【正文】 .......................... 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(guò)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(yè) 共 40 頁(yè) 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(guò)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。納米粒子具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)以及宏觀量子隧道效應(yīng) [1]，使得粒子在保持其原有物質(zhì)物理和化學(xué)性質(zhì)的同時(shí)，在電學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等方面表現(xiàn)出奇特的性能 [2]，而且隨著納米粒子的尺寸不同，其性質(zhì)差別很大。既然納米粒子的粒徑與其性能的關(guān)系如此密切，在納米粒子制備過(guò)程中，預(yù)測(cè)和控制粒徑就顯得尤為重要。通過(guò)實(shí)驗(yàn)條件來(lái)預(yù)測(cè)納米粒子粒徑的模型不僅能增強(qiáng)我們控制粒徑的能力，而且有利于工業(yè)化生產(chǎn)具有理想粒徑的納米粒子。 納米材料制備的國(guó)內(nèi)外研究概況 納米材料的研究最早源于十九世紀(jì)六十年代對(duì)粒徑約（ 1~100nm）的膠體粒子的研究，其間歷經(jīng)了三個(gè)階段：孕育萌生階段（ 1984 年以前）、探索研究階段（ 1993 年以前）、應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段（ 1993 年到現(xiàn)在）。 人工制備納米材料的歷史可以追溯到 1000 多年前，我國(guó)古代利用燃燒蠟燭的煙霧制成碳黑作為墨 的原料以及用于著色的染料，這可能就是最早的納米顆粒材料。 70 年代美國(guó)康奈爾大學(xué) Granqvist 和Buhrman 曾利用氣相凝集的手段制備納米材料。 1987 年美國(guó) Argonne 實(shí)驗(yàn)室的 博士用同樣方法制備了納米氧化鈦多晶體。 納米材料的制備方法很多，分類(lèi)也各不相同，關(guān)鍵是如何合成具有特定尺寸，并且粒度均勻分布無(wú)團(tuán)聚的納米材料，所需的設(shè)備也盡可能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于操作。從理論上講，任何物質(zhì)都可以從塊體材料通過(guò)超微化或從原子、分子凝聚而獲得納米材料。物理方法有：蒸發(fā)冷凝法、離子濺射法、機(jī)械球磨法、低溫等離子體法、電火花法和爆炸法等；化學(xué)方法有水熱法、水解法、溶膠 — 凝膠法、熔融法等。納米材料結(jié)構(gòu)的分析、物性的研究、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)都須按一定的要求制備出可靠的納米材料，所以在材料研究中占有重要的地位?？煞秩缦聝深?lèi)： 目前，國(guó)際上用來(lái)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。它的特點(diǎn)是熱效率高，電弧穩(wěn)定性好，成本低，便于操作，適合于大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)青島科技大學(xué)的張志焜和崔作林教 授自行設(shè)計(jì)了可批量生產(chǎn)納米金屬粒子的多電極氫電弧等離子體法納米材料制備裝置 [7]，并獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利。我國(guó)東北大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、四川大學(xué)和日本技術(shù)研究所等單位進(jìn)一步發(fā)展和完善了此技術(shù)。四川大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院的蔣渝博士，對(duì)氫電弧等離子體法制備納米材料的設(shè)備和工藝進(jìn)行更為系統(tǒng)的研究，并從理論上探討了該制備方法所涉及的基本機(jī)理。 （ 2）濺射法 [8] 在惰性氣體或活性氣氛下，在陽(yáng)極板和陰極蒸發(fā)材料問(wèn)加上幾百伏的直流電壓，使之產(chǎn)生輝光放電，放電中的離子撞擊到陰極的蒸發(fā)材料靶上，靶材的原子就會(huì)由表面 蒸發(fā)出來(lái)，蒸發(fā)原子被惰性氣體冷卻凝結(jié)或與活性氣體反應(yīng)而形成超細(xì)顆粒，若將蒸發(fā)靶材做成幾種元素的的組合，還可以制備出復(fù)合材料的超細(xì)粉。 （ 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。其中蒸發(fā)源有電阻加熱法、高頻感應(yīng)加熱法、電子束加熱法、激光束 加熱法。據(jù)報(bào)道 , 國(guó)外已經(jīng)采用 SiH4CH3 NH2NH3系統(tǒng)制備了 Si/ C/ N復(fù)合粉末 ,微粒粒徑 30nm～ 72nm[9]。此法可制取金屬納米粉末以及金屬與非金屬的氧、氮、碳化合物的納米材料。 液相法 （ 1）水熱法 高溫高壓下在水溶液中反應(yīng)，再經(jīng)分離以后處理得到納米材料。其中水作為液態(tài)或氣態(tài)下傳遞壓力的媒介。目前已有 SnO2 、 BaTiO3 、 ZrO2 等合成的報(bào)道[11]。沉淀法是指包括一種或多種離子的可溶性鹽溶液，當(dāng)加入沉淀劑（如OH， C2042等）于一定溫度下使溶液發(fā)生水解，形成不溶性的氫氧化物、水合氧化物或鹽類(lèi)從溶液中析出，將溶劑和溶液中原有的陽(yáng)離子洗去，經(jīng)熱解或熱脫即得到所需的氧化物粉料。 （ 3）溶膠 凝膠法 溶膠 凝膠法是指前驅(qū)物質(zhì)（水溶性鹽或油溶性醇鹽）溶于水或有機(jī)溶劑中形成均質(zhì)溶液，溶質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)生成納米級(jí)的粒子并形成溶膠，溶膠經(jīng)蒸發(fā)干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z，該法為低溫反應(yīng)過(guò)程，允許摻雜大劑量的無(wú)機(jī)物和有機(jī)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。 （ 4） 噴霧法 通過(guò)各種手段進(jìn)行霧化，再經(jīng)物理、化學(xué)途徑而轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米粒子。據(jù)霧化和凝聚過(guò)程分為 ：噴霧干燥法、噴霧熱解法、冷凍干燥法。微乳液法能在極小微區(qū)內(nèi)控制顆粒的生長(zhǎng)，得到單分散性較好的納米材料溶膠。 （ 6） 超重力法 超重力的技術(shù)實(shí)質(zhì)是離心力場(chǎng)的作用，它是利用旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力 超重力，使氣、固相的接觸面提高，強(qiáng)化傳質(zhì)過(guò)程。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料 ,應(yīng)用超重力技術(shù)制備出粒徑 20nm～ 80nm、粒度分布均勻的 ZnO納米顆粒。在反應(yīng)過(guò)程中，液相消失，這就更有利于體系中微粒的均勻成長(zhǎng)與晶化，比水熱法更為優(yōu)越。模板可分為硬模板和軟模板，以適宜尺寸和結(jié)構(gòu)的模板，如多孔玻璃、沸石分子篩、大孔離子交換 樹(shù)脂、高分子化合物、表面活性劑等結(jié)構(gòu)基質(zhì)做主體，在其中合成所需要的納米材料。 自組裝技術(shù) 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(jié)構(gòu)的過(guò)程。如 LB膜技術(shù)便是利用兩親分子在氣液界面上的定向吸附，再轉(zhuǎn)移到固體載片上形成無(wú)機(jī) 有機(jī)納米復(fù)合材料 [13]。 固相法 常見(jiàn)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(yīng)法等。我國(guó)在 20世紀(jì) 80年代中畢業(yè)論文 第 6 頁(yè) 共 40 頁(yè) 期對(duì)人工合成納米材料的制備技術(shù)給予極大的關(guān)注， 90年代初期掀起了納米材料研究的熱潮。我國(guó)雖然起步稍晚，但部分材料研究水平也已步入世界的先進(jìn)行列 [15]。電弧等離子體法是一種在惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛下通過(guò)電弧放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體，從而在等離子體增強(qiáng)的氣氛中發(fā)生物理或化學(xué)變化產(chǎn)生氣相沉積的材料制備方法。 本課題就是通過(guò) 電弧等離子法制備納米金屬鎳 鋁粉的實(shí)驗(yàn)分析影響金屬納米粉體粒度的主要因素。各種制備方法的具體情況如下： 氣體蒸發(fā)法：在惰性氣體中使金屬蒸發(fā)，利用快速冷卻作用使之凝結(jié)，從而生成納米超細(xì)粉體。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(chǎng)，制備的粉末具有較好特性 [17]，粒度分布較窄，平均粒度?。欢橇鲃?dòng)油面蒸發(fā)法，在真空中蒸發(fā)金屬，使其在流動(dòng)的油層基面上作真空沉積，制成的超細(xì)粒徑粉范圍窄、粒 度小，但設(shè)備要求較高。爆炸瞬間產(chǎn)生的高溫高壓下使金屬微粉形成超細(xì)的納米粉體。 高能球磨法（合金化方法）：利用高能球磨，控制適當(dāng)?shù)难心l件（一般研磨時(shí)間要在幾十個(gè)小時(shí)以上），以制得納米級(jí)晶粒的純?cè)?、合金或?fù)合材料，操作簡(jiǎn)單，成本低，但是容易引入雜質(zhì)，降低純度，顆粒分布不均勻，粒度一般較大（ 70~120納米以上）。產(chǎn)物中有一定的碳和氧，須還原處理，一般 Ni粉純度 ~%；鐵粉純度 ~%。氧含量小于 %，粒徑分布為 70~110納米 [19]。通過(guò)超聲的震動(dòng)與空化作用產(chǎn)生的高壓射流使形成的微小顆粒懸浮于電解液中，經(jīng)過(guò)離心分離、真空干燥等獲得所需粉末。 γ射線輻照 — 水熱處理法：在穩(wěn)定金屬膠體溶液中加入異丙醇以清除氫氧自由基。輻照后的溶液裝入內(nèi)襯為聚四氟乙烯的高壓釜中，在 105~210℃的恒溫箱內(nèi)水熱處理數(shù)小時(shí)，冷卻至室溫后，收集金屬粉末，用蒸餾水和 25%氨水洗滌數(shù)次，干得納米金屬粉。 激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相法：利用反應(yīng)氣體分子對(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，在一定工藝條件下獲得納米粒子空間成核與生長(zhǎng)。 化學(xué)還原法（類(lèi)似的溶膠 凝膠、液相沉淀、溶劑蒸發(fā)等方法）：一般工藝是采用金屬鹽溶液，分別溶于蒸餾水 /1:2氨水 /乙醇溶液中，并加入適量強(qiáng)堿溶液；然后加入化學(xué)計(jì)量二倍左右的 N2H4在常溫常壓及高壓釜內(nèi) 進(jìn)行反應(yīng)；或者用適量的NH2OHH2O后，在高壓釜內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)；所有產(chǎn)物用蒸餾水洗滌至中性，真空中干燥，即得到納米金屬粉末。 從工程化角度，納米金屬粉末的高活性、平均粒度小、粒徑分布范圍要求窄、制備難度大等特點(diǎn)，造成目前國(guó)內(nèi)外納米金屬粉末的制備中出 現(xiàn)各種問(wèn)題，比如產(chǎn)品雜質(zhì)含量高、粒度分布不均勻、平均粒度偏大、收集封裝難度大、產(chǎn)量不高等。目前我國(guó)對(duì)納米金屬粉末的研究主要在應(yīng)用領(lǐng)域，比如納米鐵粉在磁性材料、納米銅粉在潤(rùn)滑油、納米銀粉在醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域；但是納米金屬粉末的產(chǎn)品質(zhì)量尚不過(guò)關(guān)，制備的粉末平均粒度大、粒徑分布寬，團(tuán)聚嚴(yán)重；真正進(jìn)行高純度、窄粒徑分布、較大批量地生產(chǎn)納米金屬粉末的單位很少。 納米金屬粉末制備的技術(shù)進(jìn)步正趨于解決高純度、窄粒徑分布、提高產(chǎn)率和降低生產(chǎn)成本等技術(shù)難題。本文從納米粉體生成的根本原因、粉體制備中 的產(chǎn)率控制因素、納米粒子粒度控制等多方面對(duì)納米金屬粉體的等離子體制備過(guò)程進(jìn)行系統(tǒng)性、完整性地研究。 下面是納米材料在各領(lǐng)域中的具體應(yīng)用情況： （ 1） 納米材料在電子信息領(lǐng)域中的應(yīng)用：廣泛用于單電子晶體管、單電子存儲(chǔ)器、納米芯片、納米電腦、光子晶體和光子存儲(chǔ)、量子點(diǎn)激發(fā)器、光 電腦及磁記錄等方面。 （ 3） 納米材料在環(huán)保和能源領(lǐng)域中的應(yīng)用：利用納米粒子的高效光催化性能凈化畢業(yè)論文 第 9 頁(yè) 共 40 頁(yè) 空氣、處理污水；利用它的超親水性制成自清潔表面材料；用于制造高效無(wú)污染的儲(chǔ)氫材料和燃料電池。 本課題研究的主要內(nèi)容及研究方法 為了在納米粒子的基礎(chǔ)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。 本課題研究的重點(diǎn)，就是通過(guò) 電弧等離子法制備納米金屬鎳 鋁粉的實(shí)驗(yàn)研究影響金屬納米粉體粒度的主要因素。從晶粒形成、生長(zhǎng)的基本機(jī)理出發(fā)，對(duì)納米粒子的粒徑分布和形狀控制做探索，分析納米粒子粒度及