【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 粉末,如銀粉和銅粉等。激光制備納米粉的基本原理是利用反應(yīng)氣體分子(或光敏劑分子)對(duì)特定波長(zhǎng)激光束的吸收,引起反應(yīng)氣體分子激光光解(紫外光解或紅外光子光解)、激光熱解、激光光敏化和激光誘導(dǎo)化學(xué)合成反應(yīng),在一定工藝條件下(激光功率密度、反應(yīng)池壓力、反應(yīng)氣體配比和流速、反應(yīng)溫度等),獲得納米粉末。該法具有清潔表面、粒子大小可精確控制、無粘結(jié),粒度分布均勻等優(yōu)點(diǎn),并容易制備出粒徑幾納米至幾十微米的非晶態(tài)或晶態(tài)粉末。缺點(diǎn)是制備成本高、產(chǎn)率低。三、水熱法(高溫水解法)[37]水熱法是指在高溫高壓下,在水(水溶液)或水蒸汽等流體中進(jìn)行有關(guān)化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到制備納米粉末目的的方法。用該法制備的超細(xì)粉末已經(jīng)達(dá)到數(shù)納米的水平。根據(jù)反應(yīng)類型的不同可以分為水解氧化、水熱沉淀、水熱合成、水熱還原、水熱分解、水熱結(jié)晶。該法工藝簡(jiǎn)單,易于控制且純度高、粒度細(xì)。近年來備受關(guān)注。目前用它制備納米粉末的實(shí)際例子很多。陶昌源等[38]報(bào)道,用堿式碳酸鎳及氫氧化鎳水熱還原工藝,可以成功的制備出最小粒徑為30nm的鎳粉。（4）液相化學(xué)還原法該法是制備金屬納米粉末常用方法。它主要通過液相氧化還原反應(yīng)來制備金屬納米材料。該法具有制粉成本低、設(shè)備要求不高、工藝參數(shù)容易控制等優(yōu)點(diǎn)。易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化大生產(chǎn)?！‰姳ǚㄖ苽浣饘貱u納米粉末隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超細(xì)金屬粉末在粉末冶金、磁性材料、高性能陶瓷材料、航空航天、電子技術(shù)、生物、核工業(yè)等方面得到了廣泛的應(yīng)用。金屬納米材料的制備方法很多，大體可分成物理法和化學(xué)法兩大類，物理法包括低壓氣體蒸發(fā)法、濺射法、電爆炸法等；化學(xué)法包括還原法、電解法、羰基法等【39】。制備金屬超細(xì)粉體，電爆炸法更具有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：可生產(chǎn)超細(xì)粉體；能量轉(zhuǎn)換效率高；顆粒分布均勻生產(chǎn)規(guī)?？蛇_(dá)公斤級(jí)等。近幾年來，電爆炸法是新興起的、用于工業(yè)上生產(chǎn)純金屬、金屬氧化物、氮化物和合金的超細(xì)粉末的重要方法。電爆炸法制備金屬超細(xì)粉末是在惰性氣體環(huán)境下對(duì)金屬導(dǎo)體瞬間施加直流高電壓，強(qiáng)大的脈沖電流使得金屬導(dǎo)體迅速熔融，氣化發(fā)生爆炸，金屬蒸氣在介質(zhì)氣體碰撞下急速冷卻形成超細(xì)金屬粉體或合金粒子，電爆炸法是一種超細(xì)粉的工業(yè)化制備方法【】 。、意義及內(nèi)容 納米粉體泛指微粒尺寸在1 nm～100 nm范圍內(nèi)的粉末。由于納米粉體的晶粒小,表面曲率大或表面積大,所以它在磁性、催化性、光吸收、熱阻和熔點(diǎn)等方面與常規(guī)材料相比顯示出奇特的性能,因此得到人們的極大關(guān)注。世界發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)納米材料的研究投入了很多的人力、物力和財(cái)力并制定了長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃,迄今,他們已取得了一些豐碩的成果,并逐漸形成高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。納米銅粉是納米級(jí)銅和銅合金粉末，因其具有小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)等，而比普通電解銅粉具有更優(yōu)的特性，從而具有更廣泛和更重要的用途。它不僅是冶金和石油化工中優(yōu)良的催化劑和固體潤(rùn)滑劑，而且是高導(dǎo)電率、高強(qiáng)度納米銅材不可缺少的基礎(chǔ)原料。納米銅粉也在鐵基粉末冶金材料中得到廣泛應(yīng)用，并在機(jī)械、航天特別是汽車輪、連桿、曲軸鏈輪、凸輪軸鏈輪及氣門座等幾何形狀復(fù)雜、加工困備納米銅粉的方法主要有氣相蒸氣法、等離子體法、機(jī)械化學(xué)法、γ射線輻照水熱結(jié)晶聯(lián)合法、液相還原法和水熱法（高溫水解法）等。目前，粉末冶金齒輪存在兩大問題。一是壓坯密度低于普通鋼材（~ g/cm3， g/cm3），齒輪的硬度、韌性、抗沖擊性等力學(xué)性能下降，這樣粉末冶金方法在制造高強(qiáng)度齒輪上受到限制。二是燒結(jié)溫度過高，一般要在1 100℃以上，消耗能量過高。納米銅粉是鐵基粉末中常用的合金元素，在粉末燒結(jié)中添加納米銅粉對(duì)粉末冶金零件的力學(xué)性能有很大改善。一方面通過納米銅粉的小尺寸效應(yīng)和大的比表面積可以填充到粉末件的孔隙當(dāng)中提高壓坯的密度，通過納米銅的活化作用促進(jìn)燒結(jié)擴(kuò)散，改善燒結(jié)后的組織性能，起到固溶強(qiáng)化的作用。另一方面納米銅的熔點(diǎn)低于純銅的熔點(diǎn)，可以在燒結(jié)中起到降低燒結(jié)溫度的作用，大大減小了能耗，降低了燒結(jié)成本。粉末冶金齒輪在整個(gè)粉末冶金零件中難以單獨(dú)統(tǒng)計(jì)，但無論是按質(zhì)量還是按零件數(shù)量，它在汽車、摩托車中所占的比例都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他領(lǐng)域中的粉末冶金零件。粉末冶金齒輪是各種汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中普遍使用的粉末冶金零件，通過一次成形和精整工藝，可以完全達(dá)到尺寸精度要求，尤其是齒形精度。納米銅粉在汽車粉末冶金零件上的大量應(yīng)用使得制備優(yōu)質(zhì)的納米銅粉有著更重要的意義。用電爆法制備納米銅粉，研究所制得的納米銅粉的各項(xiàng)性能，通過透射電鏡分析銅粉顆粒直徑、表面氧化物含量及碳元素含量，研究納米銅粉在潤(rùn)滑油中的懸浮性能，研究不同制備工藝條件下銅粉的性能，比較不同的制備工藝，為獲得最佳制備工藝打下基礎(chǔ)。（1）了解納米粉及材料的發(fā)展及性能；（2）了解納米材料的常規(guī)制備方法；（3）用電爆法制備納米銅粉，研究所制得的納米銅粉的各項(xiàng)性能；（4）通過透射電鏡分析銅粉顆粒直徑、表面氧化物含量及碳元素含量；（5）研究納米銅粉在潤(rùn)滑油中的懸浮性能；（6）研究不同制備工藝條件下銅粉的性能，比較不同的制備工藝，為獲得最佳制備工藝打下基礎(chǔ)。 電爆法制備Cu納米粉的工藝原理圖13是金屬絲電爆制粉電路原理圖,高壓發(fā)生器產(chǎn)生直流高電壓向儲(chǔ)能電容C充電,充滿電能的電容器,由開關(guān)K接通向金屬絲瞬時(shí)放電,強(qiáng)大的脈沖電流對(duì)金屬絲W迅速加熱,使其熔化、氣化,產(chǎn)生等離子體,電磁箍縮效應(yīng)及周圍介質(zhì)氣體的冷卻作用使蒸氣的膨脹受到限制而產(chǎn)生內(nèi)部高壓,最終導(dǎo)致金屬絲的爆炸,沖擊波驅(qū)使金屬蒸氣和熔融粒子高速運(yùn)動(dòng),并與介質(zhì)氣體分子發(fā)生激烈的碰撞,如果與氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng),將形成金屬化合物.圖13為電爆制粉原理圖第二章 實(shí)驗(yàn)部分本實(shí)驗(yàn)采用自制設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，主要對(duì)下面幾個(gè)方面進(jìn)行研究：（1）用電爆法制備納米銅粉，研究所制得的納米銅粉的各項(xiàng)性能。（2）通過透射電鏡分析銅粉顆粒直徑、表面氧化物含量及碳元素含量。（3）研究納米銅粉在潤(rùn)滑油中的懸浮性能。（4）研究不同制備工藝條件下銅粉的性能，比較不同的制備工藝，為獲得最佳制備工藝打下基礎(chǔ)。 實(shí)驗(yàn)儀器獲得納米Cu粉的爆炸裝置（由抽真空機(jī)組與充放氣部分、高壓直流電源與電控部分、金屬粉制備部分、氣體循環(huán)風(fēng)機(jī)、金屬粉收集與包裝部分、冷卻循環(huán)水部分構(gòu)成的封閉系統(tǒng)），銅絲（～），白油，氬氣，離心機(jī)，透射電鏡，乙醚 實(shí)驗(yàn)原理整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)是由抽真空機(jī)組與充放氣部分、高壓直流電源與電控部分、金屬粉制備部分、氣體循環(huán)風(fēng)機(jī)、金屬粉收集與包裝部分、冷卻循環(huán)水部分構(gòu)成的封閉系統(tǒng)。利用爆炸法制備金屬納米超細(xì)粉的的原理是以金屬或合金絲為原料，在惰性氣氛中經(jīng)高壓放電制取超細(xì)金屬粉，在循環(huán)流動(dòng)的惰性氣體保護(hù)下得到納米粉【42】。在電爆容器中一般是充人氬氣，處于陽極和陰極間的金屬絲產(chǎn)生高電壓放電，在金屬絲的內(nèi)部瞬問通過強(qiáng)電流(～10 A／cm。)，從而產(chǎn)生大量的焦耳熱，使金屬絲整體瞬間達(dá)到上萬度的高溫，遠(yuǎn)高于金屬的氣化點(diǎn)，金屬絲發(fā)生爆炸，使之氣化。金屬絲爆炸產(chǎn)生的超細(xì)粉末懸浮在介質(zhì)氣體中，金屬蒸氣與惰性原子發(fā)生碰撞，交換能量并被迅速冷卻形成尺寸在納米到亞微米范圍的球形顆粒。 實(shí)驗(yàn)過程首先將粉末制備系統(tǒng)抽真空，真空度達(dá)到 5Pa，充入氬氣，要使腔內(nèi)的壓力達(dá)到0．3 MPa。然后接通主機(jī)電源，打開送絲控制機(jī)構(gòu)，讓脈沖的大電流通過直徑0．2～0．4 mm 的高純度金屬絲，金屬絲在電流的作用下進(jìn)行加熱，熔斷后在電流中斷的瞬間，熔斷處的金屬絲在3．5105 V 的高壓電的作用下開始放電，使熔斷的金屬絲在放電的過程中變成蒸氣，在惰性氣體的作用下形成了金屬納米超細(xì)粉。金屬絲爆炸后形成金屬蒸氣或熔融顆粒，迅速冷卻形成超細(xì)粒子。電爆室中充入介質(zhì)氣體，生成的粉末顆粒懸浮在氣體中由真空泵抽至粉末收集裝置，可以對(duì)其分級(jí)收集. 最后將所得樣品在透射電鏡下分析。第三章 結(jié)果與討論 樣品的結(jié)構(gòu)分析由圖可知通過電爆法制得的銅納米粉顆粒直徑的大小與電壓大小和有無油冷卻保護(hù)有直接關(guān)系，電壓過大粒徑就大且大小不均勻，反之電壓適中所得納米粉粒徑小并比較均勻。在沒油的情況下納米粉團(tuán)聚很嚴(yán)重，當(dāng)在通油情況下納米粉團(tuán)聚現(xiàn)象明顯減小且分散較均勻。經(jīng)分析納米銅粉大部分呈球形或多面體，平均粒徑為60 nm，顆粒的大小比較均勻，粒徑分布較窄，一般在40～100 nm。電爆炸法制備的金屬超細(xì)粉晶粒尺寸細(xì)小，這是源于銅絲在爆炸后形成的金屬蒸氣和熔融粒子與氣體分子碰撞后能量的急劇損失，又由于被迅速冷卻，晶粒沒來得及長(zhǎng)大，因而形成了細(xì)小的晶粒。元素譜峰面積k Abs 重量百分比重量百分比原子百分比 面積Sigma因子校正 Sigma C K6146146 O K81968 Cu K12544185 總量37 10kv油條件下成分分析圖元素譜峰面積k Abs 重量百分比重量百分比原子百分比 面積Sigma因子校正 Sigma O K7241165 Cu K65819414 總量38 10kv無油條件下成分分析圖元素譜峰面積k Abs 重量百分比重量百分比原子百分比 面積Sigma因子校正 Sigma C K6146146 O K81968 Cu K12544185 總量39 8kv油條件下成分分析圖元素譜峰面積k Abs 重量百分比重量百分比原子百分比 面積Sigma因子校正 Sigma C K15568220 O K77567 Cu K4361111 總量310 8kv無油條件下成分分析圖通過對(duì)比成分分析圖發(fā)現(xiàn)電壓對(duì)成分沒影響，但是油對(duì)成分影響較大，沒油時(shí)C含量少，氧含量較大，相反有油時(shí)C含量明顯增多，但氧含量明顯減少，說明無油時(shí)部分銅被氧化成氧化銅和氧化亞銅，因此通油可以減少反應(yīng)過程中銅被氧化。 收得率與產(chǎn)量納米級(jí)粉末收得率68％ ，獲得率比較高。 影響粒徑大小的因素影響制備金屬粉末粒徑大小的因素有：金屬絲的直徑；金屬的熔點(diǎn)的高低；放電的電壓；電容器初始儲(chǔ)能等等。用爆炸法制備的金屬納米微粒是一種批量生產(chǎn)納米粉的重要方法，只要能制成絲的金屬或合金都能用該系統(tǒng)制成超細(xì)粉，但是，一些軟的金屬，比如鉛、鋅等，由于絲的強(qiáng)度很小，容易被送絲機(jī)構(gòu)的拉力扯斷，所以難以成批量的制備相應(yīng)的超細(xì)粉，制粉金屬絲的直徑在0．2～0．4 mm 比較適宜。用爆炸法制備金屬納米微粒的機(jī)理是十分復(fù)雜的，對(duì)于電爆炸過程中的動(dòng)力學(xué)問題，相變過程，適合于生產(chǎn)過程的各種參數(shù)問題，還有待于進(jìn)一步的探索和研究。 比較不同工藝制備的納米銅粉機(jī)械化學(xué)法以粉碎與研磨等力學(xué)過程為主來實(shí)現(xiàn)粉末的納米化，控制適當(dāng)?shù)臈l件可以制備純金屬、合金或復(fù)合材料的納米粒子。如高能球磨可以制備多種金屬的納米晶體，其特點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單、成本低，但產(chǎn)品純度低，粒徑分布不均勻。機(jī)械合金化法是1970年美國(guó)INCO公司的Benjamin為制備Ni 基氧化物粒子彌散強(qiáng)化合金而發(fā)明的一種方法。該方法工藝簡(jiǎn)單、制備效率高，能制備出常規(guī)方法難以獲得的高熔點(diǎn)金屬合金納米材料。近年來又發(fā)展出助磨劑物理粉碎法及超聲波粉碎法，可制得粒徑小于100nm的微粒。[43]使用機(jī)械化學(xué)法合成了超細(xì)銅粉。將氯化銅和鈉粉混合進(jìn)行機(jī)械粉碎，發(fā)生固態(tài)取代反應(yīng)CuCl2+2Na=Cu+2NaCl，生成銅和氯化鈉的納米晶混合物，清洗去除研磨混合物中的氯化鈉，得到超細(xì)銅粉。若僅以氯化銅和鈉為初始物機(jī)械粉碎，混合物將發(fā)生燃燒。如在反應(yīng)混合物中預(yù)先加入氯化鈉可避免燃燒，且生成的銅粉較細(xì)，粒徑為20～50nm之間。等離子體溫度高、反應(yīng)速度快，可獲得均勻、小顆粒的納米粉體。易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，幾乎可制備任何納米材料[44]。等離子體法分為直流電弧等離子體(DC)法、高頻等離子體(nv)法及混合等離子體(Hybrid plasma)法。DC法使用設(shè)備簡(jiǎn)單、易操作，生產(chǎn)速度快。幾乎可制備任何純金屬超細(xì)粉，但高溫下電極易于熔化或蒸發(fā)而污染產(chǎn)物；RF法無電極污染、反應(yīng)速度快、反應(yīng)區(qū)大，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)超細(xì)粉。其缺點(diǎn)是能量利用率低、穩(wěn)定性差；混合等離子體法將DC法與RF法結(jié)合起來，既有較大的等離子體空間、較高的生產(chǎn)效率和純度，也有好的穩(wěn)定性。孫維民等采用直流電弧等離子體法制備了超微銅粉，銅粉粒徑在50～100nm 之間，呈類球形，在原材料中加入高熔點(diǎn)金屬W、Mo后，使得銅粉的產(chǎn)率有較大幅度的提高，并且制得的銅粉中幾乎不含有W和Mo。Dorda等[45]用氮等離子體將硝酸銅溶液在高溫下分解還原，成功制備出平均粒度為70nm、粒度分布均勻、分散性好的超細(xì)銅粉。γ射線輻照還原法是利用高能γ射線進(jìn)行液相化學(xué)合成的一種方法。該法制備納米顆粒工藝簡(jiǎn)單，可在常溫下操作，制備周期短，不僅可以制備金屬納米微粒，還可以制備氧化物、硫化物及納米金屬?gòu)?fù)合材料。目前該方法已制備出貴金屬Ag(8nm)、Cu(16nm)、Pb(10nm)、Pt(5nm)、Au(10nm)等，以及合金AgCu、AuCu