【正文】 ............................................ 21 電弧等離子體法在納米材料制備方面的應(yīng)用 ............................................................. 21 納米粉末的制備 .......................................................................................................... 21 薄膜的制備 .................................................................................................................. 22 納米管等準(zhǔn)一維納米材料的制備 .............................................................................. 23 3 實(shí)驗(yàn)部分 ............................................................................................................................ 24 實(shí)驗(yàn)原理 ......................................................................................................................... 24 實(shí)驗(yàn)主要技術(shù)線路 ...................................................................................................... 24 NiAl 納米粒子的生長機(jī)理 ......................................................................................... 25 等離子體法制備納米金屬粉體的影響因素 .............................................................. 25 納米金屬粉體材料的評(píng)定指標(biāo) .................................................................................. 26 實(shí)驗(yàn)設(shè)備介紹 ................................................................................................................. 27 SNHIVB 型實(shí)驗(yàn)室用金屬納米粉制取設(shè)備 介紹 .................................................... 27 設(shè)備參數(shù)及各部分構(gòu)成 .............................................................................................. 27 各元件的作用和操作順序 .......................................................................................... 28 實(shí)驗(yàn)過程 ......................................................................................................................... 30 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ................................................................................................................. 32 單因素變量分析 .......................................................................................................... 32 最優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì) .................................................................................................. 34 4 結(jié)論 .................................................................................................................................... 37 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 38 致 謝 ...................................................................................................................................... 40 畢業(yè)論文 第 1 頁 共 40 頁 1 緒論 引言 納米科學(xué)技術(shù)（ NanoST）是 20 世紀(jì) 80 年代誕生 并逐漸崛起的新科技 ,基本內(nèi)涵是 :在納米尺寸（ 1~100nm）范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)造具有特定功能的新物質(zhì)材料。 納米復(fù)合金屬制備中粒度的控制技術(shù)研究 摘 要 新材料是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和載體，納米科技作為 2l世紀(jì)的主導(dǎo)科學(xué)技術(shù)，將會(huì)給人類帶來一場前所未有的新的工業(yè)革命，納米材料是納米技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，納米材料表現(xiàn)出常規(guī)塊體材料不具備的物理和化學(xué)性質(zhì)，以及在許多領(lǐng)域展示的潛在的重要應(yīng)用前景已經(jīng)成為當(dāng)今納米材料的前沿和熱點(diǎn)。納米粒子是由數(shù)目較少的原子和分子組成的原子群或分子群，其尺寸一般在 1~100nm 之間。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，納米材料及其技術(shù)開始蓬勃發(fā)展，研究的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大，領(lǐng)域也逐漸拓寬 [4][5]。制備要求一般要達(dá)到表面潔凈、納米材料的形貌及尺寸、粒度分布可控，易于收集、有較好的穩(wěn)定性、產(chǎn)率高等方面。直流電弧等離子體發(fā)生器是目前使用最廣泛的等離子體發(fā)生器。 東北大學(xué)材料與冶金學(xué)院的李志杰等人設(shè)計(jì)的氫電弧等離子體法制備納米材料的裝置成功的制備出平均粒徑分別為 75nm、 56nm、 81nm和 77nm的納米金屬鋁、鐵、銅和鉛粉末。 （ 4）化學(xué)氣相反應(yīng)法（ CVD） 讓一種或幾種氣體通過光、熱、電、磁、化學(xué)等作用而發(fā)生熱分解、還原或其它反應(yīng)，從氣相中析出納米粒子。 （ 2）沉淀法 化學(xué)沉淀法是目前應(yīng)用較廣泛的納米粉體制備方法之一，如日本的石原產(chǎn)業(yè)公司和帝國化工公司、英國的 Ti0xide 集團(tuán)公司、芬蘭的凱米拉公司等以 TiOSO4或 H3TO3為原料生產(chǎn)納米 TiO2。 （ 5） 微乳液法 兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、聚結(jié)、團(tuán)畢業(yè)論文 第 5 頁 共 40 頁 聚、熱處理得到納米材料。 模板合成法 模板技術(shù)是指采用具有納米孔洞的基質(zhì)材料中的空隙作為模板，進(jìn)行納米材料的合成。 至目前為止，人們制備納米材料的各種方法已多達(dá)上百種。 當(dāng)前納米金屬粉末制備技術(shù)中存在的問題及發(fā)展趨勢 總的來說，納米 金屬粉末的制備研究已有很多報(bào)道，但是往往僅局限于實(shí)驗(yàn)室水平，產(chǎn)率小，質(zhì)量不穩(wěn)定，工業(yè)化水平低。 有機(jī)化合物熱分解法：利用羰基鎳 /鐵化合 物的分解反應(yīng)，在溫度為 150℃ ~200℃，畢業(yè)論文 第 7 頁 共 40 頁 壓力為 10~20MPa的環(huán)境中熱分解而生成納米鎳或鐵粉。在部分鹽溶液中加入 EDTA二鈉鹽以絡(luò)合 M+離子，所有配制好的溶液均通入高純 N2一小時(shí)以除去溶解的氧，然后在 60Co源場中輻照。HCl還原至 M2+，堿性條件下，加入 N2H4 從科學(xué)研究的角度，雖然已有對(duì)納米金屬粉體材料制備的較多文獻(xiàn)報(bào)道，但大多數(shù)均還停留在實(shí)驗(yàn)室制備、工藝優(yōu)化的水平上；尤其對(duì)于等離子體方法制備納米金屬粉體材料，不僅其制備工藝的摸索尚淺，而且對(duì)其制備過程中納米金屬顆粒的生成控制因素、產(chǎn)率提高手段及超細(xì)粉體粒子的收集等關(guān)鍵過程均未查見相關(guān)研究報(bào)道。在納米粒子的研究中人們最感興趣的問題之一就是其粒度和形貌，可以人為地控制粒子的大小、粒度分布均勻和形狀規(guī)則是高品質(zhì)納米粒子必須具備的基本特征，是制備過程中必須自始至終值得重點(diǎn)關(guān)注的問題。 畢業(yè)論文 第 10 頁 共 40 頁 2 直流電弧等離子體制備納米材料的形成機(jī)理分析 納米材料是指 在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍 （ 1~100nm） 或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于 10~100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。電場不平衡進(jìn)一步加強(qiáng)了導(dǎo)電區(qū)域，因而有更多的電子擴(kuò)畢業(yè)論文 第 11 頁 共 40 頁 散，就像雪崩一樣發(fā)生擊穿，使得氣體的電離程度得以提高?？拷帢O附近的尺寸很小，但電場強(qiáng)度很大的區(qū)域稱為陰極區(qū)，整個(gè)陰極區(qū)的電壓降約為 10V。 （ 2）陽極及陽極區(qū)：陽極只是接受電子，電子流入陽極也集中在陽極表面不大的面積上，稱為陽極斑點(diǎn)。在弧柱中，正離子和電子由于受到電場的作用而定向運(yùn)動(dòng)，正離子的質(zhì)量遠(yuǎn)大電子，它運(yùn)動(dòng)速度比電子慢的多。每次放電后，蒸發(fā)室內(nèi)壁和陰極表面可以看到一薄薄的陽極材料覆蓋層，陽極表面也有一兩個(gè)微坑。陰極斑點(diǎn)是陰極表面放電集中的高電流密度的光亮區(qū)，斑點(diǎn)越大移動(dòng)越慢，對(duì)陽極表面的侵蝕就越嚴(yán)重，并伴有液滴濺出，個(gè)別灼痕就是在起弧瞬時(shí)產(chǎn)生的。 （ 3）陰極弧斑放電的特征 ①放電電壓低（十幾至幾十伏），電流大（幾安培至上千安培），電流隨電壓的增大而迅速增大，是一種弧光放電； ②電流集中在很小的運(yùn)動(dòng)的區(qū)域（即弧斑）上，陰極表面 局部電流密度超過 1010A/m2（對(duì)于鎢，電子發(fā)射的電流密度最大可達(dá) 1013A/m2），在所有的放電形式中是最高的，其電子發(fā)射機(jī)理為熱場致發(fā)射； ③陰極材料在弧斑處被氣化燒蝕，陰極弧斑放電的介質(zhì)為陰極蒸汽（金屬原子的電離能較低）及其它低壓氣體，真空弧放電介質(zhì)為陰極蒸汽； ④弧斑形成于弧坑邊緣的微凸體處，微凸體爆裂形成新的弧坑和微凸體，并產(chǎn)生高速蒸汽流，發(fā)出強(qiáng)光，這就是弧斑。 氣氛對(duì)電弧放電的影響 電弧放電介質(zhì)對(duì)于試樣的蒸發(fā)和激發(fā)過程影響極大。 氬的熱焓很低，使用氬氣做工作氣體的弧電壓最低，電弧的輸出功率也低。工作氣體中混入了氫，會(huì)明顯地提高電弧的熱功率。例如在 Ar中加入一定比例的 H2，氬氣的起弧性能和電弧的穩(wěn)定性好，但功率低，氫氣的焓值和導(dǎo)熱性能很高，但要求很高的電弧電壓，而 Ar和 H2的混合氣體既保持了電弧的穩(wěn)定 性又提高了試樣的蒸發(fā)率?；≈袣怏w的電離主要是高溫引起的。在近代物理中，規(guī)定電離度小于％為弱電離氣體，大于 ％為等離子體 [29]。磁收縮效應(yīng)在自由電弧中也存在，但等離子弧有較高的電離 密度，磁收縮效應(yīng)要更強(qiáng)；機(jī)械壓縮是一種措施，從噴嘴送入的工作氣體，是機(jī)械措施，它使電弧受到壓縮作用，這種壓縮作用的機(jī)理是上面的兩個(gè)效應(yīng)。鎢電極在電弧燃燒時(shí)很少蒸發(fā)，因此用鎢極的電弧溫度比較高。 等離子弧的電特性 等離子弧處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，其電壓與電流之間的關(guān)系稱為等離子弧的靜特性。在等離子弧中，工作氣體起了這種穩(wěn)定作用，由于氣流的穩(wěn)定作用，等離子弧具有較強(qiáng)的方向性，外界磁場及氣流對(duì)它的方向性影響要比普通焊接電弧小一些。 電弧等離子體法制備納米材料，是在惰性氣體中通過高能電弧等離子體作用，利用等離子體能量高度集中的特征，使反應(yīng)物（一般為一種金屬和一種非金屬的混合物）迅速蒸發(fā)，形成氣相過飽和蒸汽，再利用周圍冷卻背景提供的高的溫度梯度使反應(yīng)物蒸汽快速形核、凝聚，在真空腔內(nèi)產(chǎn)生類似 CVD（化學(xué)氣相沉積）的過程，形成納米材料。同時(shí)，氫的存在可以降低熔化金屬的表面張力，也起到了增加蒸發(fā)速率的作用。當(dāng)溫度高于 600℃時(shí)，納米 Fe粒子貯藏的氫全部釋放完畢，再也沒有還原劑的存在，納米粒子全部轉(zhuǎn)化為氧化物。在一定機(jī)械力作用下，平均粒徑為 50nm的粒子由于可以再分散為 3~5nm，可以被加載到載體孔中。 本文利用等離子體溫度場特征，開展制備納米金屬粉末的研究工作。楊彥明等采用等離子體法制備出平均粒徑在 30～ 45nm的金屬 Zn粉末，分析了等離子制備技術(shù)（電流強(qiáng)度、工作壓力氣流循環(huán)強(qiáng)度）對(duì)粉末產(chǎn)率及粒徑的影響。反應(yīng)過程中，持續(xù)的送料，保證反應(yīng)原料的充足。 （ 5）金屬合金與復(fù)合粉末 高建衛(wèi)等采用雙槍直流氫電弧等離子體的方法制備了產(chǎn)率較高的 CuNi復(fù)合納米粉體。隨著電流的增強(qiáng)、氣流循環(huán)的加快、工作壓力的提高，金屬粉的平均粒徑減小。