Действие гамма-облучения на параметры активности микропорошков алюминия

Abstract

Актуальность исследования. Один из лидеров по производству алюминиевых порошков в России ООО "СУАЛ ПМ" перешел от выпуска грубодисперсных порошков к производству микронных порошков, имеющих более высокую реакционную способность. Микропорошки алюминия применяются во многих отраслях промышленности: порошковой металлургии, самораспространяющемся высокотемпературном синтезе новых материалов, водородной энергетике, пиротехнике и ракетных топливах. Повышение реакционной способности порошков алюминия в различных процессах приводит к понижению энергозатрат и экономии ресурсов. Цель: получение и объяснение экспериментальных данных по изменению параметров активности микропорошков алюминия после их облучения в зависимости от дозы γ-облучения. Объекты: микропорошки алюминия АСД-6, АСД-6М. Методы: дифференциальный термический анализ, рентгенофазовый анализ, методика облучения микропорошков алюминия [gamma]-излучением, методика расчета параметров активности порошков алюминия. Результаты. Получены количественные показатели реакционной способности микропорошков алюминия АСД-6 и АСД-6М до и после облучения [gamma]-излучением изотопа Со{60} с энергией 1,17 и 1,33 МэВ, т. е. энергией существенно ниже порога фотоядерных реакций. Дозы облучения образцов порошков составляли 1, 2, 4, 8 и 10 Мрад. После [gamma]-облучения температура начала окисления микропорошков снизилась максимально на 90 и 85 °С; максимальная скорость окисления возросла на 83 и 36 %; степень окисленности (при нагревании до 1250 °С) повысилась на 5,1 %, и минимально понизилась на 1,3 % для микропорошков АСД-6 и АСД-6М, соответственно. Удельный тепловой эффект окисления после [gamma]-облучения всеми дозами был больше, чем для необлученных порошков. Максимальные значения удельного теплового эффекта для АСД-6 на 199,5 кДж/моль, а для АСД-6М - на 134,8 кДж/моль больше тепловых эффектов, чем для необлученных порошков, что существенно превышает стандартную теплоту плавления алюминия (10,8 кДж/моль). Следовательно, такое состояние системы "алюминий - оксид алюминия" характеризуется запасенной энергией в 9 раз больше стандартной теплоты плавления алюминия, что с позиции классической термодинамики невозможно. В то же время известно, что запасание энергии в нанопорошках происходит за счет формирования двойного электрического слоя в частицах алюминия.

The relevance of the research. One of the leaders in production of aluminum powders in Russia OOO "SUAL-PM" has passed from production of coarse powders to production of micron powders with higher reactivity. Aluminium micropowders are used in many branches of industry: powder metallurgy, self-propagating high-temperature synthesis of new materials, hydrogen energy, pyrotechnics and rocket fuels. Increase of aluminium powders reactivity in various processes leads to reduction in energy consumption and resource saving. The main aim of the research was to obtain and explain experimental data on changes in activity parameters of aluminium micropowders after radiation exposure, depending on the [gamma]-radiation dose. Objects: micron-scaled aluminium powders ASD-6, ASD-6М. Methods: differential thermal analysis, X-ray diffraction analysis, method of aluminium micropowders exposure with [gamma]-radiation, method of calculation of the activity parameters of aluminium powders. Results. Quantitative indicators of the reactivity of aluminium micropowders ASD-6 and ASD-6M before and after exposure with [gamma]-radiation were obtained. The radiation source was the Co{60} isotope with the energy of 1,17 and 1,33 MeV, i. e. the energy substantially below the threshold of photonuclear reactions. The doses to the powder samples exposure were 1, 2, 4, 8, and 10 Mrad. After [gamma]-radiation exposure the micropowders oxidation start temperature has maximally decreased on 90 and 85 °C; maximal oxidation rate increased by 83 and 36 %; the degree of oxidation (at heating up to 1250 °C) increased by 5,1 %, and minimally decreased by 1,3 % for the ASD-6 and the ASD-6M micropowders, accordingly. The specific thermal effect of oxidation after [gamma]-radiation exposure with all doses was greater than for non-exposed powders; the maximum values of the specific thermal effect was on 199,5 kJ/mol for ASD-6, and 134,8 kJ/mol for ASD6M higher than thermal effects for non-exposed powders, which significantly exceeds the standard heat of aluminium melting (10,8 kJ/mol). Consequently, such a state of the «aluminium - aluminium oxide» system is characterized by the stored energy, 9 times higher than the standard heat of aluminium melting, which is impossible according to thermodynamics. At the same time, it is known that energy is stored in nanopowders due to the formation of a double electric layer in aluminium particles.