Впервые в мировой практике лабораторией прикладной электродинамики ИЭФ развито применение магнитно-импульсного прессования (МИП) для получения объемных наноструктурных материалов. Принцип данного метода состоит в электромеханическом преобразовании энергии первичного емкостного накопителя в кинетическую энергию пресс-инструмента, совершающего работу по сжатию порошка. Метод характеризуется мягкими импульсными волнами сжатия в порошках с амплитудой до 2 ГПа (при многократном использовании пресс-инструмента) и длительностью в диапазоне 10-500 мкс. Метод позволяет генерировать и более высокие импульсные давления, порядка 10 ГПа, но при однократном использовании пресс-инструмента.

Мягкие импульсные волны сжатия оказываются весьма эффективным инструментом для уплотнения порошков с размерами частиц < 100 нм. При импульсном сжатии нанопорошков удачно сочетаются одновременные действия следующих существенных факторов.

• Высокое импульсное давление способствует силовому уплотнению наночастиц.
• Влияние большого механического импульса частиц выражается в значительном снижении роли потенциального межчастичного взаимодействия, препятствующего взаимному перемещению наночастиц, что можно рассматривать как повышение подвижности частиц, а на макроуровне - как снижение внутреннего трения. Это позволяет получать прессовки из нанопорошков с более высокой плотностью. Причем роль данного эффекта усиливается при уменьшении среднего размера частиц в порошке.
• Благодаря адиабатичности процесса, мягкое импульсное прессование ха-рактеризуется значительным импульсным нагревом сжимаемого порошка, что улучшает его прессуемость и способно стимулировать структурно-фазовые превращения.
• За счет быстротечности импульсного прессования в ряде случаев удается сохранять метастабильные структурно-фазовые состояния порошков, пред-почтительные для формируемого объемного наноматериала.

Разработано и создано оборудование для магнитно-импульсного прессования нанопорошков различных материалов. Принципиальное отличие наших конструкций импульсных прессов состоит в возможности компактирования наноразмерных порошков.

Экспериментальные установки экономичны, допускают автоматизацию процесса и значительное повышение производительности. Импульсное прессование нанопорошков может производиться при темпера-турах до 500 °С в условиях вакуума после термической дегазации, обеспечивающей удаление адсорбированных веществ с поверхности частиц.

В имеющихся установках МИП двух типов реализовано прессование с использованием плоских и радиально сходящихся волн сжатия.

Принцип действия плоского (одноосного) МИ пресса поясняется схемой. Одноосный пресс содержит плоский спиральный индуктор и расположенный рядом механический концентратор (массивная проводящая плита), отделяемый от индуктора тонким изолирующим зазором. Индуктор и концентратор вместе представляют осесимметричную индукторную систему. При пропускании разрядного тока i накопителя через индуктор в зазоре между ним и концентратором создается импульсное магнитное поле B, индуцирующее ток плотностью j в проводящей поверхности концентратора. Результирующая импульсная сила fM, выталкивающая концентратор из области магнитного поля, представляется результатом взаимодействия индуцированного тока j и магнитного поля. Концентратор, аккумулируя механический импульс, приводит в движение пуансон, сжимающий порошок в матрице.

Характеристики одноосного магнитно-импульсного пресса:

• амплитуда импульсной силы - до 900 кН;
• длительность импульсной силы - 200 - 500 мкс;
• энергоемкость первичного накопителя - 30 кДж;
• ток в разрядном контуре - до 50 кА;
• амплитуда магнитного поля индуктора - до 15 Т;
• диаметр прессовок из нанопорошков - до 40 мм;
• высота прессовок - меньше диаметра;
• дегазация перед прессованием
  - при температуре до 600°С,
  - при степени вакуума до 1 Па.

Основные узлы установки: генератор импульсных токов; рама пресса с индукторной системой; блок дегазации; пресс-инструмент; датчики для измерения тока в индукторе, давления прессования и перемещения пресс-инструмента.

Внешний вид пресса и принципиальная блок-схема приведены на следующих рисунках.

Характерные временные зависимости прессующего давления, P(t), и тока в индукторе, i(t), на примере прессования диска из нанопорошка Al₂O₃ диаметром 30мм, представлены на графике

Для прессования длинномерных заготовок из нанопорошков в форме труб и стержней отработана техника магнитно-импульсного сжатия тонкостенных медных трубчатых оболочек. Такая оболочка выполняет функцию радиально сходящегося цилиндрического пуансона. Используется принцип радиального сжатия оболочки под действием давления магнитного поля, генерируемого протекающим вдоль трубы большим импульсным током (схема Z-пинча). Схема прессования порошковых трубчатых заготовок представлена на рисунке. Перед прессованием порошок 3 укладывается в трубчатую полость между медной трубой 1 и стержнем 2 из твердого материала, выполняющего функцию формирования канала. После дегазации порошка внутри специального бокса осуществляется газоплотное in-situ капсулирование пресс-формы с помощью прокладок 4 и 5. Это позволяет манипулировать с пресс-формой на воздухе, не опасаясь вторичного проникновения в прессуемый порошок адсорбируемых веществ. Подготовленная пресс-форма подключается к генератору импульсных токов с емкостным накопителем энергии С. В ходе прессования большой импульсный ток протекает вдоль медной оболочки и возвращается к генератору по осесимметричной массивной внешней металлической трубе.

Характеристики радиального магнитно-импульсного пресса:

• амплитуда импульсного давления - до 2 ГПа;
• длительность импульса давления - 10-50 мкс;
• энергоемкость первичного накопителя - 135 кДж;
• ток в разрядном контуре - до 2 МА;
• амплитуда рабочего магнитного поля - до 50 Т;
• диаметр прессовок из нанопорошков - до 20 мм;
• длина прессовок - до 250 мм;
• дегазация перед прессованием
  - при температуре до 600°С,
  - при степени вакуума до 1 Па.