Автор: А. С. ДМИТРИЕВ, В. Б. АНКУДИНОВ

Доктор технических наук А. С. ДМИТРИЕВ, директор Центра высоких технологий, кандидат технических наук; В. Б. АНКУДИНОВ, ведущий научный сотрудник того же Центра

Фундаментальные исследования, как правило, переходят в прикладные. В результате рождаются высокие технологии, имеющие необычайно широкий спектр применения. К таковым относится использование монодисперсных систем, основанных на получении и "эксплуатации" идентичных по ряду параметров субмиллиметровых микрогранул и микросфер.

Это научное направление имеет более чем полуторавековую историю. Еще в 1833 г. французский физик Ф. Савар занялся изучением капиллярных струй воды, истекающей в разных направлениях через тонкие трубки и отверстия в пластинах. В ходе опытов ученый заметил, что сначала они имеют сплошной характер, затем в них появляются перетяжки и, наконец, вода "разбивается" на капли разной величины, падающие нерегулярно и имеющие небольшой угол разброса. Продолжая исследования, Савар установил: длина нераспавшейся части струи, величина и разброс капель в основном зависят от начальных возмущений - вибрации водосодержащей емкости, турбулентных завихрений, появляющихся от неровной поверхности сопла, а также различных внешних акустических воздействий (их называют еще шумами).

Что привело ученого к этой мысли неизвестно, но в дальнейших опытах он соединил контейнер, содержащий жидкость, и емкость, в которую она попадает (капает), медной проволокой, тем самым установив обратную связь. Результат оказался впечатляющим. Капли начали падать регулярно и без разброса, причем все они оказались практически одного и того же размера. Мало того, Савар выявил, что частотой распада истекающей воды можно управлять, тем самым открыв способ генерации регулярного потока капель (его и сегодня называют методом вынужденного капиллярного распада струй). При этом ликвидируют ее капли - сателлиты, имеющие иной размер и другое направление движения.

Открытие французского ученого, как это зачастую бывает, сразу востребовано не было. О нем вспомнили лет двадцать назад. В результате стало развиваться интересное и очень важное научное направление - монодисперсные системы и технологии, имеющие прикладное значение. Сейчас специалисты уже манипулируют не только с водой, но

стр. 44

Рисунок (слева) из работы Савара, в которой он впервые описал образование перетяжек при распаде струи, и качественная схема (справа) наложения регулярных возмущений на струю: a - нерегулярный распад; b - вынужденный капиллярный распад с положительной обратной связью для генерации распада на капли близких размеров.

стр. 45

производят капли и твердые гранулы из самого широкого набора веществ - растворов, полимеров, металлов, сплавов, керамики и др.

Возможности новой технологии весьма велики. Она позволяет получать одинаковые частицы с малым отклонением в диаметре (менее 1%), формировать упорядоченные в пространстве и времени капельные структуры, движущиеся в различных средах с заданными скоростями. Причем разброс миллионов капель по последнему показателю не будет превышать 0,1%, а угловой составит менее 10 ^-4 радиан.

Приведем основные параметры, характеризующие монодисперсные системы и определяющие, правда, не полно, круг их применения. Размеры получаемых микрочастиц колеблются в пределах от 10 до 1000 мкм, их относительная дисперсия составляет 0,1 - 1,0%. Отклонение от сферичности не превышает 0,5%. Скорости же микрогранул в потоке могут принимать значения от 3,0 до 70,0 м/с, с дисперсией - 10 ^-5 - 10 ^-3 %. Производительность новых технологий очень высока и составляет 10 ⁴ - 10 ⁶ частиц/с, причем в достаточно широком диапазоне температур - от 14 до 1500 К.

Большая востребованность и перспективы данных систем объясняются еще и тем, что микрогранулы получают из многих сред. К ним относятся: вода, металл, битум, полимеры, мед, парафин и т.д. Кроме того, используемые субстанции могут иметь относительно высокое поверхностное натяжение и низкую вязкость. Допускается также наличие в них механических включений размером не более 3,0 мкм. Перечислим их. Это - водные и неводные растворы, различные расплавы и металлы, стекло, многокомпонентная керамика, полимеры, биоактивные вещества, витамины, лекарственные препараты и др.

Какими же возможностями обладают монодисперсные системы, кроме выработки микрогранул? Конечно, всех мы еще не знаем. Приведем лишь некоторые, уже используемые. Это - нанесение на микрочастицы поверхностных слоев с иными качествами, создание пористых и композитных капель и гранул, полу-

стр. 46

Концептуальная схема электрокаплеструйного принтера для печати металлическими каплями.

Фотографии муаровых арок (a), выполненных по электрокаплеструйной технологии на подложке каплями припоя размером около 375 мкм (площадь всей картины - около 1 мм) и двух синусоид, образованных каплями припоя на медной подложке (b).

чение тонкостенных оболочек и т.д. Обратим внимание на последние. Уже сегодня современная технология позволяет изготавливать полые микросферы диаметром от 300 до 1000 мкм с толщиной оболочки 20 - 50 мкм из различных материалов, о которых мы уже говорили. Подобные "шарики" можно наполнять различными компонентами (газами, жидкостями и др.), что дает возможность использовать их в качестве микроконтейнеров для хранения и транспортировки разнообразных веществ, в том числе токсичных и химически активных. И еще. Поскольку толщина оболочки подобной микрогранулы весьма мала, то и дефектов у нее очень мало, что ведет к значительному повышению прочности изделия. Наконец, последнее свойство, которое мы хотели бы выделить, - возможность нанесения на микросферы электрического заряда, что позволяет управлять их потоком в пространстве.

Следует отметить и такой факт. Как только ученые научились получать микрогранулы с описанными свойствами, так они сразу стали востребованными в ряде отраслей промышленности. В машиностроении, приборостроении, криогенной технике и т.д. требуются сферические монодисперсные капли из металлов и сплавов размером от 10 до 1000 мкм, но производить их стало проблемой, вернее, даже двумя. Дело в том, что когда мы говорим о металлах, речь в основном идет о редкоземельных (эрбий, гольмий и др.), а они имеют очень высокую температуру плавления (свыше 1000С), при которой активно проходят физико-химические процессы взаимодействия с присутствующими другими металлическими примесями. Причем это наблюдается как в камере разогрева (тигле), так и при формировании тонкой струи, истекающей через малые отверстия (фильеры). Избавиться от такого негативного явления мы смогли, применив для изготовления этих тиглей и фильер тугоплавкие металлы, в частности, молибден.

Вторая проблема состояла в том, что частицы, получаемые при вынужденном капиллярном распаде тонких струй жидкой субстанции, быстро окисляются в кислородсодержащей среде. Поэтому пришлось сконструировать специальные камеры, в которых создается вакуум или находится инертный газ. Таким образом, мы смогли наладить устойчивый процесс получения монодисперсных капель металлов и сплавов. Пролетая камеру, они оказываются в

стр. 47

Схема изготовления изделий на базе 30-принтерной монодисперсной технологии.

зоне быстрого охлаждения, например, в контейнере с жидким азотом, и превращаются здесь в твердые гранулы. Эти камеры, изготовленные из соответствующих сплавов (эрбий с никелем, гольмий с медью и др.), широко применяют в так называемых регенеративных теплообменниках криогенных газовых машин (проще говоря, холодильниках), понижающих внутреннюю температуру вплоть до 2 К. Подобные решения могут быть востребованы в электронике, медицине (в томографах) и других сферах.

Работая в данном направлении, мы создали ряд установок, реализующих криомонодисперсные технологии. Последняя из них состоит из 5 блоков, причем каждый выполняет конкретные функции. В первом происходит подготовка жидкости методами химической обработки. Для этого вещество, которое мы хотим превратить в монодисперсные микрокапли, растворяют в специальных компонентах. Речь идет о материалах с высокой температурой плавления - различного рода керамика, химически активные или токсичные вещества. Далее полученная субстанция поступает во второй блок, где формируется капиллярная струя вещества и генерируются жидкие капли. Их направляют в камеру предварительного охлаждения (3-й блок). Здесь они значительно теряют свою температуру и на их поверхности появляется тонкая твердая оболочка, после чего микросферы попадают в 4-й блок, где окончательно охлаждаются (имеется в виду контейнер с жидким азотом). И наконец, наступает время вакуумной сублимационной сушки (5-й блок). Тут из микросфер удаляют компоненты растворителя, и требуемый продукт готов.

На основе криомонодисперсных технологий сегодня получены уникальные порошки для многокомпонентной керамики, в том числе сложные пьезокерамические и магнитокерамические вещества, чистые металлы и сплавы, причем результат достигается без нагрева, при комнатной температуре. В итоге удалось разработать способ изготовления и получить монодисперсное гранулированное ядерное топливо на основе диоксида урана.

Однако вернемся к металлическим каплям и рассмотрим несколько примеров их практического применения. Как отмечалось выше, они способны нести на себе некий электрозаряд. Это обстоятельство позволяет управлять полетом заряженных микрогранул электрическими полями, что важно для многих производств. Скажем, потоки капель припоя, с помощью внешнего воздействия, могут быть использованы при автоматизированной пайке. Кроме того, по той же технологии по заданной программе на поверхность разных подложек наносят проводящий рельеф из припоя, а учитывая, что размер капли очень мал - всего 375 мкм, легко получать сверхминиатюрные "картины". Подобные технологии у нас в стране успешно разрабатывают специалисты Московского энергетического института и Института теплофизики CO РАН.

Другим направлением использования управляемых потоков монодисперсных металлических капель является разработка перспективной безлитьевой технологии изготовления изделий сложной формы. В качестве примера приведем одну из выполненных схем данного метода. Главная роль здесь принадлежит подвижной управляемой подложке, связанной с компьютером. Процесс получения нужного изделия заключается в том, что поток капель жидкого металла устремлен вертикально вниз, к этой подложке, которая движется в нужных направлениях, в том числе по кругу, согласно программе, заложенной в компьютере. В результате на ее поверхности формируется заданное изделие, причем иногда совершенно фантастической конфигурации.

Словом, возможности монодисперсных технологий и области их применения чрезвычайно широки - космос, атомная энергетика, медицина, сельское хозяйство, химическая и пищевая промышленность и др. Возьмем лишь последнюю нашу промышленную разработку, использующую комплекс технологий, включая монодисперсную и криогенную. Это - уникальный метод очистки поверхностей различных объектов от загрязнений,

стр. 48

ржавчины, нефтепродуктов и т.п., получивший условное название "градоструйный". Основная его идея - монодисперсные, одинакового размера (300 мкм), глубокозамороженные, микросферические гранулы льда, разогнанные до высоких скоростей охлажденным сухим воздухом.

Все осуществляется следующим образом. Сначала исходная вода проходит фильтр грубой очистки и поступает в генератор, вырабатывающий монодисперсные капли. Они подхватываются потоком холодного воздуха (он охлаждается в специальном холодильнике до -70 - 80 ^o С) и замораживаются в нем, превращаясь в ледяные гранулы. После этого последние разгоняются до высоких скоростей в блоке газодинамического ускорителя и направляются на очищаемую поверхность.

Результаты превзошли все ожидания. Помимо того, что данный метод позволяет получить практически идеальной чистоты объект, он еще обеспечивает экологическую чистоту работы установки (здесь используется только замороженная вода без примеси песка, металлических включений и различных твердых порошков). К другим его достоинствам относятся низкая себестоимость очистки единицы поверхности, удобство использования, в частности, возможность создания мобильных систем. Кроме того, при высокой эффективности он отличается "мягким" воздействием на обрабатываемую поверхность, не образуя на ней дефектов, повреждений и микротрещин.

Разработанный нами метод оригинален, не имеет аналогов в мире и содержит несколько ноу-хау. Он прошел технологическую апробацию в ходе очистки различных загрязнений от масел, фракций нефти и их компонентов, краски и ржавчины с металлических, пластиковых, керамических, бетонных, асфальтовых и других поверхностей, получив достойное признание специалистов. В целом же исследования и разработки в области монодисперсных систем и технологий высоко оценены российской и зарубежной научной общественностью. Об этом говорят следующие факты: в 1993 г. нам была присуждена Государственная премия РФ, а в 2001 г. - премия Правительства Российской Федерации. Кроме того, в Женеве в 1999 г. на 27-м Международном салоне новых технологий и в 2001 г. на юбилейном 50-м Всемирном салоне инноваций, научных разработок и новых технологий "Брюссель-Эврика-2001" наши работы были удостоены дипломов и серебряных медалей.

Иллюстрации А. Дмитриева.

Permanent link to this publication: