Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Метод взрывающейся проволоки или EWM - это способ генерации плазмы, который заключается в посылке достаточно сильного импульса электрического тока через тонкую проволоку из некоторого электропроводящего материала. Резистивный нагрев испаряет проволоку, а электрическая дуга через этот пар создает взрывную ударную волну .

Взрывающиеся провода используются в качестве детонаторов для взрывчатых веществ , в качестве мгновенных источников света высокой интенсивности и в производстве металлических наночастиц .

История [ править ]

Один из первых задокументированных случаев использования электричества для плавления металла произошел в конце 1700-х годов [1]. Его приписывают Мартину ван Маруму, который расплавил 70 футов металлической проволоки с 64 лейденскими банками в качестве конденсатора. Генератор Ван Марума был построен в 1784 году и сейчас находится в музее Тейлера в Нидерландах. Спустя годы Бенджамин Франклин испарил тонкий золотой лист, чтобы записать изображения на бумагу. [2] [3] Хотя ни Марум, ни Франклин на самом деле не спровоцировали явление взрывающейся проволоки, они оба были важными шагами на пути к его открытию.

Эдвард Нэрн был первым, кто заметил существование метода взрывающейся проволоки в 1774 году с серебряной и медной проволокой. Впоследствии Майкл Фарадей использовал EWM для нанесения тонких пленок золота путем затвердевания испаренного металла на смежных поверхностях. Затем, в 1800-х годах Август Топлер изучил паровые отложения металлического газа в результате EWM . Спектрографические исследования этого процесса под руководством Дж. А. Андерсона получили широкое распространение в 1900-х годах. Спектрографические эксперименты позволили лучше понять, а впоследствии и первые проблески практического применения. В середине 20-го века проводились эксперименты с EWM в качестве источника света и для производства наночастиц в алюминиевых, урановых и плутониевых проволоках. Конгруэнтно,Луис Альварес и Лоуренс Х. Джонстон из Манхэттенского проекта нашли применение EWM при разработке ядерных детонаторов. [3] [4]

Текущие исследования направлены на использование EWM для производства наночастиц, а также на лучшее понимание специфики механизма, такого как влияние системной среды на процесс.

Механизм [ править ]

Основные компоненты, необходимые для метода взрывающейся проволоки, - это тонкая проводящая проволока и конденсатор. Проволока обычно бывает из золота, алюминия, железа или платины и обычно имеет диаметр менее 0,5 мм. Конденсатор имеет потребление энергии приблизительно 25 кВт · ч / кг и разряжает импульс плотности тока 10 4 - 10 6 А / мм 2 , [5] приводит к температуре до 100000  K . Явление происходит за период времени всего 10-8 - 10-5 секунд. [6]

Процесс выглядит следующим образом:

  1. Повышающийся ток, подаваемый конденсатором, проходит по проводу.
  2. Ток нагревает проволоку за счет омического нагрева до тех пор, пока металл не начнет плавиться. Металл плавится, образуя разорванную серию несовершенных сфер, называемых ундулоидами . Ток нарастает так быстро, что жидкий металл не успевает уйти с дороги.
  3. Ундулоиды испаряются. Металлический пар создает путь с меньшим сопротивлением, позволяя течь даже более высокому току.
  4. Образуется электрическая дуга, превращающая пар в плазму. Также возникает яркая вспышка света.
  5. Плазма может свободно расширяться, создавая ударную волну .
  6. Электромагнитное излучение испускается вместе с ударной волной.
  7. Ударная волна выталкивает жидкий, газообразный и плазменный металл наружу, разрывая цепь и завершая процесс.

Практическое применение [ править ]

Исследования EWM предложили возможные применения в возбуждении оптических мазеров , источников света высокой интенсивности для связи, приведения в движение космических аппаратов , соединения сложных материалов, таких как кварц, и генерации мощных радиочастотных импульсов. [3] Наиболее многообещающие применения EWM - это детонатор, источник света и для производства наночастиц.

Детонатор [ править ]

EWM нашел свое наиболее распространенное использование в качестве детонатора, названного детонатором взрывающейся перемычки , для ядерных бомб. Детонаторы Bridgewire имеют преимущество перед химическими взрывателями, поскольку взрыв постоянен и происходит всего через несколько микросекунд после подачи тока, с вариациями всего в несколько десятков наносекунд от детонатора к детонатору. [7]

Источник света [ править ]

EWM - это эффективный механизм для получения кратковременного источника света высокой интенсивности. Пиковая интенсивность для медной проволоки, например, составляет 9,6 · 10 8 свечей мощности / см 2 . [8] Дж. А. Андерсон писал в своих первоначальных исследованиях спектрографии, что свет был сопоставим с черным телом при 20 000 К. [9] Преимущество вспышки, произведенной таким образом, состоит в том, что ее легко воспроизвести с небольшими изменениями интенсивности. Линейный характер провода позволяет использовать световые вспышки определенной формы и под углом, а различные типы проводов могут использоваться для получения света разных цветов. [10] Источник света может использоваться в интерферометрии , импульсном фотолизе , количественномспектроскопия и скоростная фотография .

Производство наночастиц [ править ]

Наночастицы создаются EWM, когда окружающий газ системы охлаждает недавно образовавшийся парообразный металл. [11] EWM можно использовать для дешевого и эффективного производства наночастиц со скоростью 50–300 граммов в час и чистотой выше 99%. [6] [5]Процесс требует относительно низкого энергопотребления, поскольку при преобразовании электрической энергии в тепловую теряется мало энергии. Воздействие на окружающую среду минимально благодаря тому, что процесс протекает в замкнутой системе. Частицы могут быть размером от 10 нм, но чаще всего имеют диаметр менее 100 нм. Физические свойства нанопорошка могут быть изменены в зависимости от параметров взрыва. Например, при повышении напряжения конденсатора диаметр частиц уменьшается. Кроме того, давление газовой среды может изменить дисперсность наночастиц. [6] Посредством таких манипуляций функциональность нанопорошка может быть изменена.

Когда EWM выполняется в стандартной атмосфере, содержащей кислород, образуются оксиды металлов. Наночастицы чистого металла также могут быть получены с помощью EWM в инертной среде, обычно в газообразном аргоне или дистиллированной воде. [12] Чистые нанопорошки металлов должны храниться в инертной среде, потому что они воспламеняются при воздействии кислорода воздуха. [5] Часто пары металла улавливаются механизмом в стальном ящике или подобном контейнере.

Наночастицы - относительно новый материал, используемый в медицине, производстве, очистке окружающей среды и схемотехнике. Оксид металла и наночастицы чистого металла используются в катализаторах , датчиках, кислородном антиоксиданте, самовосстанавливающемся металле, керамике, защите от УФ-лучей, защите от запаха, улучшенных батареях, печатных схемах, оптоэлектронных материалах и восстановлении окружающей среды . [13] [14]Спрос на металлические наночастицы и, следовательно, на методы производства вырос, поскольку интерес к нанотехнологиям продолжает расти. Несмотря на его поразительную простоту и эффективность, экспериментальную установку сложно модифицировать для использования в промышленных масштабах. Таким образом, EWM не получила широкого распространения в отрасли производства материалов из-за проблем с производством.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Дибнер, [автор] Герберт В. Мейер. Предисловие Берна (1972). История электричества и магнетизма . Норуолк, Коннектикут: Библиотека Бернди. п. 32. ISBN 026213070X.
  2. ^ Holcombe, JA; Сакс, Р. Д. (16 марта 1973 г.). «Возбуждение взрывчатой ​​проволокой для анализа следов Hg, Cd, Pb и Ni с использованием электроосаждения для предварительного концентрирования» (PDF) . Spectrochimica Acta . 22B (12): 451–467. Bibcode : 1973AcSpe..28..451H . DOI : 10.1016 / 0584-8547 (73) 80051-5 . ЛВП : 2027,42 / 33764 . Проверено 2 ноября 2014 года .
  3. ^ a b c Макграт-младший (май 1966 г.). «Исследование взрывающейся проволоки 1774–1963» . Отчет о меморандуме NRL : 17 . Проверено 24 октября 2014 года .
  4. ^ Хансен, Стивен (2011). Принципы, аппаратура и эксперименты по взрыву проводов (PDF) . Bell Jar . Проверено 24 октября 2014 года .
  5. ^ a b c Котов Ю. (2003). «Электровзрыв проволоки как метод получения нанопорошков» (PDF) . Журнал исследований наночастиц . 5 (5/6): 539–550. Bibcode : 2003JNR ..... 5..539K . DOI : 10,1023 / Б: NANO.0000006069.45073.0b . S2CID 135540834 . Архивировано из оригинального (PDF) 15 декабря 2014 года.  
  6. ^ a b c Назатенко, О (16 сентября 2007 г.). «Нанопорошки, полученные электровзрывом проводов» (PDF) . Кафедра экзологии Томского политехнического университета . Архивировано из оригинального (PDF) 29 ноября 2014 года . Проверено 6 ноября 2014 .
  7. ^ Купер, Пол В. (1996). «Взрывающиеся мостовые детонаторы». Взрывчатая техника . Wiley-VCH. С. 353–367. ISBN 0-471-18636-8.
  8. ↑ Конн, Уильям (28 октября 1949 г.). «Использование« взрывающихся проводов »в качестве источника света очень высокой интенсивности и непродолжительности» . Журнал Оптического общества Америки . 41 (7): 445–9. DOI : 10,1364 / josa.41.000445 . PMID 14851124 . Проверено 30 октября 2014 года . 
  9. ↑ Андерсон, JA (22 мая 1922 г.). «Спектральное распределение энергии и непрозрачность паров взрыва проволоки» . Обсерватория Маунт-Вильсон, Вашингтонский институт Карнеги . 8 (7): 231–232. Bibcode : 1922PNAS .... 8..231A . DOI : 10.1073 / pnas.8.7.231 . PMC 1085099 . PMID 16586882 .  
  10. ^ Oster, Gisela K .; Маркус, РА (1957). «Взрывающаяся проволока как источник света при импульсном фотолизе» (PDF) . Журнал химической физики . 27 (1): 189. Bibcode : 1957JChPh..27..189O . DOI : 10.1063 / 1.1743665 .
  11. ^ Матур, Санджай; Пой, Мритюнджай (2010). «Наноструктурированные материалы и нанотехнология III» . Керамическая инженерия и научные труды . 30 (7): 92. ISBN 9780470584361.
  12. ^ Alqudami Абдулла (2006). «Флуоресценция наночастиц металлического серебра и железа, полученных методом взрыва проволоки» (PDF) . DPT. Физики и астрофизики Нью-Дели : 15. arXiv : cond-mat / 0609369 . Bibcode : 2006 second.mat..9369A . Проверено 2 ноября 2014 года .
  13. ^ Бойзен, Эрл. «Применение и использование наночастиц» . пониманиенано . Проверено 2 ноября 2014 года .
  14. ^ Оскам, Gerko (24 февраля 2006). «Наночастицы оксидов металлов: синтез, характеристика и применение». Журнал золь-гель науки и технологий . 37 (3): 161–164. DOI : 10.1007 / s10971-005-6621-2 . S2CID 98446250 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • видео процесса