Технические науки/1. Металлургия

К.т.н. Денисенко А.И., Чигиринский Р.Ю.

Национальная металлургическая академия Украины

О ДИСПЕРСНОСТИ СИСТЕМЫ Mn-O МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНОГО ЭЛЕКТРОДА ПРИ ИНЖЕКЦИОННОМ МЕТОДЕ ЕГО СИНТЕЗА

Порошковые материалы на основе системы Mn-O перспективны [1] для применения в качестве электрохимически активных компонент электродов источников энергии современных электронных портативных устройств.

Известно [2, 3], что процесс синтеза металлокомпозитного слоя электрода с применением инжекционного метода включает этап транспортировки порции электрохимически активного (преимущественно оксидного) порошка потоком газа к сверхзвуковому соплу, этап разгона в сопле двухфазной струи, состоящей из газа и микрочастиц порошка, а также этап ударного торможения дисперсной фазы на подложке. Микрочастицы, разогнанные до сверхзвуковых скоростей, при соударении с подложкой внедряются в нее, формируя приповерхностную металлокомпозитную структуру [2].

Для инжекции в подложку (алюминиевая фольга толщиной 30 мкм) применялась порошковая смесь, включающая по массе 3% алюминиевого порошка (ПА-4) и 97% порошка MnO₂. Исходные компоненты – порошок MnO₂ (см. рис. 1 а) c размерами микрочастиц от 4 до 35 мкм и алюминиевый порошок c размерами частиц 13 – 13,45 мкм. Размер частиц смеси составлял в среднем 15 мкм. В связи с тем, что микрочастицы исходных порошков имели шаровидную форму и приблизительно равные размеры, визуально микрочастицы MnO₂ и микрочастицы алюминия в смеси не идентифицировались.

Сравнивалась дисперсность микрочастиц на поверхности синтезированного инжекционным методом металлокомпозитного слоя с дисперсностью исходных материалов. С этой целью исследовались электронные микрофотографии (см. рис. 1), полученные на растровом электронном микроскопе JSM-35 фирмы JEOL (Япония) в режиме работы с эмиссией вторичных электронов (ускоряющее напряжение 25 кВ).

a б

Рис.1. Электронные микрофотографии (×1000) а – исходного порошка MnO₂;

б – сформированной с применением инжекционного метода поверхности металлокомпозитного электрода.

В структуре поверхности металлокомпозитного электрода, сформированной с применением инжекционного метода (рис. 1 б), визуально наблюдается значительное количественное преобладание микрочастиц с размером, близким к 1 мкм (рис. 3, а). Такие микрочастицы распределены по площади подложки преимущественно равномерно. На микрофотографии также наблюдаются слипшиеся микрочастицы и лунки, сформированные, вероятно, ударами по подложке крупных микрочастиц размером от 20 до 40 мкм. На дне крупных лунок различимы трещины (рис. 1 б).

Из сопоставления изображений микрочастиц на электронных микрофотографиях (см. рис. 1) исходного порошка и сформированной с применением инжекционного метода поверхности металлокомпозитного электрода следует, что процесс инжекции порошковой смеси в подложку сопровождается значительной трансформацией дисперсности в направлении измельчения микрочастиц (уменьшения среднего размера в 10-20 раз).

Кроме дробления микрочастиц оксидного порошка в процессе ударного торможения непосредственно подложкой, одной из вероятных причин наблюдаемого различия дисперсности исходного порошка и совокупности микрочастиц на сформированной с применением инжекционного метода поверхности металлокомпозитного электрода может быть рассмотренное ранее [4, 5] взаимодействие динамической структуры в виде приповерхностного слоя микрочастиц, еще не покинувших после ударного столкновения зону действия высокоскоростной двухфазной струи на поверхность подложки, с разогнанными и транспортируемыми этой струей оксидными микрочастицами.

Массовые соударения оксидных микрочастиц, налетающих на экранирующее “облако”, формируемое над поверхностью мишени отскакивающими от нее микрочастицами, с большой долей вероятности также сопровождаются их дроблением [6].

Дальнейшие исследования методами структурной металлографии сформированной с применением инжекции электрохимически активных оксидных микрочастиц в приповерхностный слой электродного токосъемника металлокомпозитной структуры, по мнению авторов, позволят уточнить, что с подавляющим преимуществом закрепляются на поверхности подложки не устремляемые к ней микрочастицы исходных порошковых материалов, а образуемые при ударных взаимодействиях вблизи поверхности осколки этих микрочастиц.

Литература

1. M. Suganthaa, P. A. Ramakrishnana, A. M. Hermann, C. P Warmsinghb and D. S. Ginleyb. Nanostructured MnO2 for Li batteries // International Journal of Hydrogen Energy, Volume 28,Issue 6, June 2003 - Pages 597-600.

2. Денисенко А.И., Калинушкин Е.П. Система автоматизации установки инжекционного формирования металлокомпозита // Матеріали ХIV Міжнародної конференції з автоматичного управління (Автоматика-2007).–Ч.1.– Cевастополь.–2007.– С.136-138.

3. Денисенко А.И., Калинушкин Е.П. Автоматическое управление программно-аппаратным комплексом для синтеза наноструктур // Матеріали ХIII Міжна-родної науково-технічної конференції з автоматич-ного управління (Автоматика-2006). –УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2007. – С.186-189.

4. Денисенко А.И. О приповерхностном слое частиц в инжекционной технологии синтеза / Сучасні проблеми металургії. Наукові праці. Том 9. – Дніпропетровськ: «Системні технології», 2006. – С. 71–81.

5. Денисенко А.И. О влиянии на инжекцию в металлокомпозит катода приповерхностного слоя оксидных частиц / Теория и практика металлургии.– 2008. – № 2.– С. 79-83.

6. Денисенко А.И. К оптимизации инжекционного метода формирования металлокомпозитного электрода // Материалы I Международной научно-практической конференции "Научное пространство Европы – 2007”. – Т.10. Технические науки. – Днепропетровск: Наука и образование, 2007.– С. 22-25.