-хромиты переходных элементов: синтез, структура, свойства - М: Изд.-во «Академия Естествознания». - 2013. - 69 с.

2. Мосиенко С. А. Материал покрытия с высокой излучательной способностью// Патент России № 2262552. 20.10.2005.

3. Тимохин Н.Н., Нерсесян М.Д., Боровинская И.П. Шихта для получения пигмента черного цвета // Патент России. № 2029746. 27.02.1995.

4. Nien-Hsun Li, Yen-Hsin Chen, Ching-Yao Hu, etc. Stabilization of Nickel-laden sludge by a high-temperature NiCr2O4 synthesis process// J.of Hazardous Materials. - 2011. - 77. - P. 24-30.

5. Mineralogy Database [Электронный ресурс] // URL: http://webmineral.com.

6. Klemme S., J. C. van Miltenburg. Termodynamic propeties of nickel chromite (NiCr2O4) based on adiabatic calorimetry at low temperatures. - Phys Chem Minerals. - 2002. - 29. - P. 663-667.

7. Хасуй А. Техника напыления - М.:Машиностроение. - 1975. - 224 с.

8. Абрамович Б.Г. Интенсификация теплообмена излучением с помощью покрытий - М.:Энергия. - 1977. - 256 с.

Vasil 'kov Oleg Olegovich1, Barinova Ol 'ga Pavlovna1 *, Silakova Elena Leonidovna2, Xarlova Elena Vladimirovna3.

1D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia * e-mail: opbar@rambler.ru

2Centr Kolektivnogo Pol'zovaniya D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia 3OAO "RKK" Energiya" S.P.Korolev, Korolev, Russia

WITH CRYSTALLINE POWDER SPINEL CHROMIUM-NICKEL COATINGS FOR HIGH EMISSIVITY

Abstract

Crystalline powders of nickel chromite NiCr2O4 (spinel structure, space group Fd3m) were synthesized. The octahedral particles sizes varied from 0,31 to 300 mkm. Measured and pycnometric specific gravity were 5,26 g/sm3 and 4,80 g/sm3 correspondently. Uniform coating of high adhesive strength were obtained by thermal spraying technique.

Keywords: Nickel-chromium spinel, NiCr2O4, coating with high emissivity.