سنتز نانوذرات به روش انفجار الکتریکی سیم

 کاتالوگ محصول

1. انفجار الکتریکی سیم

استفاده از تخلیه الکتریکی به منظور تبخیر یک سیم فلزی یا فویل، اولین‌بار در قرن 18 مطرح شد. Martin van Marum (1837-1750)، فیلسوف هلندی که تحقیقات متعددی در زمینه علوم مختلف نظیر گیاه‌شناسی، زمین‌شناسی، دارو، الکتریسیته و غیره انجام داده است، موفق شد که یک سیم به طول 70 فوت را با استفاده از تخلیه الکتریکی بطری لید (شکل اولیه خازن)، حرارت داده و ذوب کند. اما Edward Nairne (1806-1726) اولین فردی بود که در سال 1774 پدیده انفجار سیم را به درستی توصیف کرد. از این فرایند که طی مدت زمان بسیار کوتاهی رخ می‌دهد به منظور دستیابی به دماهای بسیار بالایی، ایجاد امواج ضربه‌ای، تشکیل پلاسمای چگال، منبع نور جهت تصویربرداری سریع و تولید اشکال پیچیده از صفحات فلزی استفاده می‌شود.

1.1 روش فرایند انفجار الکتریکی سیم
به طور کلی و به عنوان یک تعریف ساده، می‌توان گفت که انفجار الکتریکی سیم (EEW)، یک روش فاز بخار است که در آن، به وسیله تبخیر یک سیم فلزی نازک پس از عبور جریان الکتریکی قوی، ذرات تبخیر می‌شوند. اما، جزئیات روند فرایند انفجار الکتریکی سیم بدین صورت است که ابتدا، با تخلیه یک منبع الکتریکی ولتاژ بالا، یک پالس جریان با دانسیته بالا داخل سیم تشکیل می‌شود. به دلیل نرخ بالای تزریق انرژی، دانسیته انرژی سیم از انرژی پیوند فراتر می‌رود. بنابراین، به سرعت به جوش می‌آید، نوری ساطع می‌شود و ترکیبی از قطرات بخار فوق‌اشباع و در حال جوش از سیم انفجار یافته تشکیل می‌شود.

شکل 1- شماتیک مدار مورد استفاده در فرایند انفجار الکتریکی سیم.

در واقع، در این فرایند ابتدا سیم گداخته می‌شود. سپس، بر اثر کشش سطحی، فلز مذاب به شکل قطراتی در می‌آید. معمولا، پیش از شکست کامل مدار، بین قطرات قوس زده می‌شود. شکل 2، یک شماتیک ساده از این فرایند را نشان می‌دهد.

شکل 2- شماتیک فرایند انفجار الکتریکی سیم در محلول به منظور سنتز نانوذرات.

در انفجار سیم، افزایش بسیار سریع جریان الکتریکی، در حدود چند میلی‌ثانیه، از اهمیت به سزایی برخوردار است. Conn، این فرایند را شش مرحله‌ای در نظر گرفت:
1. حرارت‌دهی سیم با عبور یک جریان الکتریکی قوی از آن.
2. تشکیل یک ستون مایع از فلز که جایگزین سیم می‌شود.
3. ناپایدار شدن سیم که باعث تشکیل unduloid (سطوحی با انحنای ثابت) می‌شود و بخار فلز به صورت خطی در بیاید (به دلیل نیروهای مکانیکی و مغناطیسی حاصل از تخلیه و حرارت دهی).
4. به محض شکستن قوس تشکیل‌شده بین unduloid، عبور جریان از سیم قطع شده و هیچ جریانی از آن عبور نمی‌کند و ولتاژ ثابت می‌ماند.
5. یک تابش سریع نور مشاهده می‌شود که طیف آن پیوسته و مستقل از نوع ماده است. سپس، بسته به نوع ماده، خطوط نشر و جذب تشکیل می‌شوند.
6. یک یا چند جبهه موج ضربه‌ای صوتی تشکیل می‌شوند.
شکل 3، مراحل این فرایند تا سنتز نانوذرات را به خوبی نشان می‌دهد.

شکل 3- اجزای فرایند انفجار الکتریکی سیم و مراحل انجام فرایند تا سنتز نانوذرات.

1.2 مبانی روش انفجار الکتریکی سیم
روش استاندارد انفجار الکتریکی سیم، تغذیه انرژی به وسیله تخلیه یک خازن ولتاژ بالا است. تجهیزات مورد نیاز برای روش انفجار الکتریکی سیم شامل یک منبع تغذیه ولتاژ بالا (kV 3-2)، یک خازن دی‌الکتریک به منظور ذخیره انرژی، یک سوئیچ با دیواره عایق به منظور تخلیه خازن به درون سیم است. انرژی ذخیره‌شده در خازن، E، را می‌توان از رابطه زیر به دست آورد:

که در آن، C ظرفیت خازن بر حسب فاراد و V، قابلیت شارژ شدن برحسب ولت است. بنابراین، یک خازن با ظرفیت µF 200 و ولتاژ V 2000، انرژی معادل watt-sec 400 خواهد داشت.
تجهیزات فوق را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد:‌ مدار شارژ DC با جریان کم و مدار کنترل و تخلیه با جریان بالا.

مراحل عملکرد منبع تغذیه در شکل 4 نشان داده شده است. مرحله اول، سیکل شارژ است که در آن انرژی به آهستگی به خازن تخلیه می‌شود. فرایند شارژ، به شکل یک منحنی نمایی است که در ابتدا ولتاژ به سرعت افزایش می‌یابد و با پر شدن شارژ، نرخ افزایش آن به شدت کاهش می‌یابد. نرخ شارژ شدن، با استفاده از ثوابت زمانی و از حاصلضرب ظرفیت خازن (فاراد) در مقاومت (اهم) تعیین می‌شود. ولتاژ خازن پس از سه ثابت زمانی، به 95% ولتاژ شارژ می‌رسد. در ابتدای سیکل شارژ، خازن ابتدا به عنوان مدار اتصال کوتاه عمل می‌کند. مقدار مقاومت شارژ باید به نحوی انتخاب شود که جریان شارژ اولیه را محدود کند و از ورود جریان اضافی و بیش از ماکزیمم جریان خروجی منبع تغذیه جلوگیری شود. در غیر اینصورت، دیودها، مبدل و غیره آسیب خواهند دید. همچنین، مقاومت نباید به قدری زیاد باشد که بی‌جهت مدت زمان شارژ را طولانی کند.
به محض پر شدن شارژ، منبع تغذیه باید خاموش شود تا آماده سیکل تخلیه (دشارژ) شود. مدت زمان مکث باید به قدری کوتاه باشد که از اتلاف شارژ خازن توسط مسیرهای مختلف نشت و نقص عملکرد خازن، جلوگیری شود. سیکل تخلیه بسیار سریع است و تنها چند میکروثانیه طول می‌کشد.



شکل 4– مشخصات سیکل‌های شارژ و دشارژ خازن ذخیره انرژی.

1.3 سنتز نانوذرات با استفاده از فرایند انفجار الکتریکی سیم
یکی از روش‌های بالقوه سنتز نانوپودرها و نانوذرات فلزی، استفاده از روش‌هایی بر مبنای تبخیر ماده هدف و چگالش آن است. حال این حرارت‌دهی می‌تواند به روش‌های مختلفی انجام شود به طور مثال، حرارت‌دهی در بوته، عبور جریان الکتریکی از ماده، استفاده از لیزر یا یک باریکه الکترونی، حرارت‌دهی القایی فرکانس بالا، پلاسما و غیره.
به دلایل زیر، استفاده از روش‌های حرارت‌دهی پالسی و تبخیر مواد به منظور سنتز نانوپودرها مطلوب است:
(1) توان مورد نیاز منبع انرژی فرایند به راحتی تامین می‌شود.
(2) به دلیل نرخ بالای تزریق انرژی، ماده بیش از حد حرارت داده شده و تبخیر می‌شود. سپس، بخار تشکیل شده، به سرعت پراکنده می‌شود و غلظت بخار و ذرات چگالش یافته به سرعت کاهش می‌یابد که زمینه تشکیل ذرات ریز (نانومتری) را فراهم می‌کند.
(3) مقدار کمی از ذرات سنتز شده در هر پالس، از نواحی گرم‌تر به سردتر منتقل می‌شوند. این باعث می‌شود ذرات به سرعت کوئنچ شده و از به هم پیوستن و رشد ذرات جلوگیری می‌شود.
یکی از روش‌های مهم مبنی بر حرارت‌دهی پالسی و تبخیر، انفجار الکتریکی سیم است. در این بخش به نحوه ایجاد الگوهای فلزی با استفاده از روش انفجار سیم می‌پردازیم. ابتدا، لازم است که یک سیم مناسب انتخاب شود. سپس، در شرایطی که منبع تغذیه خاموش، خازن کاملا تخلیه شده و اتصال کوتاه برقرار است (قسمت اتصال کوتاه می‌تواند از یک لوله PVC که یک میله فلزی به شکل عرضی روی آن قرار می‌گیرد، ساخته شود با این شرایط که طول میله فلزی به قدری باشد که روی ترمینال‌های خازن پل بزند)، الکترودها را به فاصله مناسب (به طور مثال حدود 2 اینچ) از یکدیگر قرار دهید. سپس دو سر سیم را داخل گیره‌های سوسماری قرار می‎دهید به نحوی که سیم به موازات سکوی زیرلایه قرار گیرد. سپس، یک تکه کاغذ براق بر روی زیرلایه قرار دهید. فاصله بین کاغذ و سیم را حدود چند میلی‌متر تنظیم کنید (شکل 5).
شکل 5- شماتیک ملزومات لازم برای فرایند انفجار الکتریکی سیم.

در این مرحله، اتصال کوتاه را از مدار حذف کرده و منبع تغذیه را روشن کنید تا سیکل شارژ شروع شود. پس از اینکه خازن به میزان کافی شارژ شد، مرحله تخلیه یا دشارژ به سیم را شروع کنید. با شروع این سیکل، یک نور (فلاش) و یک صدای انفجار نسبتا بلند شنیده می‌شود. در این مرحله، سیستم را خاموش کنید و آنچه که بر روی کاغذ ثبت شده است را مشاهده کنید. آنچه مشاهده خواهید کرد در شکل 6 آورده شده‌است.


شکل 6- تصویر واقعی انفجار سیم مسی و تصویر ثبت‌شده بر روی کاغذ پس از انفجار الکتریکی سیم.

1.4 مزایا و معایب روش
روش انفجار سیم، مزایای بسیاری دارد به طور مثال، سادگی فرایند، بالا بودن نرخ تولید و بالا بودن توان عملیاتی که این فرایند را به منظور تولید انبوه به گزینه‌ای ایده‌آل تبدیل می‌کند. همچنین، با استفاده از این فرایند می‌توان در یک محلول یکسان با تغییر جنس سیم فلزی، نانوذرات مختلف را سنتر کرد.
اما از مشکلات این فرایند می‌توان به یکنواخت نبودن ابعاد نانوذرات فلزی سنتز شده اشاره کرد و بنابراین، طی این فرایند هر دو نوع ذرات میکرومتری و نانومتری تولید خواهند شد.

1.5 کاربردها
از مهم‌ترین کاربردهای انفجار الکتریکی سیم، سنتز نانوذرات و نانوپودرهای فلزی نظیر آهن، طلا، نقره، مس، آلومینیوم و غیره است که در شرایطی که این فرایند در یک مایع (محلول) به طور مثال زیر آب انجام شود، می‌توان به نانوکلوئیدهای فلزی دست یافت.