1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Химия высоких энергий
  4. T. 53, № 3, 2019

Химия высоких энергий, 2019, T. 53, № 3, стр. 235-242

Восстановление BCl3 в аргоно-водородной ВЧИ плазме атмосферного давления

Р. А. Корнев a, *, П. Г. Сенников a, Л. В. Шабарова a, А. И. Шишкин b, Т. А. Дроздова b, С. В. Синцов c

a Институт Химии Высокочистых Веществ им. Г.Г. Девятых РАН
603951 Нижний Новгород, ул. Тропинина, 49, Россия

b Нижегородский государственный технический университет им Р.Е. Алексеева
603115 Нижний Новгород, ул. Минина 24, Россия

c Институт Прикладной Физики РАН
603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46, Россия

* E-mail: kornev@ihps.nnov.ru

Поступила в редакцию 06.11.2018
После доработки 26.12.2018
Принята к публикации 28.12.2018

Полный текст (PDF)

Аннотация

Исследованы основные режимы работы ВЧИ плазмотрона с вихревой стабилизацией газового разряда атмосферного давления в условиях аргоно-водородной смеси в диапазоне Ar/H2 = 12–4. Экспериментально исследованы зависимости температуры Те и концентрации ne электронов от соотношения Ar/H2В чистой аргоновой плазме температура и концентрация электронов составляет 0.88 эВ и 7.6 × 1014 cм–3 соответственно. При уменьшении соотношения Ar/H2, температура электронов снижается до 0.42 эВ, а концентрация электронов составляет 8 × 1012 cм–3. Калориметрическим методом проведена оценка температуры газа Tg, которая составляет 2500 K. В реализованных режимах работы ВЧИ плазмотрона исследовали процесс водородного восстановления BCl3. Основными продуктами восстановления треххлористого бора являются порошкообразный поликристаллический бор и дихлорборан. Исследована морфология, а также фазовый и примесный состав бора. Средний размер частиц порошкообразного бора составляет 200 нм.

Ключевые слова: ВЧИ плазмотрон, эмиссионная спектроскопия, треххлористый бор, нанобор

ВВЕДЕНИЕ

Разработка плазмохимических процессов на основе ВЧИ плазмотронов большой мощности является актуальной задачей, так как использование данных плазмотронов позволяет осуществлять высокоэнтальпийные процессы, обеспечивает химическую чистоту создаваемой плазмой высокотемпературной области, а также высокую производительность [1–5]. При разработке плазмохимических процессов на базе ВЧИ плазмотрона необходимо определение основных параметров плазмы: температуры газа Tg и концентрации электронов ne на которые, в свою очередь, оказывают влияние основные технологические параметры, в частности соотношение реагентов и энерговклад. Экспериментальные данные о температуре и концентрации электронов, а также о температуре самого газа в условиях ВЧИ разряда атмосферного давления, могут быть получены с помощью оптической эмиссионной спектроскопии (ОЭС) [6–10].

Процесс водородного восстановления BCl3 в равновесной плазме исследовался ранее. Например, в дуговом разряде, на плазменной установке мощностью 8–20 кВт при расходе плазмообразующего газа 80% Н2 + 20% Ar 100 л/мин и соотношении H2/BCl3 ≥ 15 выход элементарного бора составил 70%. Полученные образцы бора были сильно загрязнены примесями, поступающими из материала электродов, а КПД процесса по целевому продукту не превышало 10% [11]. В [12] примерно тот же выход достигался на ВЧ установке в аргоно-водородной струе с высокими (до 16 л/мин) расходами плазмообразующего газа (10% Н2 + 90% Ar) и расходом паров хлорида 0.11–0.22 л/мин при температуре плазмы 10 000 K. В [13] в ВЧИ плазмотроне при оптимальном расходе плазмообразующего газа 75% Н2 + 25% Ar 40 л/мин и соотношении H2/BCl3 = 2.6 выход элементарного бора составил 30%. Сообщалось, что при данных условиях образуется мелкокристаллический порошок с размерами 1.7 мкм. Концентрация бора в образце составляла не более 99%. Следует отметить, что для создания современных композиционных материалов с высокой механической прочностью на основе бора и его карбида требуется порошкообразный материал с размером частиц 50–300 нм и содержанием примесей на уровне 10–3 ат. % [14]. Данный уровень чистоты, а также размер частиц не был достигнут в вышеупомянутых работах.

Целью данной работы было экспериментальное определение основных параметров аргоно-водородной плазмы (температуры и концентрации электронов) в ВЧИ плазмотроне с тангенциальной стабилизацией газового потока при различных соотношениях Ar/H2, а также исследование процесса водородного восстановления BCl3 и получение образцов высокочистого мелкодисперсного бора.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Экспериментальное исследование ВЧИ-плазмотрона проводили на установке, принципиальная схема которой показана на рис. 1. Частота генератора ВЧ колебаний составляла 5.28 МГц. ВЧИ плазмотрон представлял собой кварцевую трубу, на которой размещался индуктор. В верхней части кварцевой трубы располагалась головка с завихрителем, обеспечивающим тангенциальную подачу плазмообразующего газа в зону разряда.

Рис. 1.

Общая схема ВЧ установки с ВЧИ-плазмотроном: 1 – газовая панель, 2 – ВЧ генератор (f = 5.28 МГц), 3 – ВЧИ плазмотрон, 4 – плазмохимический реактор, 5 – холодильник, 6 – термопара, 7 – фильтр, 8 – эмиссионный спектрометр, 9 – оптическое волокно, 10 – калориметр.

Запуск ВЧИ плазмотрона проводили при атмосферном давлении с помощью устройства искрового поджига “трансформатор Тесла”. В качестве плазмообразующего газа использовали как чистый аргон, так и смесь аргона с водородом. С целью оценки мощности, поглощаемой газовым разрядом, составлялось уравнение теплового баланса:

(1)
${{W}_{{{\text{in}}}}} = {{W}_{{\text{d}}}} + {{W}_{{\text{l}}}},$
где Win – мощность, подводимая к плазмотрону от источника колебаний; Wd – мощность, поглощаемая газовым разрядом; Wl – мощность, выделяемая в элементах “генератор-плазмотрон”.

Измерение величины Win осуществляли с помощью автоматизированной системы управления генератора, а измерение величины Wl с помощью водяного калориметра. Таким образом, была определена величина Wd, равная 25 кВт. Скорость плазмообразующего газа Ar + H2 при этом составляла 100 л/мин. Удельный энерговклад Р (кДж/моль) рассчитывался на основании значений мощности Wв (Вт), и расхода плазмообразующего газа (Q[Моль/с]) из соотношения:

(2)
${\text{Р }} = {{{{W}_{{\text{р }}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{W}_{{\text{р }}}}} {\text{Q}}}} \right. \kern-0em} {\text{Q}}}$

и поддерживался постоянным, равным 350 ± ± 25 кДж/моль. Мощность, поглощаемая газовым разрядом расходуется на нагрев газа (Wg) и излучение (Wr):

(3)
${{W}_{{\text{d}}}} = {{W}_{{\text{g}}}} + {{W}_{{\text{r}}}}.$

В данном эксперименте обе этих составляющих были измерены с помощью водяного калориметра. Считалось, что все излучение поглощается экраном плазмотрона. Так для измерения Wr в экране плазмотрона было предусмотрено водяное охлаждение. Мощность, снятая калориметром с экрана плазмотрона составила 4 кВт. Для измерения Wg водяное охлаждение было предусмотрено также в плазмохимическом реакторе и специально сконструированном для охлаждения отходящего газа холодильнике. Температура газа на входе в плазмотрон принималась равной 25°С, а на выходе из холодильника контролировалась термопарой и составляла 35 ± 5°С. Мощность, снятая калориметром с холодильного устройства составила 18 кВт. Таким образом, величина Wd, определенная из соотношения (3) составляет 22 кВт и находится в хорошем соответствии с величиной, определенной из соотношения (1).

Соотношение Ar/H2 в процессе проведения экспериментов изменялось в диапазоне 4–12. Диапазон указанных соотношений определяется стабильной работой ВЧИ плазмотрона. Как известно [15], при добавлении к одноатомному газу газообразных веществ более сложного состава значительная часть энергии тратится на их колебательную накачку и диссоциацию, что приводит к перераспределению температуры газа. Активное сопротивление плазмы возрастает. Для поддержания газового разряда в этом случае требуется повышение электрического тока в индукторе. На практике это приводит к необходимости увеличения подводимой мощности. В противном случае разряд гаснет. При соотношении Ar/H2 < 4 и максимальной вкладываемой в разряд мощности, газовый разряд гаснет из-за высокой концентрации в смеси высокоэнтальпийного газа – водорода. При соотношении Ar/H2 > 12 и минимальной вкладываемой в разряд мощности, газовый разряд гаснет по причине разогрева и разрушения кварцевой колбы ВЧИ плазмотрона. Таким образом добавка молекулярного газа – Н2 играет роль буфера, который, забирая на себя часть энергии, передаваемой от свободных электронов плазмы, с одной стороны не дает перегреваться стенкам плазмотрона, а с другой, сам становится активным, что важно для процессов водородного восстановления.

Значение температуры газа для смеси Ar/H2 = 6 на выходе из плазмотрона определяли из соотношения

(4)
${{W}_{{\text{g}}}} = {{C}_{{\text{p}}}}Q({{T}_{{\text{g}}}}--T),$
где Cp – теплоемкость газовой смеси; Q – расход газовой смеси; Tg – температура газа на выходе из плазмотрона; T – температура газа на входе в плазмотрон. Значение Tg составляет 2500 K.

Эмиссионные спектры плазмы чистого аргона и его смеси с водородом регистрировали в диапазоне 300–900 нм с помощью эмиссионного спектрометра HR4000CJ-UV-NIR с разрешающей способностью 0.3 нм, оптического волокна и коллимационной линзы COL-UV/VIS. Регистрацию эмиссионных спектров проводили в трех точках по диаметру плазмотрона как показано на рис. 1. На основе полученных спектров проводили оценку температуры электронов в плазме чистого аргона и смеси Ar/H2 в диапазоне соотношений 4–12.

Исследуемая плазма рассматривается как система частиц, взаимодействие между которыми определяет основные характеристики плазмы и, в частности, создает поле излучения. Следует отметить, что каждому процессу в плазме можно сопоставить обратный ему процесс: возбуждение – девозбуждение, ионизация – рекомбинация и т.д. Согласно принципу детального равновесия скорости прямых и обратных процессов равны. Поэтому в результате устанавливается такое распределение электронов по энергетическим уровням, которое было бы при полном термодинамическом равновесии. В этом случае количество возбужденных молекул определяется законом Больцмана. Параметром такого распределения является температура электронов, а в коэффициент пропорциональности входят только атомные константы. Отсюда появляется возможность определить температуру электронов путем измерения количества возбужденных атомов.

О количестве возбужденных атомов можно судить по количеству испускаемых ими фотонов. На практике обычно измеряют пропорциональную числу испускаемых фотонов интенсивность спектральной полосы, под которой понимается мощность излучения данной частоты, испускаемой плазмой в некоторый телесный угол, задаваемый условиями эксперимента [10]. Единичный объем плазмы испускает в единичный телесный угол излучение с интенсивностью, равной:

(5)
$\begin{gathered} {{I}_{{ki}}} = \frac{1}{{4\pi }}{{n}_{k}}{{A}_{{ki}}}h{{\nu }_{{ki}}} = \\ = \,\,\frac{1}{{4\pi }}{{n}_{0}}\frac{{{{g}_{k}}}}{{{{g}_{0}}}}{{A}_{{ki}}}h{{\nu }_{{ki}}}\exp \left( { - \frac{{{{E}_{k}}}}{{k{{T}_{e}}}}} \right). \\ \end{gathered} $

Измерив относительные интенсивности двух эмиссионных линий и, зная атомные константы перехода, можно определить температуру электронов, сравнивая между собой эти интенсивности [16]:

(6)
$\frac{{{{I}_{{ki}}}}}{{{{I}_{{mn}}}}} = \frac{{{{A}_{{ki}}}{{g}_{k}}{{\lambda }_{{mn}}}}}{{{{A}_{{mn}}}{{g}_{m}}{{\lambda }_{{ki}}}}}\exp \left( { - \frac{{{{E}_{k}} - {{E}_{m}}}}{{k{{T}_{e}}}}} \right).$

Аналогичным образом, зная температуру электронов и сравнивая интенсивности линий атомов (I) и однократных ионов (II), можно оценить концентрацию электронов [8, 17, 18]:

(7)
$\begin{gathered} \frac{{I_{{ki}}^{{{\rm I}{\rm I}}}}}{{I_{{mn}}^{{\rm I}}}} = 2\frac{{A_{{ki}}^{{{\rm I}{\rm I}}}g_{k}^{{{\rm I}{\rm I}}}\lambda _{{mn}}^{{\rm I}}}}{{A_{{mn}}^{{\rm I}}g_{m}^{{\rm I}}\lambda _{{ki}}^{{{\rm I}{\rm I}}}}}\left( {\frac{{2\pi {{m}_{e}}k{{T}_{e}}}}{{{{h}^{2}}}}} \right)\frac{1}{{{{n}_{e}}}} \times \\ \times \,\,\exp \left( { - \frac{{E_{k}^{{{\rm I}{\rm I}}} - E_{m}^{{\rm I}} + E_{k}^{ + }}}{{k{{T}_{e}}}}} \right). \\ \end{gathered} $

Для определения температуры электронов были выбраны атомные линии аргона с наибольшей вероятностью излучательного перехода 434.51, 750.38 и 811.38 нм [8, 10]. Для повышения точности измерений расчет был выполнен для трех линий, а результат усреднялся. Для оценки концентрации электронов была выбрана линия однократного иона аргона 406.511 нм. Сравнение относительных интенсивностей в этом подсчете проводилось с уже использованными атомными линиями 434.51, 750.38, 811.38 нм [16, 19].

Общую степень конверсии треххлористого бора определяли методом ИК спектроскопии с точностью 3 мол. % на спектрометре Bruker Vertex 80v. Выход конденсированного бора определяли гравиметрическим методом с точностью 1 × 10–3 г. Рентгенофазовый анализ полученных образцов порошкообразного бора проводили на дифрактометре XRD-7000. Морфологию поверхности порошкообразного бора исследовали методом сканирующей электронной микроскопии на электронном микроскопе SUPRA 50VP и NEON 40 (Carl Zeiss, Germany). Элементный состав образцов определяли с помощью метода рентгеновского микроанализа на спектрометре Oxford Instruments Company. Примесный состав определяли методом лазерной масс-спектрометрии на приборе EMAL-2. Спектры комбинационного рассеяния (КР) исследовались на приборе NTEGRA Spectra производства компании NT-MDT с применением лазера с длиной волны 473 нм. Излучение фокусировалось 100× объективом с апертурой NA = 0.95. Определение размера частиц порошка проводили на анализаторе размера частиц SALD 2300 (Shimadzu) методом лазерной дифракции.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 показаны характерные эмиссионные спектры ВЧИ-разряда аргоновой плазмы и плазмы смеси Ar + H2 при атмосферном давлении. В эмиссионном спектре смеси Ar + H2 наблюдаются полосы при 486.13 и 656.2 нм атомарного водорода Нβ и Нα, соответственно, и отсутствуют полосы молекулярного водорода α-серии Фулхера в области 575–625 нм. Это свидетельствует о практически полной диссоциации водорода при выбранных экспериментальных условиях. Поэтому, можно предположить, что для смеси Ar + H2 проведение оценки температуры электронов Те также допустимо.

Рис. 2.

Характерные эмиссионные спектры ВЧИ-разряда (a) – плазма Ar; (б) – плазма Ar + H2 (Ar/H2 = 4, Р = 1 атм).

Определенная по соотношению интенсивностей спектральных полос аргона температура электронов и их концентрация в чистой аргоновой плазме (рис. 2а) составляет 0.88 эВ и 7.6 × 1014 см–3. При добавлении водорода температура электронов резко падает до 0.52 эВ и далее при уменьшении соотношения Ar/H2 (увеличении концентрации водорода в смеси Ar + H2) продолжает монотонно снижаться до 0.42 эВ при Ar/H2 = 12. Концентрация электронов при этом уменьшается до 8 × 1012 см–3 (рис. 3б). Температура и концентрация электронного газа, полученная для крайних точек плазмотрона, на 10% меньше чем в центральной части. Можно предположить, что при добавлении в плазмообразующий газ водорода, значительная часть энергии расходуется на его диссоциацию. Это подтверждается отсутствием полос молекулярного водорода α-серии Фулхера в эмиссионных спектрах (рис. 2б).

Рис. 3.

Зависимость (а) – температуры и (б) – концентрации электронов от соотношения смеси Ar/H2.

Согласно проведенной оценке температуры газа, в данных экспериментальных условиях, как следует из [20], возможно образование такой активной частицы как ${\dot {H},}$ обладающей также и восстановительными свойствами. Концентрация атомарного водорода при температуре 2500 K достигает 6 × 1015. Атомизация водорода происходит при Тg ≥ 2000 K по реакции:

(8)
${{{\text{Н }}}_{2}} \to 2{\text{Н }}{\text{.}}$

Кроме того в плазме присутствуют атомы аргона в метастабильном состоянии Ar* время жизни которых составляет ≈1.3 с [20]:

(9)
${\text{Ar}} + {\text{е }} \to {\text{Ar*}} + {\text{е }}{\text{.}}$

Образование данных частиц определяет пути прохождения конкретных плазмохимических реакций с их участием. В качестве таковых рассмотрим водородное восстановление треххлористого бора (BCl3). В соответствие с [21] для BCl3 при данной температуре газа в плазме в заметных количествах образуются следующие частицы: BCl2 в диапазоне от 2500–3000 K, BCl в диапазоне от 2500–4500 K и Cl в диапазоне от 2500–5500 K. В [22] приводится кинетический анализ системы BCl3 + Н2 и отмечается, что водородное восстановление треххлористого бора до Вsolid протекает через промежуточные радикалы BCl2 и BCl с образованием летучих промежуточных веществ BНCl2 и BН2Cl. Осуществляя ввод химически-активной смеси BCl3 + H2 в высокотемпературную зону и учитывая возможность образования активных частиц Ar* и ${\dot {H}}$ можно предположить протекание следующих промежуточных реакций:

(10)
${\text{BC}}{{{\text{l}}}_{3}} + {\text{Ar*}} \to {\text{BC}}{{{\text{l}}}_{2}}\quad + {\text{ Cl}} + {\text{Ar,}}$
(11)
${\text{BC}}{{{\text{l}}}_{2}}\quad{\text{ + Н }} \to {\text{BН C}}{{{\text{l}}}_{2}},$
(12)
${\text{BC}}{{{\text{l}}}_{2}}\quad + {\text{ Ar*}} \to {\text{BCl}} + {\text{Cl}} + {\text{Ar,}}$
(13)
${\text{BCl}} + 2{\text{Н }} \to {\text{B}}{{{\text{Н }}}_{{\text{2}}}}{\text{Cl,}}$
(14)
${BCl\;} + {\text{Ar*}} \to {{{\text{B}}}_{{{\text{solid}}}}} + {\text{Cl}} + {\text{Ar,}}$
(15)
${\text{Н }} + {\text{Cl}} \to {\text{Н Cl}}{\text{.}}$

Основные химические реакции в процессе синтеза бора

Процессы водородного восстановления всегда проводятся в условиях избыточной концентрации водорода [23]. Однако для реализованных экспериментальных условий при мольном соотношении Ar/H2 = 4, как уже отмечалось, наблюдаются газодинамические неустойчивости и газовый разряд гаснет. Поэтому для анализа протекания возможных реакций водородного восстановления указанных веществ в рассмотренных экспериментальных условиях целесообразно выбрать мольное соотношение Ar/H2 = 6. Соотношение Н2/BCl3 в процессе восстановления поддерживалось постоянным, равным 10. С целью определения степени конверсии треххлористого бора проводили сравнительные исследования химического состава исходной смеси, подаваемой в плазмотрон и газофазных продуктов реакции методом ИК спектроскопии. ИК-спектр исходной смеси BCl3 + H2 + Ar показан на рис. 4a. Из спектра видно, что в исходной смеси присутствуют полосы в области 954, 993, 1372, 1421 и 1908 см–1 соответственно, принадлежащие треххлористому бору (BCl3). В качестве примесей присутствует незначительное количество дихлорборана (BCl2H) и хлористого водорода (НCl), полосы которых лежат в области 720, 886 и 3000 см–1 соответственно. В газофазных продуктах реакции (рис. 4б), наблюдается существенное снижение интенсивности полос, принадлежащих BCl3. Кроме того, появляются полосы с максимумами на 900, 1083, 1097 см–1, принадлежащие дихлорборану. Полосы, соответствующие монохлорборану в ИК спектре продуктов реакции не наблюдаются. Следовательно можно считать, что реакция (13) не протекает. Основными химическими реакциями в реализованных экспериментальных условиях являются реакции с образованием бора и дихлорборана:

(16)
${\text{BC}}{{{\text{l}}}_{3}} + 3{{{\text{Н }}}_{2}} \to 2{\text{B}} + 6{\text{Н Cl,}}$
(17)
${\text{BC}}{{{\text{l}}}_{3}} + {{{\text{Н }}}_{2}} \to {\text{BC}}{{{\text{l}}}_{{\text{2}}}}{\text{H}} + {\text{Н Cl}}.$
Рис. 4.

ИК-спектр исходной смеси BCl3 + H2 + Ar (а) и газофазных продуктов реакции на выходе из плазмохимического реактора (б).

С точностью 3% общая степень конверсии треххлористого бора составляет 75%, из которых 10% переходит в побочный продукт – дихлорборан, а 65% в целевой продукт – бор.

Оценка степени конверсии треххлористого бора в бор по составу выходящей из реактора газовой фазы подтверждается расчетом материального баланса с учетом расхода исходного вещества (BCl3) и собранной твердой фазы – бора.

Исследование морфологии и структуры образцов бора

На рис. 5 показана морфология образцов B и элементный состав по данным рентгено-флюоресцентной спектроскопии. Образец бора представляет собой мелкие частицы, размер которых в основном не превышает 200 нм (рис. 5а). В образце, полученном с использованием треххлористого бора (рис. 5б) кроме основного компонента (бор 98.1 мас. %) содержатся кислород и хлор, концентрация которых составляет 0.9 и 1.0 мас. % соответственно.

Рис. 5.

Морфология (а) и элементный состав (б) образца B, полученного с использованием трихлорида бора.

Рентгенофазовый анализ образца показан на рис. 6. Основная фаза идентифицируется как β-бор с ромбоэдрической ячейкой. Оценка размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) по ширине пиков – 15 нм. На рентгенограмме также идентифицируется вторая фаза – борная кислота. Этим объясняется наличие кислорода в образце.

Рис. 6.

Рентгено-фазовый анализ мелкодисперсного бора.

В табл. 1 показан примесный состав образца B. Заслуживают внимания примеси углерода, азота, кислорода и хлора. Повышенное содержание кислорода связано, по-видимому, с наличием борной кислоты, что также подтверждается рентгенофазовым и рентгено-флюоресцентным анализом. Углерод, скорее всего, поступает из конструкционных материалов фильтра. Хлор является примесью поступающей в результате восстановления треххлористого бора и идентифицируется также с помощью рентгено-флюоресцентного анализа. Примесь азота поступает в образец в результате абсорбции из воздуха.

Таблица 1.  

Содержание примесей в образце B

Элемент C, ат. % Элемент C, ат. %
C ≈1.3 K 4 × 10–4
N ≈0.8 Ca 4 × 10–3
O ≈2.1 Ti 4 × 10–4
F 3 × 10–3 Cr 8 × 10–3
Na 1 × 10–3 Fe 5 × 10–2
Mg 1 × 10–3 Ni 4 × 10–3
Al 3 × 10–2 Mn 9 × 10–4
Si 7 × 10–3 Cu 1 × 10–4
P 2 × 10–4 Zn 3 × 10–4
S ≤3 × 10–3 Ge <4 × 10–5
Cl 1.5 W <1 × 10–4

КР спектры (рис. 7а), полученные из нескольких точек образца, показывают несколько узких и интенсивных пиков на частотах в области 440 и 761 см–1, на фоне широких полос, характерных для аморфных систем. Так же на фоне широких полос, наблюдаются узкие пики малой интенсивности на частотах 350, 479, 536, 584, 620, 645, 670, 814, 864 и 940 см–1. В качестве особенности можно выделить полосу на частоте 1100 см–1, характерную для кристаллического β-бора [24]. Полученные данные хорошо коррелируют с данными рентгено-фазового анализа (рис. 6).

Рис. 7.

КР спектр порошкообразного бора (a) и его дисперсный состав (б).

Проводя исследование дисперсного состава, для порошка В (рис. 7б) получили распределение от 0.145 до 4.562 мкм, с максимумом распределения при 0.333 мкм, второй менее заметный максимум приходится на 1.984 мкм. В целом 99.9% частиц меньше по размеру 3.755 мкм, а 50% частиц от общего объема меньше по размеру, чем 0.443 мкм. Полученные данные расходятся с данными о размерах частиц, полученных с помощью сканирующего электронного микроскопа. Это можно объяснить агломерированием частиц с размерами 200 нм и менее. Получившийся в результате агломерат невозможно разделить с помощью ультразвука при подготовке пробы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований найден оптимальный режим работы ВЧИ-плазмотрона с тангенциальной подачей газового потока и с использованием в качестве плазмообразующей смеси Ar + H2. В оптимальных условиях определена температура и концентрация электронов в области индуктора в зависимости от соотношения Ar /H2. Калориметрическим методом проведена оценка температуры газа. Также в оптимальных условиях проведено исследование процесса водородного восстановления треххлористого бора. Показано, что основными продуктами реакции являются дихлорборан и поликристаллический бор. Получен нанопорошок бора с характерными размерами 200 нм. Содержание примесей в полученном образце составляет 1 × 10–3 ат. %.

Авторы благодарят Российский научный фонд (грант № 17-13-01027) за финансовую поддержку работы в целом и Министерство науки и высшего образования РФ (проект № 0095-2016-0006) за предоставление аналитического оборудования для характеризации материала.

Список литературы

  1. Reed T.B. // J. Appl. Phys. 1961. V. 32. P. 821.

  2. Eckert H.U. // Report SAMSO-TR-72-227. 1972. Los Angeles.

  3. Мазин В.И. // Патент 2233563 RU. 2004.

  4. Frolov V., Matveev I., Ivanov D., Zverev S., Ushin B., Petrov G. // Rom. J. Phys. 2011. V. 56. P. 36.

  5. Matveev I., Matveyeva S., Zverev S. // IEEE Trans. Plasma Sci. 2014 V. 42. P. 3891.

  6. Vetrov S.I., Spitsyn A.V., Shuvaev D.A., Yanchenkov S.V. // Plasma Physics Reports. 2006. V. 32. P. 418.

  7. Гольдфарб В.М., Дресвин С.В. // Теплофизика высоких температур. 1995. V. 3. Р. 333.

  8. Isola L.M., G’omez B.J., Guerra V. // J. Phys D Appl. Phys. 2010. V. 43. P. 01520.

  9. Greene B.R., Clemens N.T., Varghese P.L., Bouslog S.A., Del Papa S.V. // 55th ALAA Aerospace Scinces Meeting. 2017. P. 0394.

  10. Laux C.O., Spence T.G., Kruger C.H., Zare R.N. // Plasma Sources Sci. Technol. 2003. V. 12. P. 125.

  11. Diana M., Russo G., Mario L. // Intern. Round Table on Study and Applicat of Transport Phenomena in Thermal Plasmas Reports rep. 1.8. 1975. CNRS (France).

  12. Cneilleron I., Cruiziat B. // Bull Soc. Chim. 1973. V. 4. P.1207.

  13. Murdoch H., Hamblyn S. // Patent 3625846 U S. 1971.

  14. Kelina I.Yu., Ershova N.I., Arakcheev A.V. et al. // Refractories and Industrial Ceramics. 2004. V. 45. P. 185.

  15. Русанов В.Д., Фридман А.А. // Физика химически активной плазмы. М.: Наука. 1984.

  16. Han G., Cho G. // Appl. Sci. Converg. Technol. 2017. V. 26. P. 201.

  17. Zhu X.-M., Pu Y.-K. // Plasma Sources Sci. Technol. 2008. V. 17. P. 024002.

  18. Iordanova E., de Vries N., Guillemier M., Mvan der Mullen J.J. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008. V. 41. P. 015208.

  19. Bityurin V.A., Grigorenko A.V., Efimov A.V., Klimov A.I., Korshunov O.V., Kutuzov D.S., Chinnov V.F. // High Temperature. 2014. V. 52. P. 31.

  20. Raizer Y.P. // Gas Discharge Physics. 1991 (Berlin: Springer).

  21. Нестер С.А., Потапкин Б.В., Левитский А.А., Русанов В.Д., Трусов Б.Г., Фридман А.А. // Кинетико-статистическое моделирование химических реакций в газовом разряде М.: ТсНИИ атоминформ. 1988.

  22. Fridman A. // Plasma Chemistry. 2008 (New York: Cambridge).

  23. Цветков Ю.В., Панфилов С.А. // Низкотемпературная плазма в процессах восстановления. М.: Наука. 1980.

  24. Lannin J.S. // Solid State Communications. 1978. V. 25. P. 363.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Химия высоких энергий

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал