К.т.н. Денисенко А.И.

Национальная металлургическая академия Украины

К МЕХАНИЗМУ СТАБИЛИЗАЦИИ СЛОЯ МЕТАЛЛОКОМПОЗИТА ПРИ ИНЖЕКЦИОННОМ МЕТОДЕ ФОРМИРОВАНИЯ

В последние годы усиливается интерес к разработкам в области литиевых источников тока [1]. Одна из основных задач в технологии литиевых аккумуляторов – поиск новых, дешевых, экологически безопасных катодных материалов, обладающих стабильными структурой и характеристиками при большом числе циклов зарядки-разрядки. Вариантом решения такой проблемы является использование природных и искусственных минералов, в том числе литий-марганцевой шпинели LiMn₂O₄ [2].

Прогресс в области улучшения технологических и электрохимических характеристик композитных функциональных материалов для катодов может быть достигнут с применением принципиально новых технологий синтеза металлокомпозитных электродных структур, основанных на инжекции двухфазными струями частиц дисперсной фазы из литированых оксидов металлов в приповерхностный слой проводника [3].

Для исследований применялась компьютеризированная установка, включающая: сверхзвуковое сопло, предназначенное для разгона микрочастиц; нагреватель для управления температурой рабочего газа и, как следствие, частиц и подложки; дозатор порошка, подаваемого в сопло; камера напыления с размещенной внутри нее перед срезом сопла напыляемой подложкой из алюминия [4,5].

Отличительной особенностью приповерхностного слоя, формируемого ударным инжектированием частиц марганцево-литиевой шпинели в алюминий, является его структурная трехкомпонентность. Три компоненты формируемого таким образом прироверхностного слоя металлокомпозита – алюминий, марганцево-литиевая шпинель и воздух, заполняющий поры, – характе-ризуются существенно различающимися физическими параметрами, например, плотностью, тепло- и электропроводностью [3].

Предположим, что поверхность, формируемая в процессе ситнеза слоя металлокомпозита методом инжекциии частиц дисперсной фазы из оксидов металлов в приповерхностный слой проводника, являясь с некоторого момента процесса итоговой с точки зрения увеличения тощины слоя материала, содержит в себе сформированное тем же процессом свойство, способствующее защите слоя металлокомпозита от дальнейшего наращивания толщины при тех же самых условиях, в которых он сформирован.

Рассмотрим характерные динамические особенности процесса синтеза слоя металлокомпозита, которые могли бы способствовать стабилизации толщины этого слоя, исходя из предположения, что на поверхности, защищающей металлокомпозит от дальнейшего увеличения толщины слоя, формируются благоприятные условия для отрыва и уноса попадающих на нее частиц или образующихся с их участием агломератов – фрагментов поверхности.

При ударах инжектируемых частиц в разные места подложки формируются механические импульсы, распространяющиеся в толще и по поверхности подложки во всех направлениях [4]. Также происходят локальные разогревы в местах соударений, приводящие как к импульсному во времени оплавлению части алюминия, так и к более медленному разогреву толщи образца за счет теплоотвода от мест соударений.

На фоне механических колебаний поверхности и толщи формируемого слоя на поверхность воздействуют касательные к ней усилия со стороны транспортирующего инжектируемые частицы газа при его вытеснении. К примеру (из [7]): «профиль скорости в пристеночной струе, натекающей на “вторичную” преграду можно принять аналогичным профилю скорости в свободной осесимметричной струе, поскольку толщина пристенного газодинамического пограничного слоя весьма незначительна и максимум скорости в пристеночной полуограниченной струе располагается практически вдоль поверхности “первичной” преграды». В этом случае вязкость воздуха является основной причиной, которая приводит к отрыву фрагментов поверхности усилиями, касательными к поверхности, формируемыми приповерхностным градиентом скорости вытесняемого вдоль нее потока газа.

Рассмотрим особенности взаимодействия налетающей частицы с исходной поверхностью алюминия и с поверхностью слоя металлокомпозита в процессе формирования.

Если налетающие частицы взаимодействуют с исходной поверхностью алюминия, то контакт такой частицы, ударившейся в поверхность и прикрепившейся к алюминию, с достаточно высокой вероятностью сплошной по периметру. На более поздних этапах формирования слоя подлетающие частицы взаимодействуют уже с формируемой пористой средой. В этом случае образование сплошности контакта частицы по периметру затруднено наличием в слое пор и ранее закрепленных частиц дисперсной фазы. Крепление частицы в этом случае может быть смоделировано набором “мостиков”, связывающих частицу или фрагмент поверхности с трехкомпонентной подложкой. Вследствие динамической концентрации механических напряжений на отдельных cвязующих “мостиках” они могут поодиночке разрушаться, запуская и поддерживая процесс накапливания таких оборванных связей вплоть до того, что фрагмент поверхности оказывается недостаточно прочно закреплен относительно постоянно действующих сдвигающих тангенциальных усилий налетающего и движущегося вдоль поверхности потока газа, транспортирующего дисперсную фазу к формируемому слою. Этот механизм приводит к существенному снижению прочности крепления частиц (или фрагментов поверхности) к пористому слою металлокомпозита относительно крепления первых частиц, подлетающих непосредственно к алюминиевой подложке.

Анализ физического механизма стабилизации слоя металлокомпозита при инжекционном методе формирования может быть эффективно использован при разработке способов преодоления этого ограничения

Литература

1. Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики: Материалы VI Междунар. конф./Под ред. И.А. Казаринова. – Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2005. – 568 с.

2. Дубасова В.С., Махонина Е.В.  и др. Исследование поведения литий –марганцевых шпинелей в качестве материала литий – ионных аккумуляторов // Электрохимическая энергетика, 2(3), ст. 111-115 (2002).

3. Денисенко А.И. К оценке эффективности металлокомпозитного катодного материала по плотности // Матеріали I Міжнародної науково-практичної конференції “Наука: Теорія та практика – ‘2006”. Т3. – Дніпропетровськ: Наука і освіта, 2006. – С.3-5.

4. Денисенко А.И. Мезоскопический аспект структурной инженерии металло-композитного катода // Материалы I Международной научно-практической конференции “Новости научной мысли – ‘2006”. Т.5. Технические науки. – Днепропетровск: Наука и образование, 2006. – С. 3-5.

5. Денисенко А.И., Калинушкин Е.П. Автоматическое управление программно-аппаратным комплексом для синтеза наноструктур // Зб. праць ХIII Міжнародної науково-технічної конференції з автоматичного управління (Автоматика-2006). – Вінниця, УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2006. – С.190.

6. Чертов М.А., Смолин А.Ю., Сапожников Г.А., Псахье С.Г. Влияние поверх-ностных волн на взаимодействие налетающих частиц с поверхностью материала // Письма в ЖТФ. – 2004. – Т.30.–В.23. – С. 77-84.

7. Гичёв Ю.А., Перцевой В.А. Сравнение инженерной модели с численным методом определения запирающих свойств газовой струи // Зб. праць науково-технічної конференції “Прикладні проблеми аерогідромеханіки та тепло-массопереносу”. – Дніпропетровськ: ДНУ, 2006. – С.34-35.