【正文】 概念[24] 10 電弧放電 12 輝光放電 13 氣氛對電弧放電的影響 14 等離子體基本概述 15 等離子體的概念 15 氣體的熱電離和等離子體 15 等離子弧的特性 16 等離子弧 16 等離子弧的熱特性 16 等離子弧的電特性 17 等離子弧燃燒的穩(wěn)定性 17 等離子體弧光放電 18 等離子體弧光放電與電弧等離子體 18 電弧等離子體技術制備納米材料的特點 19 氫電弧等離子體法 19 等離子體法制備納米金屬粉體的基本條件 20 納米金屬粉末制備中溫度梯度的作用 20 納米金屬粉末制備中氫氣氛的作用 21 電弧等離子體法在納米材料制備方面的應用 21 納米粉末的制備 21 薄膜的制備 22 納米管等準一維納米材料的制備 233 實驗部分 24 實驗原理 24 實驗主要技術線路 24 NiAl納米粒子的生長機理 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定指標 26 實驗設備介紹 27 SNHIVB型實驗室用金屬納米粉制取設備介紹 27 設備參數及各部分構成 27 各元件的作用和操作順序 28 實驗過程 30 實驗結果分析 32 單因素變量分析 32 最優(yōu)化實驗方案設計 344 結論 37參考文獻 38致 謝 40II畢業(yè)論文1 緒論 引言納米科學技術（NanoST）是20世紀80年代誕生并逐漸崛起的新科技,基本內涵是:在納米尺寸（1~100nm）范圍內認識和改造自然，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材料。納米復合金屬制備中粒度的控制技術研究摘 要新材料是科學技術發(fā)展的基礎和載體，納米科技作為2l世紀的主導科學技術，將會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應用的基礎，納米材料表現(xiàn)出常規(guī)塊體材料不具備的物理和化學性質，以及在許多領域展示的潛在的重要應用前景已經成為當今納米材料的前沿和熱點。納米粒子是由數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。進入20世紀90年代以來，納米材料及其技術開始蓬勃發(fā)展，研究的內涵不斷擴大，領域也逐漸拓寬[4][5]。制備要求一般要達到表面潔凈、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。東北大學材料與冶金學院的李志杰等人設計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）化學氣相反應法（CVD）讓一種或幾種氣體通過光、熱、電、磁、化學等作用而發(fā)生熱分解、還原或其它反應，從氣相中析出納米粒子。（2）沉淀法化學沉淀法是目前應用較廣泛的納米粉體制備方法之一，如日本的石原產業(yè)公司和帝國化工公司、英國的Ti0xide集團公司、芬蘭的凱米拉公司等以TiOSO4或H3TO3為原料生產納米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，在微泡中經成核、聚結、團聚、熱處理得到納米材料。 模板合成法模板技術是指采用具有納米孔洞的基質材料中的空隙作為模板，進行納米材料的合成。至目前為止，人們制備納米材料的各種方法已多達上百種。 當前納米金屬粉末制備技術中存在的問題及發(fā)展趨勢總的來說，納米金屬粉末的制備研究已有很多報道，但是往往僅局限于實驗室水平，產率小，質量不穩(wěn)定，工業(yè)化水平低。有機化合物熱分解法：利用羰基鎳/鐵化合物的分解反應，在溫度為150℃~200℃，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二鈉鹽以絡合M+離子，所有配制好的溶液均通入高純N2一小時以除去溶解的氧。HCl還原至M2+，堿性條件下，加入N2H4從科學研究的角度，雖然已有對納米金屬粉體材料制備的較多文獻報道，但大多數均還停留在實驗室制備、工藝優(yōu)化的水平上；尤其對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，而且對其制備過程中納米金屬顆粒的生成控制因素、產率提高手段及超細粉體粒子的收集等關鍵過程均未查見相關研究報道。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關注的問題。2 直流電弧等離子體制備納米材料的形成機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成的材料，這大約相當于10~100個原子緊密排列在一起的尺度。電場不平衡進一步加強了導電區(qū)域，因而有更多的電子擴散，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，但電場強度很大的區(qū)域稱為陰極區(qū)，整個陰極區(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。在弧柱中，正離子和電子由于受到電場的作用而定向運動，正離子的質量遠大電子，它運動速度比電子慢的多。每次放電后，蒸發(fā)室內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微坑。陰極斑點是陰極表面放電集中的高電流密度的光亮區(qū)，斑點越大移動越慢，對陽極表面的侵蝕就越嚴重，并伴有液滴濺出，個別灼痕就是在起弧瞬時產生的。（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動的區(qū)域（即弧斑）上，陰極表面局部電流密度超過1010A/m2（對于鎢，電子發(fā)射的電流密度最大可達1013A/m2），在所有的放電形式中是最高的，其電子發(fā)射機理為熱場致發(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，并產生高速蒸汽流，發(fā)出強光，這就是弧斑。 氣氛對電弧放電的影響電弧放電介質對于試樣的蒸發(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，％為弱電離氣體，％為等離子體[29]。磁收縮效應在自由電弧中也存在，但等離子弧有較高的電離密度，磁收縮效應要更強；機械壓縮是一種措施，從噴嘴送入的工作氣體，是機械措施，它使電弧受到壓縮作用，這種壓縮作用的機理是上面的兩個效應。鎢電極在電弧燃燒時很少蒸發(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，其電壓與電流之間的關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，等離子弧具有較強的方向性，外界磁場及氣流對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物蒸汽快速形核、凝聚，在真空腔內產生類似CVD（化學氣相沉積）的過程，形成納米材料。同時，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。當溫度高于600℃時，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，納米粒子全部轉化為氧化物。在一定機械力作用下，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（電流強度、工作壓力氣流循環(huán)強度）對粉末產率及粒徑的影響。反應過程中，持續(xù)的送料，保證反應原料的充足。 納米管等準一維納米材料的制備這方面的研究大多集中在碳納米管、線等的制備上。（2）從粉體質量方面，利用氣體電離特性，產生高溫溫度場，在熔化金屬的同時利用等離子體溫度場的特性獲得足夠的溫度梯度，從而保證納米粒子生成所需的必要條件。在Ni/Al液滴離開弧斑的過程中，如果它受到了更多Ar原子的緩沖，那么它的生長時間將會比其他的更長，從而能夠吸附更多的Al。③在產率和粒度的雙重保證下，將獲得的單因素影響規(guī)律快速確定多種材料的最佳工藝點。由于納米粉末顆粒極細，純金屬晶體相材料的密度是其納米粉體松裝密度的5~60倍，所以本文將松裝密度作為粒度評價的一個重要參考指標。為防止生成的金屬納米粉氧化，系統(tǒng)要求在密閉狀態(tài)下工作，設備要求在使用前由抽真空系統(tǒng)抽真空，并充入適當惰性氣體后才可以工作。坩堝固定安裝在蒸發(fā)室底面，電極桿立式放置，蒸發(fā)室后蓋通過真空橡膠管接通真空風機系統(tǒng)；后蓋和坩堝底側共有四個進氣口；蒸發(fā)室兩側安裝有2個視鏡。 各元件的作用和操作順序。所以在第一次對鎢極的時候，最好使用手動方式調整，手動方式相對遙控方式響應速度快，幾乎沒有延時。③開啟真空泵，綠色指示燈亮。（鈍化時間一般約8~10小時，鈍化時應加重型氣體和空氣，鈍化工藝見表）③鈍化完成后停風機和水泵，紅色指示燈亮。將收集到的NiAl納米粉體進行電鏡掃描，統(tǒng)計納米粒徑。 氫氬比對NiAl粉末平均粒度的影響氫氣含量/%樣品平均粒度/nm2046255430634077高純氫的加入，對于粉末產量有很大的提高，而且對于制粉過程中的某些關鍵性工藝控制有較大影響。 氣流循環(huán)強度對NiAl粉末平均粒度的影響真空風機轉速/rpm樣品平均粒度/nm90075100063110051120044氣流循環(huán)強度主要是指制粉空間中由真空風機所產生的氣流循環(huán)速度，設備操作時對該指標參數的調節(jié)是通過調節(jié)其調速電機的轉速來控制的，調速電機的轉速越高，氣流循環(huán)強度越大，風速也就越高。將收集到的NiAl納米粉體進行電鏡掃描，統(tǒng)計納米平均粒徑。，電流強度為170A，真空風機轉速為1200rpm時，改變氫氣含量。 氫氬比對NiAl粉末平均粒度的影響氫氣含量/%樣品平均粒度/nm2043255230604075，電流強度為180A，真空風機轉速為1200rpm時，改變氫氣含量。由以上實驗結果可知，隨著冷態(tài)總壓和氣流循環(huán)強度的增大，納米粒度不斷減小，產率則不斷增大。氣流循環(huán)強度對粉體收得率的影響是，隨氣流循環(huán)強度提高，粉體收得率也增加。氫氬比對收得率的影響，隨氫氬比的提高，粉體收得率大幅提高。冷態(tài)總壓對粉體質量的影響，在提高產率的前提下改變冷態(tài)總壓的工藝因素，粒子粒度有逐漸減小的趨勢。②打開鈍化收集倉下蓋，即可收集。⑤啟動高壓真空風機，綠色指示燈亮。②檢查各部管路連接螺栓是否處于旋緊狀態(tài)，是否清潔、光滑。（2）各元件的作用和操作順序①循環(huán)水泵：該元件在系統(tǒng)中起冷卻蒸發(fā)室、各個送風管道、鈍化裝置、高壓真空風機的作用，是這個系統(tǒng)開車時第一啟動的部件，尤其是電弧電源的開啟，必須以循環(huán)水泵的啟動為前提。（3）坩堝上端面和蒸發(fā)室底面平齊，坩堝盛料部分用絕緣導電隔熱層隔熱強化；坩堝端面用絕緣納米陶瓷層強化絕緣，坩堝為循環(huán)水冷結構。）本設備電源部分使用逆變電源，采用高壓高頻引弧技術，引弧方便，電弧穩(wěn)定。（6）物質相組成（輔助評定指標）：等離子體氣化蒸發(fā)再急冷后，金屬相發(fā)生變化，則生成的粉末就失去意義，所以產物粉末以XRD衍射相對比標準物質相卡片進行物相鑒定。 納米金屬粉體材料的評定指標（1）平均粒度（主要評定指標）：粒度是顆粒在空間范圍內所占大小的線性尺度，顆粒群認為是許多個粒度間隔不大的粒級所構成，則平均粒度是個數為基準的算術平均徑。 等離子體法制備納米金屬粉體的影響因素從材料本身角度來看，材料蒸汽壓起了決定性作用。 NiAl納米粒子的生長機理當兩極瞬間短路并快速拉開引燃電弧后，在電弧放電的弧斑處，溫度在瞬間可以達到5000℃，Ni和Al同時被蒸發(fā)出來，形成的等離子體不斷向四周擴散，其中有帶電粒子的反極擴散和中性粒子的自由擴散。其中電弧放電法更具有特別的意義，因為在電弧放電的過程中能達到4000K以上的高溫，所制得的碳納米管石墨化程度較高。（5）金屬合金與復合粉末高建衛(wèi)等采用雙槍直流氫電弧等離子體的方法制備了產率較高的CuNi復合納米粉體。隨著電流的增強、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。 納米金屬粉末制備中氫氣氛的作用等離子體弧光的溫度特性可以滿足制備納米金屬粉末的要求，但該方法畢竟屬于物理法范疇，產率較低；如何調整工藝提高產率是實際應用中的關鍵問題。 等離子體法制備納米金屬粉體的基本條件 納米金屬粉末制備中溫度梯度的作用高純金屬原料以一定的方式被加熱氣化、蒸發(fā)，形成煙霧狀的金屬原子團簇，整個蒸發(fā)環(huán)境為惰性氣體Ar。這種特性為使用氫電弧法制備的納米金屬粒子作為催化劑的活性組分提供了優(yōu)越的條件。使用氫電弧等離子體法已經制備出三十多種納米金屬和合金，也有部分是氧化物。（2）高的化學活性：等離子體是處于高度電離狀態(tài)的氣態(tài)物質，其中的大部分分子處于原子、離子態(tài)或激發(fā)態(tài)、這些高活性基團是化學合成反應得以順利進行的有利條件。 等離子體弧光放電 等離子體弧光放電與電弧等離子體等離子體是部分電離的氣體，是電子、正離子、光子、和中性粒子的混合物，呈電中性，通常稱為物質第四態(tài)。即弧長一定時，隨電弧的增大，其電壓降低。（2）等離子弧的熱功率：電弧的熱功率就是單位時間內電能轉變