【正文】 生熱分解、還原或其它反應，從氣相中析出納米粒子。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。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]。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(jīng)成為當今納米材料的前沿和熱點。 納米材料制備的國內外研究概況納米材料的研究最早源于十九世紀六十年代對粒徑約（1~100nm）的膠體粒子的研究，其間歷經(jīng)了三個階段：孕育萌生階段（1984年以前）、探索研究階段（1993年以前）、應用開發(fā)階段（1993年到現(xiàn)在）?？煞秩缦聝深悾耗壳埃瑖H上用來制備納米粉體的等離子體發(fā)生器主要有高頻等離子體發(fā)生器、直流電弧等離子體發(fā)生器和混合等離子體發(fā)生器。據(jù)報道, 國外已經(jīng)采用SiH4CH3 NH2NH3系統(tǒng)制備了Si/ C/ N復合粉末,微粒粒徑30nm～72nm[9]。據(jù)霧化和凝聚過程分為：噴霧干燥法、噴霧熱解法、冷凍干燥法。 固相法常見的固相制備納米材料的方法有：高能球磨法、壓淬法[14]、深度塑性變形法、離子注入法、非晶晶化法、爆炸反應法等。高能球磨法（合金化方法）：利用高能球磨，控制適當?shù)难心l件（一般研磨時間要在幾十個小時以上），以制得納米級晶粒的純元素、合金或復合材料，操作簡單，成本低，但是容易引入雜質，降低純度，顆粒分布不均勻，粒度一般較大（70~120納米以上）。在常溫常壓及高壓釜內進行反應；或者用適量的NH2OH 本課題研究的主要內容及研究方法為了在納米粒子的基礎上研究其特殊性能和制備可用的器件，首先要制備出具有穩(wěn)定分散性且粒徑可控的納米粒子，因而納米粒子制備方法的研究是其發(fā)展的先決條件。氣體通常是良好的絕緣體，但當兩個電極之間的電場強度足夠大時，其間的自由電子可積聚足夠的能量，在向陽極運動時撞擊中性分子使其游離，并留下正離子。一般情況下，在陰極產(chǎn)生的熱量要比在陽極產(chǎn)生的低。當陽極材料蒸發(fā)完時，小陰極斑又變成幾個大陰極斑，接著陽極斑、色光、陰極斑消失。陽極弧斑形成時，陽極表面電子的熱發(fā)射使陽極電位降由負值轉變?yōu)檎?。⑤可以激發(fā)難激發(fā)的非金屬元素和氣體元素。實際應用中采用混合氣體比單一氣體放電的效果更好，因為混合氣體兼有兩者的優(yōu)點。通常用電離度表示電離程度，即離子或電子的密度與電離前中性粒子的密度之比。就是由于其電弧空間存在電極金屬的蒸汽，這些電極材料金屬蒸汽的電離電位都不高。40電弧電壓/V等離子弧20一般電弧0 100 200 300 電弧電流/A 等離子弧與一般電弧的伏安特性 等離子弧燃燒的穩(wěn)定性由于高溫的弧柱密度很小，自由燃燒的電弧由于熱對流，不論如何放置，弧柱總是要飄動。 氫電弧等離子體法以氫氣為工作氣體,氫原子在化合為氫分子時放出大量的熱,產(chǎn)生強制性的蒸發(fā),使產(chǎn)量大幅度增加。（4）使用氫電弧等離子體方法制備的納米金屬粒子具有再分散特性。（1）金屬與其它單質與其它方法相比，等離子體蒸發(fā)技術制備單質納米粉具有所需設備簡單、操作方便、產(chǎn)率高、適用范圍廣等特點。我國近年來相繼研制成功了70KW和100KW 級DC arc plasma jet CVD金剛石膜大面積沉積裝置，前者可在60mm的襯底面積上獲得50m/h的沉積速率，后者可在100mm的襯底面積上獲得40m/h的沉積速率，是一種大面積工業(yè)化生產(chǎn)金剛石薄膜的裝置 。這些產(chǎn)物最終沉積在水冷壁上面，從弧斑到水冷壁這個過程的時間可以認為是這種納米復合結構的生長時間。用單位體積松裝粉末的質量表示粉末的松裝密度。內裝有電極桿、坩堝。⑤電極桿調節(jié)電機：用于調節(jié)電極桿上下、左右、前后運動，運動由控制面板按鈕調整，在引弧之前要把電極調整好，電極的控制有兩種方式：手動和遙控，手動和遙控方式的選擇靠控制面板的旋轉按鈕來切換；注意：在使用遙控方式調整電極位置的時候，電極電機的動作會出現(xiàn)響應速度慢，動作延時的現(xiàn)象，這主要是由于繼電器控制系統(tǒng)的電磁慣性所致，并非故障。②十分鐘后，關閉主風道蝶閥，開啟鈍化蝶閥進行鈍化，在鈍化過程中不能關閉風機和水泵。將收集到的NiAl納米粉體進行電鏡掃描，統(tǒng)計納米粒徑。氫氣含量為30%，真空風機轉速為1000rpm時時，改變電流強度。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。從物理角度來看，當氣流場速度減小，氣流從制粉室運送原子團簇到捕粉室的能力下降，則收得率降低；同時也造成原子團簇在高溫的制粉室區(qū)域內停留時間更長，粒度長大的趨勢相應也越大。也就是說，在冷態(tài)總壓變化時，提高產(chǎn)率的同時并沒有以犧牲粉體質量為代價。⑥啟動變頻器，高壓真空風機運行至所需頻率（待其轉速穩(wěn)定后，方可進行下一步操作）。②真空泵：在系統(tǒng)開車前必須把電弧室及內部氣路抽成真空，當真空度達到要求的數(shù)值后，停止真空泵。利用本設備能夠連續(xù)生產(chǎn)出粒徑均勻，高純度的納米級金屬粉體，粉體收集鈍化方便。（2）粒度分布（主要評定指標）：含有許多顆粒的粉體在分散體系中的分散相狀態(tài)下，其粒度的數(shù)學統(tǒng)計分布范圍即為其粒度分布。擴散過程伴隨著帶電粒子與處于基態(tài)和激發(fā)態(tài)中性粒子的碰撞和庫侖碰撞，粒子不斷電離復合，進行充分的能量交換和電荷交換。李嘉利用氫電弧等離子體法直接將塊體鐵鋁金屬間化合物蒸發(fā)，制得了納米Fe、A1粉體。調整等離子弧自身的工藝參數(shù)及制備氣氛壓力可以在一定程度上加以改善，但是產(chǎn)率的提高水平有限。（3）具有薄殼修飾特性。（3）反應氣氛可控：等離子體可在惰性氣體（At、He）、氮化氣氛（N2）及其它氣氛下進行各種反應。這個變化趨勢與電阻上的電壓電流間關系相反。電弧空間成分對弧柱溫度影響很大。溫度高到一定程度時就會有一些粒子受到高速粒子的碰撞而獲得足夠的能量，發(fā)生電離。對氨氣氛電弧放電的深入研究表明，NH3分子在放電溫度下分解，具有還原性，完全排除了氧化過程，且放電亮度比Ar電弧放電有顯著提高。若電弧放電在惰性氣氛中進行，以上所述的問題將可以避免，控制氣氛電弧放電的優(yōu)點如下：①減弱了連續(xù)光譜背景，有利于提高信背比。這種弧斑放電現(xiàn)象已經(jīng)廣泛應用于多弧離子鍍膜、真空弧斷路開關、金屬粒子源和電子源等。 電弧放電（1）陽極弧放電[25]首先提出了陽極弧設想，這樣可以比較好的解決液滴流問題，進而達到提高膜的質量問題。為了維持陰極斑點的高溫，它在陰極表面比較固定，不能快速移動；銅是冷陰極材料，這時陰極溫度低，但是陰極斑點的電流密度高，它能以很高的速度在銅電極表面上移動而仍然保持電弧穩(wěn)定燃燒。物理法純度高，團聚少，但設備昂貴產(chǎn)量低，導致當前中、高熔點納米金屬價格高昂，僅在少數(shù)國防、科研單位少量使用；物理法一般采用加熱坩堝內的純金屬塊使其氣化蒸發(fā)，再用液氮形成的急冷面進行強制冷卻的方式，或采用水冷銅套壓縮弧等離子體的方式，產(chǎn)率水平可達到幾克/小時的水平，設備造價昂貴。下面是納米材料在各領域中的具體應用情況：（1）納米材料在電子信息領域中的應用：廣泛用于單電子晶體管、單電子存儲器、納米芯片、納米電腦、光子晶體和光子存儲、量子點激發(fā)器、光電腦及磁記錄等方面。激光誘導化學氣相法：利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收，引起反應氣體分子激光光解，在一定工藝條件下獲得納米粒子空間成核與生長。其中的兩種方法較有特色，一是電弧等離子體方法，其氣氛可以產(chǎn)生集中、高能的溫度場，制備的粉末具有較好特性[17]，粒度分布較窄，平均粒度??；二是流動油面蒸發(fā)法，在真空中蒸發(fā)金屬，使其在流動的油層基面上作真空沉積，制成的超細粒徑粉范圍窄、粒度小，但設備要求較高。 自組裝技術利用分子間的相互作用，如靜電力、氫鍵以及疏水作用等，組裝成有序納米結構的過程。（3）溶膠凝膠法溶膠凝膠法是指前驅物質（水溶性鹽或油溶性醇鹽）溶于水或有機溶劑中形成均質溶液，溶質發(fā)生水解反應生成納米級的粒子并形成溶膠，溶膠經(jīng)蒸發(fā)干燥轉變?yōu)槟z，該法為低溫反應過程，允許摻雜大劑量的無機物和有機物，可以制備出許多高純度和高均勻度的材料，并易于加工成型。（3）惰性氣體蒸發(fā)凝聚法該方法是制備金屬納米粒子最直接、最有效的一種方法。物理方法有：蒸發(fā)冷凝法、離子濺射法、機械球磨法、低溫等離子體法、電火花法和爆炸法等；化學方法有水熱法、水解法、溶膠—凝膠法、熔融法等。既然納米粒子的粒徑與其性能的關系如此密切，在納米粒子制備過程中，預測和控制粒徑就顯得尤為重要。在此基礎上設計試驗,最終獲得納米金屬粉體材料的等離子體制備最佳工藝方案，制備出平均粒徑為50nm~55nm的NiAl納米粒子。1984年,、銅、鐵等。使用該種方法已經(jīng)制備出30多種納米金屬、合金和氧化物等、例如納米鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋁、銀、鉍、錫、錳、鉬、銦、鈦、鈀、銫、CuZn、PdNi、CeNi、CeFe、CeCu、ThFe、氧化鋁、氧化釔、氧化鈦、氧化鋯等。通常是在特別的反應器（高壓釜）中，采用水作為反應體系，通過將反應體系加熱至臨界溫度（或接近臨界溫度），在反應體系中產(chǎn)生高壓環(huán)境而進行無機合成與材料制備。張鵬遠等以工業(yè)氫氧化鋁為原料,應用超重力法成功制備出了平均粒徑小于50nm的超細氫氧化鋁。電弧等離子體法是目前實驗室和工業(yè)上廣泛采用的制備納米粒子的方法之一。超聲電解沉積法：將溶液中的金屬陽離子在電流的作用下向陰極移動，并在陰極表面還原沉積。同時，也造成納米金屬粉末產(chǎn)品價格居高不下，目前納米金屬粉末價格普遍在10000元/kg以上，這使納米金屬粉末的應用大大受限。掌握SNHIVB型實驗室用金屬納米粉制取設備制備納米復合金屬的工藝、流程，包括開機前的準備、生產(chǎn)過程、鈍化過程和收集包裝過程。引燃電弧時，電子從陰極放出，穿過電弧空間，進入陽極。等離子弧的弧柱具有更高的溫度，它的陽極電壓降要更低。發(fā)射處呈幾個明亮的小斑點，則陰極斑點形成。輝光放電發(fā)生在低壓交流供電系統(tǒng)的接觸點上，當電路連接松散、接觸點的導體失去光澤或氧化作用較深時，輝光放電更容易發(fā)生。關于Ar氣氛電弧放電機理，相關文獻指出，Ar的亞穩(wěn)態(tài)原子在Ar氣氛放電中對激發(fā)的作用不可低估，即Ar正的亞穩(wěn)態(tài)原子為第二類碰撞激發(fā)占有一定的比重。事實上，等離子體就是由上述大量正負帶電粒子和中性粒子組成的一種高溫高活性離子化的導電氣體，具有高的化學活性和反應性。 等離子弧的特性 等離子弧等離子?。菏褂脵C械或電的壓縮以造成收縮的等離子柱并能把高度集中的熱量傳遞到小的表面積的電弧。等離子弧的熱功率可以通過改變電流、噴嘴直徑、長度、氣體流量、氣體介質成分及噴嘴幾何形狀、電極與噴嘴及工件間相對位置控制調整。地球上的等離子體大多通過氣體放電產(chǎn)生，屬弱電離范圍。隨著溫度增加，納米粒子釋放的氫的量也增加，大約在400℃時釋放的氫的量逐漸減少。這個過程中，金屬粒子被局限到納米尺度的本質原因就是過冷的問題，要保證產(chǎn)物是納米微粒實際上就是要保證制備過程中足夠高的溫度梯度。由于它的結構特殊，并具有奇特的物理、化學性質，富勒烯族的研究己成為當前世界各國科學家研究的焦點和熱點之一，尤以C60、碳納米管和洋蔥狀富勒烯（Onionlike fullerenes，OLFs）、內包金屬富勒烯為主。而且電弧法通常條件苛刻，需要真空泵、密封件、水冷真空室以及氣體處理設備。從外界條件來看，等離子體電流強度、冷態(tài)總壓、氫氬比、氣流循環(huán)強度[31]等多方面都有較大影響。本文以超聲分散為基本手段，按確定的超聲功率、超聲介質、超聲時間，在透射電鏡視場內觀察其分散狀態(tài)，僅作為參考指標。（4）粉體由蒸發(fā)室經(jīng)主風道進入鈍化裝置進行鈍化、收集。④檢查真空閥門，使閥門處于關閉狀態(tài)。改變制備過程中外界條件（冷態(tài)總壓、氫氬比、氣流循環(huán)強度、電流強度等），觀察對金屬納米產(chǎn)量和粒度的影響程度。（3）氣流循環(huán)強度的影響效應為排除氧化因素及人為收集因素的干擾，捕集條件為“僅收集室收集”，且一律以收得率（僅收集室）為產(chǎn)量指標。隨著氫氬比和電流強度的升高，納米粒度不斷增加，產(chǎn)率也不斷增大。當電流強度為160A時，納米產(chǎn)量很少；當電流強度為190A時，納米粒度則會變的很大。氫氣含量為30%，電流強度為170A時，改變真空風機轉速。確定氫氬比、氣流循環(huán)強度、電流強度為不變量，冷態(tài)總壓為變量。（2）生產(chǎn)過程①打開電控柜，將總電源開關至ON狀態(tài)，接通電源。（6）電氣控制裝置采用接觸器、控制器控制，高壓真空風送系統(tǒng)采用變頻無級調速。其中蒸發(fā)室為不銹鋼雙層水冷結構。本實驗正是從材料蒸汽壓、電流強度、冷態(tài)總壓、氫氬比、氣流循環(huán)強度這五個方面對制粉的產(chǎn)率和粉體的粒度進行考察，希望達到4個目的：①考察這些因素對制粉產(chǎn)率的影響規(guī)律，使得盡管材料本身蒸汽壓可能很低，制粉產(chǎn)率不高，我們還是能夠變化其他工藝因素盡可能提高產(chǎn)率和減小產(chǎn)品粒度。納米粒子（無論是金屬納米粒子還是納米氧化物粒子）制備方法來看，物理法的產(chǎn)率普遍比化學法小得多，既然從純度、松裝密度等質量因素出發(fā)選擇以等離子體方法（也屬于物理法范疇）來制備納米金屬粉體，那么如何盡可能地提高其產(chǎn)率是必須考慮的問題。（3）氧化物和氮化物氧化物和氮化物的制備一般是將氣氛設為Ar氣與反應氣體（如0NHNH3。以上手段有效制得了納米金屬粒子，但是液氮冷卻方式帶來了設備昂貴、消耗成本高等問題。（2）納米粒子具有特殊的氧化行為。在工業(yè)上重要的直流電氣放電區(qū)域是電弧弧光放電，電弧作為高溫熱源，在電弧噴涂、電弧冶煉以及等離子弧切割、噴涂或焊接等金屬加工以及其它一些領域中被廣泛應用。但等離子弧的熱量很集中，它可以迅速地把工件的加熱部件加熱到高溫。通常用熱收縮效應、磁收縮效應以及機械壓縮來解釋這種變化的原因。元素的電離電位越高，它在電離時所需供給的能量越高。氫是熱焓及導熱率高的氣體，也是雙原子氣體。輝光放電能保持是由于電子勢能足夠大，這樣氣氛中的正離子流向陰極時也積聚了足夠的能量，以至撞擊陰極后能游離出新的電子維持放電。蒸發(fā)出來的金屬原子被電子碰撞電離，