Броуновская коагуляция твердых дисперсных частиц с фрактальной структурой

• Автор: Мелихов, Константин Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.07, 01.04.17
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1999
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 104 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
1. Фракталы. Методы получения и свойства фрактальных агрегатов
1.1.Определение структурных параметров фрактальных агрегатов
1.2.Физико-химические свойства фрактальных агрегатов
1.3 .Методы получения фрактальных кластеров
2. Влияние условий агрегации частиц в дисперсной системе на структуру образующихся фрактальных кластеров. Методика расчета фрактальной размерности кластеров, образующихся одновременно
по нескольким механизмам агрегации частиц
3. Функции распределения фрактальных дисперсных агрегатов по массам и фрактальным размерностям. Законы роста среднего размера кластера в дисперсной системе
4. Применение дисперсных систем фрактальных частиц в лазерной физике
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Известно, что твердое состояние вещества может существовать не только в форме сплошной среды, но и в виде сильно разрыхленных пористых неупорядоченных структур. В связи с тем, что такого рода структуры, образуются при коагуляции твердых дисперсных частиц их принято называть фрактальными агрегатами или фрактальными кластерами. Несмотря на то, что в классическом смысле сложная структура этих твердых тел является неупорядоченной (поскольку она образуется в марковском процессе), распределение вещества в них поддается строгому математическому описанию при помощи терминов фрактальной геометрии. Для этой цели используется понятие "фрактальная размерность”, характеризующее количество твердых первичных элементов (мономеров), содержащихся внутри окружности проведенной из центра масс кластера. Под мономерами понимаются сплошные образования твердой фазы (обычно конденсационного происхождения), характерный радиус которых незначительно колеблется относительно некоторого среднего значения лежащего в интервале г0 = 5 - 30 нм (в зависимости от способа получения частиц). Для характеристики структуры фрактальных кластеров используются две фрактальные размерности Ц, (характеризующая распределение вещества в той области кластера, где его формирование закончено) и £>р (характеризующая общее число мономеров в кластере).
Фрактальные агрегаты широко распространены в окружающем нас мире. Уникальные физико-химические свойства этих объектов (низкие плотность и теплопроводность, чрезвычайно развитая структура пор, высокая удельная поверхность, необычные оптические свойства, высокая седиментационная устойчивость дисперсных частиц), напрямую зависят от их фрактальной размерности. Достаточно простое, в принципе, управление фрактальной размерностью (например, при воздействии электрическим полем в процессе агрегационного роста указанных структур) открывает перспективы широкого использования фрактальных агрегатов в современных технологиях. Так, уже на основе существующих технологий, возможно получение материалов, обладающих очень

низкой тепло- и электропроводностью и при этом имеющих плотность сравнимую с плотностью воздуха. Перспективным считается использование макроскопических фрактальных структур (аэрогелей), образующихся путем слипания большого количества дисперсных фрактальных кластеров, для хранения компонент ракетного топлива (проведенные недавно эксперименты показали, что можно хранить 20 г азотной кислоты и 40 г диметилгидразина в одном грамме аэрогеля). Ожидается создание дисперсных и композитных материалов, фер-ритовых пленок с уникальными технологическими характеристиками.
К числу прикладных задач, для решения которых используются твердые дисперсные частицы с фрактальной структурой, могут быть отнесены выведение из окружающей среды вредных примесей, создание более эффективных фильтров, активное воздействие на конденсационные процессы и химические реакции гетерогенного катализа.
Наряду с задачами, в которых физико-химические свойства фрактальных агрегатов используются целенаправленно, существует большой класс задач, где эти твердые объекты возникают самопроизвольно. К таким задачам могут быть отнесены моделирование процессов конденсации паров воды в атмосфере, прохождение в ней мощного лазерного излучения. Большое значение имеет предсказание размера и структуры твердых дисперсных частиц в двухфазных активных средах импульсного химического НБ-лазера и кислородно-иодного лазера.
Оптимизация существующих технологий получения твердых материалов с фрактальной структурой, наличие твердых фрактальных дисперсных частиц в атмосфере, их самопроизвольное возникновение в активных средах ряда лазеров требуют разработки надежных и достаточно удобных теоретических методов прогнозирования размера, фрактальной размерности, а также статистики указанных величин дисперсных фрактальных агрегатов в течение времени для возможно более широкого диапазона условий. К сожалению, существующие теоретические модели роста фрактальных агрегатов, предсказывающие вышеперечисленные параметры при одном из наиболее часто встречающемся в эксперименте наборе условий (броуновская коагуляция частиц с единичной веро-

широких пределах, варьируя лишь температуру расплава. При этом спектр размеров образующихся частиц не изменялся и составлял 20 - 40 нм.
Агрегация частиц происходила в коагуляционной камере 4, представляющей собой медную изотермическую сферу объемом 20 л, соединенную с атмосферой через многослойный фильтр 5. Отсчет времени коагуляции начинался с момента заполнения объема до заданной плотности. Отбор агрегированных частиц на подложку б проводился с помощью термоосадителя 7. Для анализа фрактальной структуры кластеров использовался метод просвечивающей электронной микроскопии.
«г, т
Рис. 8 Схема экспериментальной установки по выращиванию фрактальных кластеров [37].
Обозначения смотри в тексте.
Фрактальная размерность образующихся кластеров уменьшалась с течением времени коагуляции от £> я 2.2 до Ля 1.8 (Подробнее смотри главу 2 диссертации).
В [44] малые частицы кобальта получали при испарении металла в атмосфере аргона при давлении 0.25 -10 мм. рт. ст. Испарение металла осуществлялось с помощью нагретой вольфрамовой спирали. Конденсат металлических частиц в виде фрактальных образований собирался на медной сетке, покрытой углеродом. Средняя толщина металлического осадка составляла 10-20 мкм, причем объем частиц кобальта по отношению к объему слоя был в пределах 10"2 - 10'4, то есть осадок имел пористую структуру и основной объем занимали поры. Средний радиус первичных частиц (мономеров) в этих образованиях увеличи-