【正文】 備要求，大大降低了制粉成本；另一方面，引入氫氣氛，使等離子體中的活性氫以搶先分子蒸發(fā)機(jī)制的方式在熔融金屬中大幅度提高其蒸發(fā)速率，從而成倍提高制粉產(chǎn)率?；瘜W(xué)法產(chǎn)量大，純度不高，而且由于納米金屬粉末極高的化學(xué)活性導(dǎo)致其后續(xù)干燥及脫液處理困難真空干燥后粉末顆粒團(tuán)聚嚴(yán)重，難以滿足工業(yè)化要求。 畢業(yè)論文 第 10 頁(yè) 共 40 頁(yè) 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。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，研究電弧等離子體制備納米金屬制備過(guò)程中，金屬納米粒子的平均粒徑與制備的條件（等離子體電流強(qiáng)度、冷態(tài)總壓、氫氬比、氣流循環(huán)強(qiáng)度等）的關(guān)系。 掌握 SNHIVB 型實(shí)驗(yàn)室用金屬納米粉制取設(shè)備制備納米復(fù)合金屬的工藝、流程，包括開(kāi)機(jī)前的準(zhǔn)備、生產(chǎn)過(guò)程、鈍化過(guò)程和收集包裝過(guò)程。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)，掌握電弧等離子體法制備納米金屬的方法，研究 電弧等離子法制備納米金屬時(shí)，在成核生長(zhǎng)過(guò)程控制因素方面具有的特征和規(guī)律。在納米粒子的研究中人們最感興趣的問(wèn)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(guò)程中必須自始至終值得重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。 （ 4） 納米材料在生 物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用：應(yīng)用于細(xì)胞分離、細(xì)胞染色及利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進(jìn)行局部定向治療方面；用于癌癥監(jiān)測(cè)、治療、蛋白質(zhì)分離、免疫、靶向結(jié)構(gòu)輸送和緩控釋藥物等。 （ 2） 納米材料在航空航天領(lǐng)域中的應(yīng)用：制造各種納米保護(hù)涂層、隱身涂層等；制造航空航天飛行器、機(jī)身及其輔助裝置、機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)及其部件；利用高溫合金、纖維及納米增韌補(bǔ)強(qiáng)的復(fù)合陶瓷材料制成發(fā)動(dòng)機(jī)、氣輪機(jī)等；利用納米材料比表面大、響應(yīng)速度快、敏感性高等優(yōu)點(diǎn)制成各種傳感器、航空儀表、通信裝置、雷達(dá)裝置與吸波材料。 納米材料的應(yīng)用 納米材料主要具有量子尺寸效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)，使其在磁、光、電、熱、傳感特性和表面穩(wěn)定性等方面表現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特殊性能，因此在信息、航空航天、環(huán)境、生物、醫(yī)學(xué)、能源等工業(yè)部門(mén)均有廣泛的應(yīng)用前景。 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(guò)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(guò)程均未查見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。我國(guó)目前大多數(shù)納米粉末生產(chǎn)單位事實(shí)上也均 以納米無(wú)機(jī)物的生產(chǎn)為主，納米金屬粉末制備多數(shù)停留在實(shí)驗(yàn)室少量合成水平上，質(zhì)量也難以保證。同時(shí)，也造成畢業(yè)論文 第 8 頁(yè) 共 40 頁(yè) 納米金屬粉末產(chǎn)品價(jià)格居高不下，目前納米金屬粉末價(jià)格普遍在 10000元 /kg以上，這使納米金屬粉末的應(yīng)用大大受限。其粒徑一般為 40~100納米，這種方法多適用于金屬氧化物納米材料的制??；對(duì)于納米金屬粉末，其活性和制備時(shí)的化學(xué)環(huán)境影響，其純度和粒徑不易較好地控制，雜質(zhì)不易除去，但是可以調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)量而比較容易地獲得較大產(chǎn)率 [23]。HCl還原至 M2+，堿性條件下，加入 N2H4H2O。其粒徑分布為 30~100納米，粉體粒徑分布較窄，產(chǎn)率高 [22]。該方法制備的 Ag粉粒徑范圍為 6~40nm，最大分布百分?jǐn)?shù)（ 35%）是 10~15nm，平均粒徑 16nm；制備的 Cu粉平均粒徑為 67nm，但產(chǎn)物中含有 Cu2O的雜質(zhì) [21]。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(chǎng)中輻照。銅粉平 均粒度為 90納米，鎳粉的平均粒度 50納米，粒度分布較好 [20]。 超聲電解沉積法：將溶液中的金屬陽(yáng)離子在電流的作用下向陰極移動(dòng)，并在陰極表面還原沉積。如果用氫氣進(jìn)行后續(xù)還原處理，碳含量小于 %。 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(yè) 共 40 頁(yè) 壓力為 10~20MPa的環(huán)境中熱分解而生成納米鎳或鐵粉。俄羅斯對(duì)該種方法研究深入，粒徑尺寸小于 100納米，工藝易于實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化，制備種類(lèi)也較多 [18]。 爆炸法：把金屬粉末和火藥一起放入容器內(nèi)，采用電火花方式引爆。其蒸發(fā)熱源手段有感應(yīng)加熱、電阻加熱、激光加熱、等離子加熱等多種方式。 當(dāng)前納米金屬粉末制備技術(shù)中存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì) 總的來(lái)說(shuō)，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。電弧等離子體法作為一種材料制備方法，具有高的熱性能、高的化學(xué)性能、極高的冷卻速度和反應(yīng)氣氛可控等特點(diǎn) [16]，在制備各種納米粉末、納米管、納米薄膜等方面有重要的應(yīng)用。 電弧等離子體法是目前實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)上廣泛采 用的制備納米粒子的方法之一。目前縱觀納米材料世界研究的形勢(shì)，美國(guó)、日本、德國(guó)、俄羅斯、荷蘭、加拿大等國(guó)納米材料研究處于世界前列。 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。表面活性劑分子在溶液中的自組裝及一些特殊結(jié)構(gòu)的共聚物的自組裝是近年來(lái)所謂仿生合成的研究熱點(diǎn)之一 。利用自組裝技術(shù)，從分子水平上控制粒子的形狀、尺寸、取向和結(jié)構(gòu)。根據(jù)所用模板中孔徑的類(lèi)型，可以合成粒狀、線狀、管狀和層狀的納米材料。 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。 （ 7） 超臨界法 超臨界法 [12]是指以有機(jī)溶劑等代替水作溶劑，在水熱反應(yīng)器中，在超臨界條件下制備納米微粉的一種方法。張鵬遠(yuǎn)等以工業(yè)氫氧化鋁為原料 ,應(yīng)用超重力法成功制備出了平均粒徑小于 50nm的超細(xì)氫氧化鋁。已報(bào)道合成的有 CaCO氧化物 Fe3O TiO SiO2和半導(dǎo)體納米粒子 CdSe等。 （ 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(yè) 共 40 頁(yè) 聚、熱處理得到納米材料。基本過(guò)程有：溶液的制備、干燥、收集和熱處理。清華大學(xué)化學(xué)系的朱永法、張利等已經(jīng)利用 TiCl4 溶膠凝膠法制備出 TiO2納米粉體。沉淀法包括共沉淀法、直接沉淀法、 均相沉淀法等。 （ 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(guó)化工公司、英國(guó)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。該方法工藝流程簡(jiǎn)單，條件溫度易控制，適于金屬氧化物和金屬?gòu)?fù)合氧化物陶瓷納米材料的制備 [10]。通常是在特別的反應(yīng)器（高壓釜）中，采用水作為反應(yīng)體系，通過(guò)將反應(yīng)體系加熱至臨界溫度（或接近臨界溫度），在反應(yīng)體系中產(chǎn)生高壓環(huán)境而進(jìn)行無(wú)機(jī)合成與材料制備。 （ 5）反應(yīng)性激光蒸發(fā)法 在 N NH CH C2H O2等反應(yīng)性氣氛 中，將激光照射到金屬塊狀靶上，金屬被加熱蒸發(fā)后與氣體發(fā)生反應(yīng)，從而得到這些金屬的氧化物、氮化物、碳化物等納米粒畢業(yè)論文 第 4 頁(yè) 共 40 頁(yè) 子。 （ 4）化學(xué)氣相反應(yīng)法（ CVD） 讓一種或幾種氣體通過(guò)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。該制備方法具有納米微粒表面光潔、純度高、團(tuán)聚體少、相對(duì)密度高的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)也有工藝設(shè)備復(fù)雜、產(chǎn)量低的缺點(diǎn)。基本原理：將金屬、合金或化合物在惰性保護(hù)氣體（如 He、 Ar、 N2等）中加熱蒸發(fā)氣化，利用與氣體的碰撞而冷卻和凝結(jié)，最終生產(chǎn)金屬超微粉。 Lawrence Livemore 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的 Bwbee 等人利用真空濺射技術(shù)制成了層狀交替金屬?gòu)?fù)合納米材料。 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。南京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院的王超等人在參考國(guó)內(nèi)外有關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并造出另一種改進(jìn)型的氫電弧等離 子體法連續(xù)制備納米材料的裝置。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、畢業(yè)論文 第 3 頁(yè) 共 40 頁(yè) CeCu、 ThFe、氧化鋁、氧化釔、氧化鈦、氧化鋯等。利用氫電弧等離子體法制備納米材料的方法是由日本人 Tanka K 等人 [6]率先提出來(lái)的。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。下面簡(jiǎn)單介紹納米材料的制備方法： 氣相法 （ 1）等離子法 利用惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛中通過(guò)直流放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體，從 而使原料熔化和蒸發(fā)，蒸汽遇到周?chē)臍怏w就會(huì)冷凝或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成納米顆粒，等離子體溫度高，能制備出難熔的金屬或化合物，產(chǎn)物純度高。不論采取何種方法，根據(jù)晶體生長(zhǎng)規(guī)律，都需要在制備過(guò)程中增加成核、抑制或控制生長(zhǎng)過(guò)程，使產(chǎn)物符合要求，成為所需的納米材料。按照納米微粒的制備原理，納米材料的制備方法總體上可以分為物理方法和化學(xué) 方法。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。隨著科學(xué)與技術(shù)的不斷進(jìn)步，制備納米材料的方法和技術(shù)也在不斷拓寬，如應(yīng)用激光技術(shù)、等離子技術(shù)等高科技手段制備高質(zhì)量納米材料。 1984 年 ,德國(guó) 教授首次采用惰畢業(yè)論文 第 2 頁(yè) 共 40 頁(yè) 性氣體蒸發(fā)原位加壓法制備了具有清潔界面的三維塊狀試樣納米晶體鈀、銅、鐵等。人們有意識(shí)地合成納米材料是在 20 世紀(jì) 60 年代，著名的物理學(xué)家諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者 Richard Feynman 率先提出了人工合成納米粒子的設(shè)想。進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，納米材料及其技術(shù)開(kāi)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]?，F(xiàn)今，納米粒子通過(guò)“自下而上”的構(gòu)建模式，有望制備出高性能的電子、磁學(xué)、光學(xué)器件，在宇航技術(shù)、電子、陶瓷、輕工、醫(yī)藥、冶金和化學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的 應(yīng)用前景，因而對(duì)納米粒子結(jié)構(gòu)、形態(tài)及制備技術(shù)的研究已成為一個(gè)熱門(mén)課題 [3]。納米粒子的粒徑指標(biāo)值通常是通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)條件的反復(fù)實(shí)驗(yàn)而獲得。例如，粒徑的大小影響磁性納米粒子的磁性，當(dāng)粒徑小于 10nm 時(shí)粒子 呈超順磁性，同時(shí)其各向異性能（ KV）、矯頑力、比飽和磁化強(qiáng)度、剩余磁化強(qiáng)度、居里溫度等均有明顯的尺寸效應(yīng)。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。 confined plasma arc and reduce cost the other hand,the high pure hydrogen is imported to improve productive efficiency influence rule to powder quality and quantity from some technical parameters such as gas pressure, the ratio between hydrogen and argon,current intensity and gas circulate intensity were discussed by singlefactor experiment. The experiments indicated:with the increase in gas pressure and gas circulate intensity, Nanoparticle size decreases gradually。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)試驗(yàn) ,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。 本文采用等離子體自由弧、強(qiáng)制氣流輸運(yùn)、風(fēng)冷的方式來(lái)滿足納米金屬粉末生成的溫度梯度條件，避免了液氮冷卻和等離子體壓縮弧的復(fù)雜設(shè)備要求，大大降低了制粉成本；引入高純氫氣氛成倍 地提高了制粉產(chǎn)率；從單因素工藝實(shí)驗(yàn)全面探討了冷態(tài)總壓、氫氬比、電流強(qiáng)度、氣流循環(huán)強(qiáng)度等工藝參數(shù)對(duì)粉體產(chǎn)量和質(zhì)量的影響規(guī)律。 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(lèi)帶來(lái)一場(chǎng)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)。近年來(lái)，受到廣泛的關(guān)注和研究。 實(shí)驗(yàn)表明，隨著冷態(tài)總壓和氣流循環(huán)強(qiáng)度的增大，納米粒度逐漸減?。浑S著氫氬比和電流強(qiáng)度的增加，納米粒度逐漸增大。 關(guān)鍵詞： 納米金屬粉末，制備，等離子體，粒度控制 The Size Controlling Technology Research on Preparation of Nano Composite Metal Particle Abstract New materials are the basic and carriers of the development of