Роль амплитуды колебаний при акустическом разделении нанопорошков

Калашников С. В., Номоев А. В. Роль амплитуды колебаний при акустическом разделении нанопорошков // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2019. Вып. 2–3. С. 3–6.

Акустический метод разделения нанопорошков [1, 2] основан на фигурах Хладни, построенных порошком на поперечно колеблющейся пластине, где частицы пространственно разделяются в пучности или узлы стоячих волн в зависимости от своего размера. Первые упоминания об использовании микрофигур Хладни для разделения наноразмерных материалов содержатся в [3], где авторы пришли к выводу, что за движение частиц к пучности отвечает приповерхностное вихревое течение Шлихтинга [4], имеющее высоту своего центра от пластины, равную глубине проникновения вязких акустических волн δ = √2ν/ω. На частицы, размер которых меньше δ, действует только поток вблизи поверхности колеблющейся пластины и внаправлении узла; для частиц с размером больше

2,85 — потоки вихря Шлихтинга в целом и поток нижней части вихря Рэлея, которые приводят частицу к пучности. Следовательно, для разделения частиц с размером ~100 нм в воздухе необходима очень высокая частота механических колебаний — 1 ГГц, что ограничивает практическую ценность метода во многих приложениях.

В рамках работы, в результате серии экспериментов, была выявлена закономерность между амплитудой колебаний пластины и средними размерами частиц порошка диоксида кремния, отобранного из узловых линий и из пучности колебаний (рис.). Средние размеры наночастиц, отобранных из пучности, значительно меньше размера частиц из узловой линии, при этом с увеличением амплитуды растет и средний диаметр частиц обеих фракций. Средний размер частиц, отобранных из узловых линий, при значениях амплитуды от 100 мкм и выше не изменяется, что может быть объяснено максимальным значением размера конгломератов порошка диоксида кремния в воздухе для данного эксперимента (3,5-5 мкм). Наибольшая возможная амплитуда колебаний составляла 600 мкм, при большем значении фигуры Хладни размывались из-за большой кинетической энергии, передаваемой частицам от пластины. При амплитуде колебаний пластины, меньшей 1 мкм, фигуры не образовывались ввиду малой кинетической энергии пластины, и как следствие — малой скорости потоков среды.

Рис. Зависимость среднего диаметра частиц диоксида кремния, отобранных из узловых линий и из пучностей колеблющегося в воздухе кантилевера с частотой 0,47 и 1,035 кГц

Таким образом, экспериментальные данные разделения нанопорошка на поперечно колеблющейся поверхности показывают, что разделение возможно при сравнительно низких частотах (0,5–1 кГц), когда размер разделяемых частиц много меньше толщины слоя δ приповерхностного течения. Выявлено наличие зависимости размера частиц во фракциях из пучности и узлов колебаний не только от частоты колебаний, но и от амплитуды. Последняя особенно важна при низкой частоте, так как размер разделенных частиц при этом может регулироваться изменением амплитуды, что важно с точки зрения применения акустического метода разделения в прикладных целях.

С. В. Калашников, А. В. Номоев. Роль амплитуды колебаний при акустическом разделении нанопорошков

Выявленные закономерности открывают возможности применения акустического разделения ультрадисперсных материалов, имеющего такое преимущество, как способность разделения в газовой среде без жидкости. Возможность разделения при низких частотах позволяет использовать колебательные поверхности больших размеров, изменение частоты и амплитуды колебаний способствует регулированию размера частиц в разделенных фракциях. Это открывает новые возможности получения нанопорошков с заданными размерами частиц, что, в свою очередь, увеличит эффективность их применения в материаловедении и других областях.

Материалы публикации подготовлены с использованием оборудования ЦКП «Научные приборы» ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова».

Работа выполнена в рамках проектов по государственному заданию Института физического материаловедения СО РАН и РФФИ № 18-42-030004 — р_а.