CC BY
55
- удельный расход технического кислорода (суммарно на отгонку и окисление) на 1 т АТ - 270 м3 и АК - 27 54 м3; вода, соответственно, на каждый по 0,8 м3.
Библиографические ссылки
1. Жидкое ракетное топливо в регионе ОБСЕ: обзор аспектов утилизации. FSC.DEL/443/07/Rev. 2. Russian 23.10. 2008.
2. Спосі6 переробкiмеланid-окисникiв ракетного палива : пат. Украіни №67466. Заявл. 03.10.2003 ; опубл. 15.09.2005, Бюл. №9.
3. Создание опытной установки утилизации некондиционного окислителя ракетного топлива / Э. А. Карпович, С. В. Вакал, А. Е. Золотарев, А. Г. Дробат // Экология и здоровье человека. Охрана воздушного бассейна. Утилизация отходов : материалы XVI Меж-дунар. науч.-техн. конф. Харьков : Энергосталь, 2008. Т. II. С. 230-233.
4. Разработка исходных данных на проектирование установки по утилизации окислителя ракетного топлива (меланжа) путем переработки на минеральное удобрение, производительностью 1 тонна меланжа в час : отчет ГосНИИ МИНДИП. Сумы, 2009.
G. L. Pashkov, V. I. Kuzmin, Yu. S. Kononov, Yu. T. Filatov, S. G. Bogdanov RECYCLING OF OFF-GRADE PROPELLANT OXIDIZERS
The problem of environmentally friendly technology for the recycling of off-grade propellant oxidizers (melange) is considered. The process scheme for production of nitric acid in a packed absorber as consequence of blowing off nitrogen oxides from melange with oxygen. Commercial nitric acid (60-65% wt.) is formed as a result of mixture with stillage residue. The basic parameters of the process are presented.
Keywords: waste recycling, nitric acid, nitrogen oxides, melange, absorption.
© Пашков Г. Л., Кузьмин В. И., Кононов Ю. С., Филатов Ю. Т., Богданов С. Г., 2012
УДК 621.002.3-419
В. Н. Саунин, С. В. Телегин ПЛАЗМОНАПЫЛЕННЫЕ МАГНИТОДИЭЛЕКТРИКИ
Приводятся результаты исследований по формированию покрытий на основе механической смеси порошков аморфного сплава Со58№1]оРе5В]<£1]] и электрокорунда Л120з. Изучена морфология, проведен рентгенофазовый анализ покрытий, рассмотрены электрические и магнитные свойства напыленных магнитодиэлектриков с различной степенью ферромагнитного заполнения и разной пористостью.
Ключевые слова: магнитодиэлектик, плазма, напыление.
Применение в современной радиоэлектронике магнитодиэлектрических материалов обусловлено выгодным сочетанием и особенностями их электрических, магнитных и механических характеристик. Так, по сравнению с массивными ферромагнитными сплавами, магнитодиэлектрики имеют более высокое удельное электросопротивление, низкие потери на вихревые токи, повышенные механические свойства (твердость, износостойкость) [1].
Существующие способы изготовления магнитодиэлектриков сводятся к получению исходного порошка заданной формы и дисперсности, его последующей обработке, приготовлению смеси с каким-либо связующим компонентом (эпоксидные и формальде-гидные смолы, полистирол, резина) и формованию. Свойства полученных таким образом изделий определяются не только выбором исходного ферромагнитного сплава, но и микроструктурой материала,
наличием пор, трещин, окисных пленок на поверхности частиц и их анизотропией.
В настоящее время особое внимание уделяется исследованию технологии изготовления и свойствам магнитодиэлектриков, изготовленных из порошков и лент аморфных сплавов. В сравнении с традиционными промышленными образцами магнитодиэлектрики на основе аморфных сплавов обладают более высокими магнитными характеристиками (М, ц0, Нс), меньшими потерями на перемагничивание, повышенной рабочей частотой и лучшей коррозионной стойкостью. Однако присутствие в магнитодиэлектриках органической связки и ее старение в процессе эксплуатации, особенно при вибрациях, повышенных температурах и радиационном воздействии, приводит к ухудшению их эксплуатационных характеристик, снижению надежности и ограничению области применения.
Устранить указанные недостатки и более полно использовать свойства исходных аморфных сплавов можно путем применения технологии плазменного напыления. Так, напыление магнитодиэлектриков с последовательным чередованием магнитных и диэлектрических слоев либо напыление из композиций магнитных и диэлектрических (например, керамики Л120з) материалов должно обеспечить необходимое сочетание магнитных и электрических характеристик при высокой механической прочности.
Для повышения плотности и однородности плазмонапыленного покрытия авторами разработан способ плазменного напыления [2; 3], схема которого представлена на рис. 1.
V
Рис. 1. Схема процесса формирования слоя магнитодиэлектрика
Основой способа является специально разработанная оригинальная конструкция плазмотрона 1 [4] с газодинамическим соплом, сформированным кольцевым каналом у среза сопла-анода. При подаче технологического газа - водорода - в кольцевой канал формируется высокотемпературный цилиндрический поток 2, охватывающий плазменную струю. В результате их взаимодействия температура и скорость расплавляемых частиц выравнивается по сечению плазменной струи.
Напыление покрытия 3 осуществлялось на плоскую подложку 4, выполненную из алюминиевого сплава АМг6 толщиной 2 мм, охлаждаемую снизу водой, установленную на дистанции Ь от среза сопла плазмотрона. Порошок транспортирующим газом гелием подавался в плазмотрон, нагревался в плазменной струе 5 до температуры плавления и со скоростью, близкой к скорости плазменной струи (~300 м/с), переносился к поверхности подложки. При этом расходы плазмообразующего и транспортирующих
газов выбирались из условия стабильной работы плазмотрона и максимального коэффициента использования порошка.
Напыление осуществляется сканированием плазменной струей по поверхности напыляемой детали за счет возвратно-поступательного движения плазмотрона со скоростью V и смещением подложки на шаг сканирования £.
Рассмотрим электрические и магнитные свойства магнитодиэлектриков с различной степенью ферромагнитного заполнения и разной пористостью [5].
Исследуемые образцы вырезались из отделенных от охлаждаемой основы покрытий.
Компонентами композиции магнитодиэлектрика являлись порошки аморфного сплава Со58М110Ре5Б168111 и электрокорунда Л1203. Выбор соединения Л1203 в качестве диэлектрика определялся тем, что, с одной стороны, этот материал имеет высокие диэлектрические параметры, а с другой - характеризуется известной картиной рентгеновской дифракции, что облегчает анализ структурного и фазового состояния синтезированных образцов.
Величина удельного электросопротивления образцов определялась по данным измерений, проведенных с использованием четырехзондовой методики [6]. Конечные результаты электрических измерений записывались в сравнении с удельным электросопротивлением исходной аморфной ленты, величина которого составила р0 = 1,4-Ю-6 Ом м.
Рентгеноструктурные исследования полученных образцов показали, что они являются многофазными наряду с характерным для аморфного сплава гало
с 2©шах1 ~ 45° и 2©шах2 ~ 80°.
Зависимость относительного электросопротивления р/р0 от пористости синтезированных аморфных покрытий приведена на рис. 2. Видно, что величина удельного электросопротивления р с увеличением пористости покрытий возрастает и превышает аналогичное значение р0 для ленты при Р = 17 % более чем в 50 раз.
■р/р» - ^ • Д %
1 1 1
О 5 10 15 20
Рис. 2. Относительное изменение удельного электросопротивления р/р0 образцов с различной пористостью: х - с дисперсностью порошка 60.. .100 мкм; о - с дисперсностью менее 40 мкм
а б
Рис. 3. Микрошлиф покрытия: а - 8 % А1203, увеличение *650; б - 40 % А1203, увеличение *650
Поскольку напыленное покрытие представляет собой слоистую систему с деформированными частицами аморфного сплава, порами и межчастичными прослойками (рис. 3), то естественно связать наблюдаемое повышение удельного электросопротивления исследуемых образцов с их микроструктурой. Очевидно, что основное влияние на электрические характеристики, особенно при малой пористости Р, оказывают узкие щелевые поры между поверхностями частиц и окисные межчастичные границы. С возрастанием роли этих факторов можно связать и наблюдаемое повышение удельного электросопротивления покрытий при уменьшении дисперсности напыляемых порошков.
Характерной особенностью исследуемых образцов являлась анизотропия их электрических свойств. Удельные электросопротивления образцов вдоль плоскости напыления и нормально к ней отличаются в среднем в 2-2,5 раза. С увеличением пористости эта разница уменьшается и при Р > 10 % практически полностью исчезает. Анизотропию электрических свойств можно объяснить наличием в напыленных образцах текстуры.
Влияние диэлектрических добавок Л1203 на величину удельного электросопротивления композиций «аморфный ферромагнетик - диэлектрик» показано на рис. 4.
Видно, что эта зависимость является нелинейной и характеризуется резким возрастанием отношения р/р0 при содержании Л1203 большем 20-25 %. Дальнейшее повышение весовой доли Л1203 до 50 % приводит к увеличению удельного электросопротивления магни-тодиэлектрика почти на пять порядков.
При одинаковом ферромагнитном заполнении удельная электропроводимость пористых образцов оказалась выше, чем у композиционных (рис. 2, 4). Кроме того, диэлектрические добавки Л1203, вплоть до 10 %, оказывают слабое влияние на величину р/р0. Это можно связать с особенностями микроструктуры
напыленных магнитодиэлектриков, в которых диэлектрические добавки присутствуют в виде частиц и не рассредоточены по межчастичным границам (см. рис. 3).
О Ю 20 30 40 50
Рис. 4. Относительное изменение удельного электросопротивления магнитодиэлектрика в зависимости от весовой доли Л1203
В работе [7] обсуждалось влияние ферромагнитного заполнения на некоторые магнитные свойства магнитодиэлектриков, в частности, на величину магнитной проницаемости и коэрцитивной силы. Рассмотрим характер изменения основных магнитных параметров материала, таких как намагниченность насыщения Ыц, постоянная обменного взаимодействия а, температура Кюри Тс. Зависимости указанных величин от содержания в исследуемых образцах диэлектрической фазы Л1203 приведены на рис. 5. Как и следовало ожидать, намагниченность насыщения М8 с увеличением доли диэлектрика уменьшалась практически линейно и составила 238 Гс при 50 % Л1203. В то же время намагниченность, отнесенная к единице массы аморфного ферромагнетика, оставалась постоянной (кривая В), что указывает на неизменность его химического состава при плазменном напылении.
Что касается постоянной обменного взаимодействия а и температуры Кюри Тс, то влияния на их значения добавок Л1203 в рассматриваемой области концентраций обнаружено не было. Это свидетельствует о том, что в процессе изготовления магнитодиэлек-трика изменений ближнего порядка ферромагнитной фазы не происходит.
Ход кривых удельного электросопротивления р и намагниченности насыщения Ы,^ напыленных магни-тодиэлектриков в зависимости от содержания Л1203 совершенно различен (см. рис. 4, 5). Это дает возможность определить такие концентрации диэлектрика, при которых достигается необходимое сочетание магнитных и электрических характеристик. Так, например, при концентрации Л1203, равной 40 %, намагниченность насыщения уменьшается в 1,5 раза, в то время как удельное электросопротивление магни-тодиэлектрика возрастает более чем на три порядка.
120
110
100
К 1с
600( ^ 0 \ £
о -о
400
• 0 +
200 + Гс N
1 *—
С Ю 20 30 1(0 5С
Тс. к
535
530
525
520
Рис. 5. Зависимости намагниченности (- •), удельной намагниченности (- °), температуры Кюри Тс и спин-волновой жесткости В от весовой доли Л1203
Рис. 6. Частотная зависимость относительной магнитной проницаемости (Н ~ 1 А/м): а - исходная лента; б - напыленное покрытие; в - магнитоди-электрик
Значительный интерес для практического применения представляют магнитные спектры магнитоди-электриков. Частотные зависимости магнитной про-
ницаемости ленты, напыленного покрытия (пористостью 8 %) и магнитодиэлектрика (30 % Л1203), изготовленных из сплава Со58№10Ре5В1681ц, приведены на рис. 6.
По сравнению с исходной лентой, частотный спад магнитной проницаемости напыленных материалов существенно меньше. Это подтверждает принципиальную возможность изготовления методом плазменного напыления магнитодиэлектриков с повышенным диапазоном рабочих частот.
На основании полученных результатов исследований выявлены морфология плазмонапыленных покрытий магнитодтэлектриков, структура, магнитные и электрические свойства в зависимости от степени ферромагнитного заполнения и пористости.
Установлено следующее:
- напыленное покрытие представляет собой слоистую систему с деформированными частицами аморфного сплава, порами и межчастичными прослойками;
- величина удельного электросопротивления р с увеличением пористости покрытий возрастает и превышает аналогичное значение р0 для ленты при Р = 17 % более чем в 50 раз; удельные электросопротивления образцов вдоль плоскости напыления и нормально к ней отличаются в среднем в 2-2,5 раза;
- зависимость удельного электросопротивления композиций «аморфный ферромагнетик - диэлектрик» является нелинейной и характеризуется резким возрастанием отношения р/р0 при содержании Л1203 большем 20-25 %, повышение весовой доли Л1203 до 50 % приводит к увеличению удельного электросопротивления магнитодиэлектрика почти на пять порядков;
- при одинаковом ферромагнитном заполнении удельная электропроводимость пористых образцов выше, чем у композиционных;
- намагниченность насыщения М8 с увеличением доли диэлектрика уменьшается практически линейно и составляет 238 Гс при 50 % Л1203
- зависимости намагниченности насыщения и удельного электросопротивления при различной концентрации диэлектрика позволяют определить необходимое сочетание магнитных и электрических характеристик;
- частотный спад магнитной проницаемости напыленных материалов существенно меньше, чем у исходной ленты.
Данным методом можно изготавливать покрытия высокочастотных магнитных экранов на поверхностях сложной геометрической формы, а также сердечники и магнитопроводы.
Библиографические ссылки
1. Андриевский Р. А., Нуждин А. А. Аморфные и ультрадисперсные порошки и материалы на их основе // Итоги науки и техники / ВШИТИ. Серия «Порошковая металлургия». Т. 2. М., 1986. С. 3-64.
2. Пат. 2338004 Российская Федерация, МПК8 С23С 4/12. Способ получения массивного аморфного
материала / Саунин В. Н. № 2007106283/02 ; заявл. 19.02.2007 ; опубл. 10.11.2008, Бюл. № 31.
3. Формирование объемных магнитомягких материалов с нано- и аморфной структурой методом плазменного напыления / В. Н. Саунин, С. В. Телегин, В. И. Калита и др. // ФХОМ. 2011. № 1. С. 22-31.
4. Пат. 2276840 Российская Федерация, МПК7 НО5Н 1/26, С23С 4/00. Электродуговой плазмотрон Саунина / Саунин В. Н. ; патентообладатель СибГАУ им. М. Ф. Решетнева. № 2004120804/06 ; заявл. 07.07.2004 ; опубл. 20.05.2006, Бюл. № 14.
5. Саунин В. Н., Телегин С. В. Магнитные и электрические свойства магнитодиэлектриков // Теория и практика газотермического нанесения покрытий. Т. 1. Дмитров, 1992. С. 133-135. сосланных
6. Павлов Л. П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов : учебник для вузов. М. : Высш. шк., 1987.
7. Саунин В. Н., Лепешев А. А., Денисова Е. А. Магнитные свойства и структура массивных покрытий на основе Со, полученных плазменным напылением : препринт № 746 Ф. Красноярск : Ин-т физики СО РАН, 1993.
V. N. Saunin S. V. Telegin PLASMA-SPRAYED MAGNETIC DIELECTRIC
The paper presents the results of studies offormation of coatings on the basis of mechanical mixture of amorphous alloy powders Co5gNi10Fe5B16Sin and fused corundum Al2O3. Morphology is studied, X-ray analysis of coatings is made, electrical and magnetic properties of sputtered magnetic dielectrics with various degrees offerromagnetic filling and different porosity are considered.
Keywords: magnetic dielectric, plasma, dusting.
© Саунин В. Н., Телегин С. В., 2012
