Плазмодинамический синтез дисперсных оксидов железа с высоким содержанием эпсилон фазы в высокоскоростной струе электроразрядной плазмы

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………………………. 4
ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР …………………………………………………….. 9
1.1 Введение в проблему изучения оксидов железа и эпсилон фазы ……………. 9
1.2 Основные этапы исследований ε-Fe2O3 и перспективы развития ………….. 11
1.3 Основные способы синтеза фазы ε-Fe2O3 …………………………………………….. 15
1.4 Магнитные, магнитоэлектрические свойства и ферримагнитный резонанс
ε-Fe2O3……………………………………………………………………………………………………… 20
1.5 Выводы по обзору ………………………………………………………………………………. 23
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ……………….. 25
2.1 Экспериментальная высоковольтная установка для реализации
плазмодинамического синтеза ………………………………………………………………….. 25
2.2 Устройство и принцип действия КМПУ с железными электродами …….. 27
2.3 Методики оценки влияния параметров системы ПДС на характеристики
синтезируемых продуктов ………………………………………………………………………… 31
2.3.1 Изменение концентрации кислорода в КР ………………………………………… 31
2.3.2 Изменение энергетических параметров процесса ПДС ……………………… 32
2.3.3 Изменение длительности импульса электропитания …………………………. 32
2.3.4 Метод отсечки «хвостовой» части импульса тока …………………………….. 35
2.4 Сепарация дисперсных продуктов ПДС ………………………………………………. 36
2.4.1 Фракционное разделение в изопропиловом спирте …………………………… 37
2.4.2 Дифференциально-барическая сепарация …………………………………………. 37
2.5 Подготовка композитных образцов на основе порошков оксида железа
для измерения спектров поглощения электромагнитного излучения …………. 39
2.6 Методики аналитических исследований продуктов ПДС …………………….. 41
ГЛАВА 3. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ НА
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОДУКТОВ ПДС…………………………………………….. 42
3.1 Влияние энергетических параметров процесса на продукты ПДС ……….. 42
3.2 Влияние концентрации кислорода на фазовый состав и структуру
продуктов ПДС ………………………………………………………………………………………… 64
3.3 Влияние длительности импульса электропитания на характеристики
продуктов ПДС ………………………………………………………………………………………… 73
3.4 Предварительная сепарация продуктов ПДС дифференциально-
барическим методом ………………………………………………………………………………… 86
3.5 Исследование частотного режима работы КМПУ …………………………….. 91
3.6 Выводы по главе ……………………………………………………………………………… 99
ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛЬНОСТИ
СИНТЕЗИРУЕМЫХ ОКСИДОВ ЖЕЛЕЗА ………………………………………… 101
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ПОГЛОЩЕНИЯ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СИНТЕЗИРУЕМЫМИ
ОКСИДАМИ ЖЕЛЕЗА ………………………………………………………………………… 122
5.1 Исследования абсорбционных свойств полых сферических частиц
магнетита Fe3O4 ……………………………………………………………………………………… 122
5.1.1 Получение и пробоподготовка образцов …………………………………………. 123
5.1.2 Теоретические основы процессов поглощения ЭМИ ………………………. 126
5.1.3 Результаты измерений спектров потерь на отражение …………………….. 128
5.2 Исследования абсорбционных свойств ультрадисперсной фракции с
преимущественным содержанием частиц эпсилон фазы ε-Fe2O3 ……………… 134
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………………………. 137
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ……………………………………………………………………. 139
ПРИЛОЖЕНИЯ …………………………………………………………………………………… 154

В соответствии с целью и задачами диссертационной работы
проведены экспериментальные исследования и разработаны научно-
технические основы метода синтеза и получения дисперсных оксидов железа
с высоким содержанием эпсилон фазы в сверхзвуковой струе
железосодержащей электроразрядной плазмы, генерируемой
высоковольтным сильноточным коаксиальным магнитоплазменным
ускорителем. В ходе выполнения работы получены следующие результаты:
1. Разработана система на основе импульсного высоковольтного
сильноточного коаксиального магнитоплазменного ускорителя с железными
электродами, обеспечивающая реализацию прямого плазмодинамического
синтеза и получение гетерофазного продукта, состоящего из уникальной
нанокристаллической фазы ε-Fe2O3, магнетита Fe3O4 и гематита α-Fe2O3.
2. Разработаны схемные решения и установлены основные
закономерности влияния режимных и энергетических параметров
импульсного электропитания КМПУ на фазовый и гранулометрический
состав продукта синтеза.
3. Определены граничные условия и параметры системы (зарядная
энергия – не менее 60 кДж, емкость накопителя – не менее 14,4 мФ,
концентрация кислорода – не менее 80% при давлении 105 Па),
обеспечивающие получение порошкообразных продуктов с
преимущественным содержанием эпсилон фазы оксида железа (более
50 масс. %). Выход фазы ε-Fe2O3 более 90 масс. % обеспечивается
применением метода дифференциально-барической сепарации либо при
введении в цепь разряда дополнительной индуктивности, либо при
реализации «частотного» режима работы КМПУ.
4. Продукты плазмодинамического синтеза в виде полых
сферических объектов могут быть использованы при изготовлении
радиопоглощающих покрытий. Установлено, что гранулометрический состав
частиц синтезированного порошка непосредственно влияет на положение
максимума поглощения электромагнитного излучения. Полые сферические
частицы с широким распределением по размерам, характеризуется зоной
эффективного поглощения (менее -10 дБ), шириной около 12 ГГц.
Ультрадисперсная фракция с преобладанием ε-Fe2O3 имеет максимум
поглощения на частоте 130 ГГц.
5. Установлено, что фазовый состав продуктов
плазмодинамического синтеза стабилен в температурном ходе до 500 °С,
после чего начинаются фазовые превращения магнетита Fe3O4 и при 700 °С
фазы ε-Fe2O3 в гематит α-Fe2O3. Благодаря уникальному полому
сферическому строению частиц в структуре оболочки удается сохранять
магнетит до 900 °С.

Автор выражает признательность и благодарность своему научному
руководителю проф. ОЭЭ ИШЭ ТПУ, д.т.н. Александру Анатольевичу
Сивкову.