آموزش پیشرفتهآموزش نانو

انفجار الکتریکی سیم

تصویر زهرا علیرضایی زهرا علیرضاییاردیبهشت 19, 1402
0 71 خواندن این مطلب 8 دقیقه زمان میبرد

انفجار الکتریکی سیم (EEW: Electrical Explosion of Wire) روشی ساده و کم هزینه برای تولید نانوپودرها است. بسته به نوع ترکیب شیمیایی محیط کار در محفظه تخلیه، می‌توان نانوپودرهای کاربیدی (EEW در هیدروکربن) یا نانوپودرهای اکسیدی (EEW در محیط حاوی اکسیژن) تولید کرد. ترکیبات فازی نانوپودرهای تهیه‌شده با انفجار الکتریکی سیم‌های تنگستن و آلومینیوم در هیدروکربن‌های مایع و جامد و آب، و همچنین تأثیر پارامترهای الکتریکی و ویژگی‌های محیط واکنش بر فاز و ترکیب اندازه محصولات EEW مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته‌اند. در این مقاله با مبانی روش انفجار الکتریکی سیم، تاریخچه، پارامترهای موثر بر انجام فرایند، اجزای دستگاه و نحوه عملکرد و نیز کاربرد این روش در تولید نانوذرات آشنا می‌شویم.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر می‌باشد:
1. مقدمه
2. تاریخچه روش انفجار الکتریکی سیم
3. اجزای دستگاه و نحوه عملکرد
4 .کاربرد در تولید نانوذرات
5. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری
6. منابع و مراجع

1. مقدمه

نانوپودرها به دلیل خواص منحصر به فرد خود به عنوان مواد اولیه برای تولید سرامیک‌ها و کامپوزیت‌ها، فیلترها، مواد افزودنی روان‌کننده، برای حل مشکلات اکولوژیکی به عنوان کاتالیزور، جاذب و غیره به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از راه‌های تولید نانوپودر، انفجار الکتریکی سیم (EEW) است. روش انفجار الکتریکی سیم یکی از روش‌های سنتز بالا به پایین نانوذرات بوده که در آن تخریب انفجاری یک سیم فلزی تحت اثر جریان با چگالی زیاد (> 106 A/cm2) صورت می‌گیرد [1]. در روش انفجار الکتریکی سیم زمان انفجار 5-10 تا 8-10 ثانیه است. دما در لحظه انفجار می‌تواند به بیش از 104 کلوین و فشار به حدود 109 پاسکال برسد. مواد سازنده سیم مطابق با شرایط خاص به ذرات با اندازه نانو (در ابعاد 10 تا 100 نانومتر) تبدیل می‌شود. در انفجار الکتریکی سیم شرایط بسیار نامتعادل بوده و باعث بروز برخی خواص غیرعادی نانوپودرها می‌شود.

شکل 1. دستگاه انفجار الکتریکی سیم

نانوپودرهای حاصل از انفجاری الکتریکی سیم معمولاً دارای شکل کروی بوده و در برابر اکسیداسیون و تف‌جوشی در دمای اتاق مقاوم هستند. میزان پراکندگی اندازه نانوپودرهای تولید شده یکی از مهم‌ترین پارامترهایی است که مشخصات فنی آن‌ها (دانسیته، سرعت جریان، زاویه شیب و موارد دیگر) و در نتیجه محدوده استفاده آن‌ها را تعیین می‌کند. پراکندگی اندازه و سایر خصوصیات نانوپودرها همگی به شرایط انفجار بستگی دارد. این شرایط شامل پارامترهای الکتریکی (انرژی مصرف شده توسط سیم قبل از انفجار، انرژی مرحله قوس، سرعت انرژی ورودی یا چگالی توان، ماهیت فلز سیم و هندسه آن (طول و قطر سیم)، ریزساختار و زیربنای فلزی سیم، خواص محیطی، فشار و نوع گاز، ورود گازهای فعال شیمیایی در گاز بی‌اثر نیز بر روی پراکندگی و سایر خواص نانوپودرها تاثیر دارند. یک مزیت مهم روش انفجار الکتریکی سیم قابلیت تنظیم خواص محصولات به دست آمده با استفاده از پارامترهای الکتریکی است. در این روش به دلیل گرم کردن مستقیم سیم توسط جریان الکتریکی بدون حامل‌های گرما و به دلیل سرعت گرمایش بالا (> 107 K/s) مصرف انرژی کم (< 10 kWh/kg) است که شرایط آدیاباتیک انتقال انرژی به سیم را فراهم می‌کند. در ترمودینامیک، آدیاباتیک یا بی‌دررو به فرآیندی اطلاق می‌شود که در آن انتقال حرارت و جرم بین سیستم ترمودینامیکی و محیط اطراف وجود نداشته باشد. بازده تولید نانوپودرهای بر پایه آلومینیوم 50 گرم در ساعت و بر پایه تنگستن 300 گرم در ساعت است. در عین حال تولید نانوپودرها با استفاده از این روش از نظر زیست‌محیطی بی‌خطر است؛ فرآیند تولید نانوپودر در محفظه بسته انجام می‌شود و هیچ انتشاری به محیط بیرون وجود ندارد. شماتیک ساده‌ای از مراحل این روش را می‌توانید در شکل۱ مشاهده کنید.

شکل 2. نمای کلی مراحل روش انفجار الکتریکی سیم [2]

2. تاریخچه روش انفجار الکتریکی سیم

یکی از اولین موارد مستند استفاده از جریان الکتریکی جهت ذوب فلزات در اواخر دهه 1700 رخ داد [3] و به مارتین ون ماروم که 70  فوت سیم فلزی را با 64 کوزه لیدن به عنوان خازن ذوب کرده است، تعلق دارد. ژنراتور ون ماروم در سال 1784 ساخته شد و هم اکنون در موزه‌ای در هلند واقع شده است. سال‌ها بعد، بنیامین فرانکلین برگ طلای نازک را تبخیر کرد تا تصاویر را روی کاغذ بسوزاند [4,5]. در حالی که نه ماروم و نه فرانکلین در واقع پدیده انفجار الکتریکی سیم را کشف نکردند، اما هر دو قدم مهمی برای کشف آن برداشتند.
ادوارد نیرن اولین کسی بود که به وجود روش انفجار الکتریکی سیم در سال 1774 با سیم نقره و مسی پی برد. پس از آن، مایکل فارادی از این روش برای رسوب فیلم‌های طلای نازک از طریق جامد سازی فلز تبخیر شده در سطوح مجاور استفاده کرد. بررسی طیف‌سنجی از این فرآیند، به رهبری اندرسون، در دهه 1900 گسترش یافت. انجام آزمایش‌های طیف سنجی سبب درک بهتر شده و متعاقباً اولین نگاه‌های کاربردی و عملی را فراهم می‌سازد. در اواسط قرن بیستم آزمایشاتی با انفجار الکتریکی سیم به عنوان روشی برای تولید منبع نور و تولید نانوذرات در سیم‌های آلومینیوم، اورانیوم و پلوتونیوم مشاهده شد. به طور همزمان، لوئیس آلوارز و لارنس جانستون از پروژه منهتن برای توسعه مواد منفجره هسته‌ای از روش انفجار الکتریکی سیم استفاده کردند [5,6].
تحقیقات امروزی بیشتر بر استفاده از این روش برای تولید نانوذرات و همچنین درک بهتر ویژگی‌های مکانیزم مانند اثرات محیط سیستم بر فرآیند متمرکز شده است.

3. اجزای دستگاه و نحوه عملکرد

طرح اصلی تاسیسات آزمایشی برای تولید پودرهای حاصل از روش انفجار الکتریکی سیم در شکل 2 نشان داده شده است. عملیات نصب به شرح زیر است:

شکل 3. نمای کلی از دستگاه و اجزای آن: ۱- منبع ولتاژ، ۲- خازن، ۳- تامین کننده سیم، ۴- سیم درحال انفجار، ۵- الکترود، ۶- سوئیچ، ۷- جمع کننده پودر، ۸- تهویه، ۹- محفظه انفجار. خازن(2) از منبع برق ولتاژ بالا(1) شارژ می ‌شود. مکانیسم محرک  و تامین کننده(3) برای تغذیه خودکار در طول سیم در حال انفجار(4) در شکاف الکترودها استفاده می‌شود. هنگامی‌که سیم به الکترود ولتاژ بالا(5) می‌رسد، جابه‌جاگر(6) کار می‌کند و تخلیه الکتریکی خازن در این طول سیم رخ داده و سیم منفجر می‌شود. در نهایت پودر به دست آمده حاصل از این روش در جمع کننده پودر(7) جمع می‌شود. گاز تصفیه شده از پودر نیز به وسیله هواکش(8) به محفظه انفجار(9) برگردانده می‌شود. محفظه مواد منفجره قبل از شروع انجام فرایند تخلیه شده و سپس محفظه با اتمسفر گاز مورد نظر جهت انجام واکنش انفجار الکتریکی پر می‌شود. [7]

اجزای اصلی مورد نیاز برای روش انفجار الکتریکی سیم یک سیم رسانا نازک و یک خازن است. جریان الکتریکی که توسط خازن تامین می‌شود، به تدریج افزایش یافته و جریان بالایی از سطح مقطع سیم عبور می‌کند. به علت مقاومت اهمی که در مسیر عبور جریان قرار دارد، سیم گرم شده تا اینکه فلز شروع به ذوب شدن کند. جریان آنقدر سریع بالا می‌رود که فلز مایع فرصت ندارد از مسیر عبور جریان خارج شود. با ادامه انجام فرایند، اتم‌های فلزی بخار شده و مقاومت کمتری در برابر جریان ایجاد می‌کند و باعث می‌شود حتی جریان بیشتری از سطح مقطع عبور نماید. سپس یک قوس الکتریکی تشکیل می‌شود که بخار را به پلاسما تبدیل می‌کند. در این مرحله یک چراغ روشن از نور تولید می‌شود. هنگامی که بخارات یک اتم خنثی به الکترون و یون‌های آن تجزیه می‌شوند و حالتی پایدار می‌سازند، به این حالت پلاسما گفته می‌شود که می‌تواند هادی الکتریسیته باشد. در اینجا، طول عمر پلاسما بیشتر از زمان انفجار سیم خواهد بود؛ زیرا یون‌ها و الکترون‌های تشکیل شده می‌توانند پس از مدت کوتاهی از تبخیر شدن، رسانش الکتریکی خود را حفظ کنند. پلاسما مجاز به گسترش آزادانه است و موج شوک ایجاد می‌کند. تابش الکترومغناطیسی به طور همزمان با موج شوک آزاد می‌شود. موج شوک، فلز مایع، گازی و پلاسماتیک را به سمت بیرون سوق می‌دهد، مدار را می‌شکند و فرایند به پایان می‌رسد. درنهایت مولکول‌های محصولات تشکیل شده متراکم می‌شوند؛ به جز محصولات گازی مانند کربن‌دی‌اکسید و متان. مرحله تراکم بسیار سریع اتفاق می‌افتد و محصولات، مورفولوژی‌های متفاوتی را نشان می‌دهند و توزیع اندازه ذرات تشکیل شده معمولا گسترده است.

شکل 4. فرایند (الف) تولید و (ب) انتشار امواج شوک که در اثر انفجار الکتریکی سیم ایجاد می‌شود. [8]

4. کاربرد در تولید نانوذرات

فرایند انفجار الکتریکی سیم در گازهای بی‌اثر یا هیدروژن برای تولید پودرهای فلزات، آلیاژها و ترکیبات بین فلزی استفاده می‌شود. از انفجار الکتریکی سیم در محیط فعال شیمیایی برای تولید نانوپودرهای ترکیبات شیمیایی فلزات استفاده می‌شود، مانند اکسیدها، نیتریدها، کاربیدها و غیره. کاربیدهای فلزی مانند Al4C3، LaC2، TiC، ZrC، NbC، Nb2C، Ta2C، MoC، و W2C توسط انفجارهای الکتریکی سیم‌های مربوطه در اتان، ایزوبوتن، استیلن و مخلوط استیلن-آرگون سنتز شدند [9-11]. اکسیدهای آلومینیوم با انفجارهای الکتریکی سیم‌های آلومینیومی در هوا و در مخلوط اکسیژن-آرگون به‌دست آمدند [12,13].
هنگامی که انفجار الکتریکی سیم در یک جو استاندارد حاوی اکسیژن انجام می‌شود، اکسیدهای فلزی تشکیل می‌شوند. شکل 5 تصاویر SEM نانوذرات سنتز شده توسط فرآیند انفجار الکتریکی سیم در مقادیر مختلف نسبت انرژی (K) و فشار اکسیژن (P) را نشان می‌دهد. ذرات تولید شده به جز تعداد کمی کروی شکل هستند. برای مقادیر K پایین (K = 2)، نانوذرات با اندازه بزرگ‌تر مشاهده می‌شود که برخی از آن‌ها دارای اندازه زیرمیکرون (submicron) هستند و دلیل آن، تشکیل نانوذرات از فلز مذاب به جای بخار در هنگام انتقال انرژی کم به سیم است [14].
نانوذرات فلزی خالص همچنین می‌توانند با انفجار الکتریکی سیم در یک محیط بی اثر، معمولاً گاز آرگون یا آب مقطر تولید شوند.  نانوذرات فلزی خالص باید در محیط بی‌اثر خود نگه داشته شوند زیرا هنگام قرار گرفتن در معرض اکسیژن در هوا، مشتعل می‌شوند [15]. هم‌چنین نانوذرات مغناطیسی هسته پوسته آهن-نیکل را می‌توان از طریق کنترل میزان اکسیژن محیط و تغییر آن تولید کرد [16].
چگالی واکنش دهنده‌ها در هنگام انفجار سیم در محیط متراکم در مقایسه با انفجار در گازها بسیار بیشتر است. این واقعیت اجازه می‌دهد تا خروجی ترکیبات شیمیایی افزایش یابد و ترکیب فاز آن‌ها تغییر کند. ویژگی‌های فرآیند انفجار الکتریکی سیم در محیط متراکم باعث می‌شود که قابلیت‌های روش انفجار الکتریکی سیم برای به دست آوردن نانوپودرها گسترش یابد.

شکل 5. تصاویر SEM از نانوذرات تولید شده توسط فرآیند انفجار الکتریکی سیم با نسبت انرژی و فشار اکسیژن مختلف [17]

5. جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

انفجار الکتریکی سیم روشی ساده برای تولید نانوذرات است. در این روش جریان الکتریکی بالایی از سیم فلزی عبور داده می‌شود و در پی ذوب و تبخیر سیم فلزی، پلاسما تشکیل می‌شود. درنهایت مرحله تراکم رخ داده و نانوذرات با اندازه‌های گوناگون تولید می‌شود. از جمله پارامترهای موثر بر انجام فرایند، جریان، طول و قطر سیم فلزی و محیط واکنش می‌باشد. این روش ساده و کم هزینه بوده و از جمله مزایای آن می‌توان به بازده بالا، قابلیت تنظیم اندازه ذرات و تولید انواع نانوذرات همچون نانوذرات فلزی خالص و برخی نانوذرات اکسیدی و کاربیدی اشاره نمود.

منابـــع و مراجــــع

۱ – Burtshev, V. A., Kalinin, N. V.Luchinskii, A. V., Electrical Explosion of WiresIts Use in Electro-Physical Equipment, Energoatomizdat, Moscow (1980).
۲ – Károly Lázár, Lajos Károly Varga, Viktória Kovács Kis, Tamás Fekete, Zoltán Klencsár, Sándor Stichleutner, László Szabó, Ildikó Harsányi, Electric explosion of steel wires for production of nanoparticles: Reactions with the liquid media, Journal of AlloysCompounds, Volume 763, 2018, Pages 759-770, ISSN 0925-8388, https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.05.326.
۳ – Dibner, [by] Herbert W. Meyer. Foreword by Bern (1972). A history of electricitymagnetism. Norwalk, Conn.: Burndy Library. p. 32. ISBN 026213070X.
۴ – Holcombe, J.A.; Sacks, R.D. (March 16, 1973). “Exploding wire excitation for trace analysis of Hg, Cd, PbNi using electrodeposition for preconcentration”. Spectrochimica Acta. 22B (12): 451–467. Bibcode:1973AcSpe.28.451H. doi:10.1016/0584-8547(73)80051-5. hdl:2027.42/33764.
۵ – McGrath, J.R. (May 1966). “Exploding Wire Research 1774–1963”. NRL Memorandum Report: 17. Archived the original on November 29, 2014. Retrieved 24 October 2014.
۶ – Hansen, Stephen (2011). Exploding Wires Principles, ApparatusExperiments. Bell Jar. Retrieved 24 October 2014.
۷ – Wong, C., et al. “Effect of Ambient Gas Species on the Formation of Cu Nanoparticles in Wire Explosion Process.” Current Applied Physics, vol. 12, Sept. 2012, p. 1345, doi: 10.1016/j.cap.2012.03.024.
۸ – Jiang JL (2008) Plasma chemical reactions of water under pulsed discharge. Master’s thesis, Harbin University of ScienceTechnology, China
۹ – E. CookB. Siegel, (1969) J. Inorg. Nucl. Chem., 30, 1706.
۱۰ – R. L. JohnsonB. Siegel, (1968) J. Electrochem. Soc., 155, No. 1, 24–28.
۱۱ – D. V. Tikhonov. Ph.D Thesis. Tomsk (1999).
۱۲ – M.I. Lerner. Ph.D Thesis. Tomsk (1988).
۱۳ – Kwon Y.S., Ilyin A.P., Tikhonov D.V., Nazarenko O.B., Yablunovskii G.V. (2003) KORUS’2003: Proc.of the 7th Korea-Russia Int. Symp. on ScienceTechnology. Ulsan V.1, 175–178. [7] O.B. Nazarenko. D.Sc. Thesis. Tomsk (2006).
۱۴ – Ranjan P, Nguyen D H, Tanaka K, Suematsu H, Jayaganthan RSarathi R 2019 Synthesis, characterisationformation mechanism of Sn-0.75 Cu solder nanoparticles by pulsed wire discharge Appl. Nanosci. 9 341–52
۱۵ – Kotov, Yu (2003). “Electric explosion of wires as a method for preparation of nanopowders”. Journal of Nanoparticle Research. 5 (5/6): 539–550. Bibcode:2003JNR.5.539K. doi:10.1023/B: NANO.0000006069.45073.0b. S2CID 135540834.
۱۶ – Kurlyandskaya, G. V, et al. “Structure, MagneticMicrowave Properties of FeNi Nanoparticles Obtained by Electric Explosion of Wire.” Journal of AlloysCompounds, vol. 615, 2014, pp. S231–35, doi: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.11.164.
۱۷ – Ranjan, Prem & Suematsu, H. & Sarathi, R. (2021). Single step synthesis of WO 3 nanoparticles by wire explosion processits photocatalytic behaviour. Nano Express. 2. 020014. 10.1088/2632-959X/abfd8c.
برچسب ها
تصویر زهرا علیرضایی زهرا علیرضاییاردیبهشت 19, 1402
0 71 خواندن این مطلب 8 دقیقه زمان میبرد
تصویر زهرا علیرضایی

زهرا علیرضایی

نوشته های مشابه

مونت موریلونیت زئولیت هالوسیت گرافیت

خرداد 6, 1402

نقش کروماتوگرافی گازی جامع دوبعدی در آنالیز زیست مولکول‌های نفتی

اسفند 6, 1401

اندازه‌گیری میزان و پراكندگي سطح فلزی با استفاده از فرایند جذب شیمیایی گاز

اسفند 4, 1401

طیف‌سنجی رامان -Raman Spectroscopy

اسفند 6, 1401

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا