Исследователи из Института электрофизики УрО РАН в Екатеринбурге предложили использовать для получения функциональных нанопорошков промышленный волоконный иттербиевый лазер. В работе, опубликованной в «Журнале технической физики», они сравнили производительность и энергозатраты при получении нанопорошков с использованием волоконного и углекислотного лазера и обосновали преимущества первого варианта. Работа выполнена при финансовой поддержке президиума РАН и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Нанопорошки применяют при создании конструкционной керамики, используют в водородной энергетике, многие из них способны к люминесценции.

Перспективный способ получения нанопорошков – испарение мишени с помощью лазерного излучения.

Рис. 1. Микрофотография нанопорошка.
Иллюстрация авторов.

Использование углекислотного лазера, которое также изучали в своих прошлых работах екатеринбургские исследователи, позволяет получать частицы размером около 20 нм. Различия по размеру, неизбежно возникающие при получении наночастиц, в случае углекислотного лазера невелики. Однако технические недостатки такого лазера – нестабильность мощности, низкая эффективность преобразования электрической энергии в излучение, внушительные габариты – связаны с серьёзными неудобствами и стимулируют учёных к поиску новых решений.

Группа исследователей во главе с Юрием Котовым предложила использовать в аналогичном технологическом процессе волоконные иттербиевые лазеры. В эксперименте применялись лазеры, изготовленные НТО «ИРЭ-Полюс». Они более эффективны, чем углекислотные лазеры, однако их длина волны составляет 1,07 мкм (в 10 раз меньше, чем в случае углекислотного лазера), и возможность их использования для получения нанопорошков требовала экспериментальной проверки.

Мишень, заготовка для получения веществ интересующего состава, состояла из спрессованных микронных порошков оксидов иттрия (Y) и цинка (Zn). Излучение лазера передавалось через волоконный кабель на оптическую систему и фокусировалось на мишени. Заготовка была оснащена приводом, обеспечивающим горизонтальное перемещение и вращение мишени для равномерной обработки поверхности. Испарившиеся с поверхности молекулы уносились потоком инертного газа и конденсировались на специально подготовленных подложках.

При непрерывной семнадцатичасовой работе лазера выход порошка составил 390 граммов – примерно в три раза больше, чем при использовании углекислотного лазера. Дополнительные анализы подтвердили получение практически однородного нанопорошка, близкого по составу к мишени. Серия опытов по получению нанопорошков оптической керамики также показала, что при использовании иттербиевого лазера конечный состав смеси по сравнению с исходным составом мишени искажается в значительно меньшей степени, чем при использовании углекислотного лазера. Этот эффект учёные связывают прежде всего с высокой монохроматичностью иттербиевого лазера.

Особое внимание специалисты уделили поиску оптимального режима работы лазера. Полученная экспериментальная зависимость производительности от длительности импульса при фиксированной энергии импульса имеет характерный пик в области 100 мкс. Таким образом, по мнению исследователей, уже сейчас «с учётом более высоких потребительских качеств волоконные иттербиевые лазеры следует считать более перспективными для получения нанопорошков».

Первоисточник информации:

Ю. А. Котов, О. М. Саматов, М. Г. Иванов, А. М. Мурзакаев, А. И. Медведев, О Р. Тимошенкова, Т. М. Демина, И. В. Вьюхина Получение композиционных нанопорошков с помощью волоконного иттербиевого лазера и их характеристики. – Журнал технической физики. – 2011. – Т. 81. – вып. 5.