【正文】 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??；二是流動(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，~%；~%。%，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)?；瘜W(xué)還原法（類似的溶膠凝膠、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其分布的控制策略。根據(jù)所掌握的理論知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，利用SNHIVB型實(shí)驗(yàn)室用金屬納米粉制取設(shè)備制備納米復(fù)合金屬鎳鋁。改變制備過(guò)程中外界條件（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），觀察對(duì)金屬納米產(chǎn)量和粒度的影響程度,同時(shí)對(duì)不同條件下的納米材料的生長(zhǎng)機(jī)制進(jìn)行研究,從而得到控制納米粒度和提高納米產(chǎn)量的最佳方法。納米金屬粉末制備分為物理法和化學(xué)法兩大類。物理法純度高，團(tuán)聚少，但設(shè)備昂貴產(chǎn)量低，導(dǎo)致當(dāng)前中、高熔點(diǎn)納米金屬價(jià)格高昂，僅在少數(shù)國(guó)防、科研單位少量使用；物理法一般采用加熱坩堝內(nèi)的純金屬塊使其氣化蒸發(fā)，再用液氮形成的急冷面進(jìn)行強(qiáng)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(dá)到幾克/小時(shí)的水平，設(shè)備造價(jià)昂貴。本章主要論述電弧等離子體法制備納米金屬的基礎(chǔ)理論。氣體通常是良好的絕緣體，但當(dāng)兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，其間的自由電子可積聚足夠的能量，在向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)時(shí)撞擊中性分子使其游離，并留下正離子。電弧實(shí)質(zhì)上是一種穩(wěn)定的氣體放電形式，在一定條件下使兩電極間的氣體空間導(dǎo)電，是電能轉(zhuǎn)化為熱能和光能的過(guò)程[24]。在兩個(gè)電極之間施加很高的電壓，使兩極間產(chǎn)生火花放電，然后引燃電弧。在兩電極之間，電場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻，在緊靠著兩個(gè)電極的很小區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度很高，其余大部分長(zhǎng)度上電場(chǎng)強(qiáng)度是相同的，且數(shù)值不大。陰極斑點(diǎn)的電流密度約為103~106A/cm2。根據(jù)陰極的工作狀況陰極材料可以分為熱陰極材料和冷陰極材料兩類。為了維持陰極斑點(diǎn)的高溫，它在陰極表面比較固定，不能快速移動(dòng)；銅是冷陰極材料，這時(shí)陰極溫度低，但是陰極斑點(diǎn)的電流密度高，它能以很高的速度在銅電極表面上移動(dòng)而仍然保持電弧穩(wěn)定燃燒。電子從這種陰極的脫出可能是由于陰極區(qū)的強(qiáng)電場(chǎng)造成的。一般情況下，在陰極產(chǎn)生的熱量要比在陽(yáng)極產(chǎn)生的低。陽(yáng)極斑點(diǎn)上的電流密度通常比陰極斑點(diǎn)上的小，因而陽(yáng)極斑點(diǎn)的尺寸要比陰極斑點(diǎn)大。當(dāng)陽(yáng)極附近的溫度升高時(shí)，陽(yáng)極電壓降就降低。電子到達(dá)陽(yáng)極并把所獲得的全部能量都交給了陽(yáng)極，這些能量轉(zhuǎn)變成熟能，并使陽(yáng)極溫度升高。（3）弧柱：電弧中除去陰極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)，剩下的導(dǎo)電空間就是弧柱，弧柱是由在電弧長(zhǎng)度上均勻分布的導(dǎo)電氣體組成的，它的尺寸幾乎占據(jù)了電弧的整個(gè)長(zhǎng)度。由于弧柱中電場(chǎng)強(qiáng)度是均Y的，其數(shù)值等于弧柱中的電壓降除以弧柱長(zhǎng)度，即電場(chǎng)強(qiáng)度，單位為V/cm，式中U為電弧電壓。 電弧放電（1）陽(yáng)極弧放電[25]首先提出了陽(yáng)極弧設(shè)想，這樣可以比較好的解決液滴流問(wèn)題，進(jìn)而達(dá)到提高膜的質(zhì)量問(wèn)題。同時(shí)，從觀察窗看到色光出現(xiàn)，對(duì)于Al弧呈藍(lán)紫色，Cu弧呈綠色，這決定于蒸發(fā)金屬可見光光譜的最強(qiáng)譜線。當(dāng)陽(yáng)極材料蒸發(fā)完時(shí)，小陰極斑又變成幾個(gè)大陰極斑，接著陽(yáng)極斑、色光、陰極斑消失。起弧過(guò)程包括電子發(fā)射、陰極斑、陽(yáng)極斑的形成?？焖倮_兩電極瞬時(shí)，能量進(jìn)一步集中，接觸點(diǎn)溫度升高到部分電子的熱運(yùn)動(dòng)足以克服原子的束縛而掙脫原子，從陰極表面發(fā)射出來(lái)。發(fā)射出來(lái)的電子經(jīng)電場(chǎng)加速，轟擊陽(yáng)極，使本來(lái)升溫的陽(yáng)極材料局部過(guò)熱、氣化、出現(xiàn)明亮的小斑點(diǎn)，形成陽(yáng)極斑。負(fù)粒子、電子轟擊陽(yáng)極，陽(yáng)極斑越來(lái)越大，直到陽(yáng)極金屬全部消耗用盡。當(dāng)電弧穩(wěn)定后，大量小陰極斑點(diǎn)快速移動(dòng)，對(duì)陰極表面就沒有侵蝕作用了[26]。這種弧斑放電現(xiàn)象已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多弧離子鍍膜、真空弧斷路開關(guān)、金屬粒子源和電子源等。陰極弧斑放電的機(jī)理：弧斑放電是由于極高電流密度的歐姆熱效應(yīng)加熱了陰極表面微凸體而產(chǎn)生的一個(gè)個(gè)脈沖的爆裂過(guò)程；極高電流密度符合熱場(chǎng)致發(fā)射理論；極高電流強(qiáng)度是由于蒸汽原子來(lái)源于陰極、離子層距陰極表面極近等原因造成的；磁場(chǎng)是通過(guò)弧坑內(nèi)電子漂移層的作用而影響陰極弧斑運(yùn)動(dòng)的；電子漂移層影響電子密度分布、電場(chǎng)強(qiáng)度分布、電流密度分布、新弧斑的產(chǎn)生。陽(yáng)極弧斑形成時(shí)，陽(yáng)極表面電子的熱發(fā)射使陽(yáng)極電位降由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?。相鄰弧斑的次第燃起和熄滅?gòu)成了弧斑的運(yùn)動(dòng)。 輝光放電輝光放電一般產(chǎn)生在低氣壓狀態(tài)下，電壓高，電流小。它是一種自持放電，不依靠外界游離因素而僅靠電場(chǎng)作用持續(xù)的放電，即使電離作用消失也能存在。如果入射正離子增加的能量使陰極的溫度增加，就產(chǎn)生熱離子并擴(kuò)散，進(jìn)而產(chǎn)生新的電子擴(kuò)散，使輝光放電轉(zhuǎn)化為弧光放電。因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變放電氣體的組成可以在一定程度上改變電弧放電的特性。若電弧放電在惰性氣氛中進(jìn)行，以上所述的問(wèn)題將可以避免，控制氣氛電弧放電的優(yōu)點(diǎn)如下：①減弱了連續(xù)光譜背景，有利于提高信背比。③基體的干擾影響有所降低，不僅可以有效地抑制因試樣化學(xué)組成及結(jié)構(gòu)變化引起的基體效應(yīng)，還可以降低因待測(cè)元素化學(xué)形態(tài)不同而造成的影響。⑤可以激發(fā)難激發(fā)的非金屬元素和氣體元素。不同氣體放電中低于電極表面lmm處的電極溫度的測(cè)量結(jié)果顯示，在Ar中的電極溫度比空氣中的650℃，要維持穩(wěn)定的電弧放電和一定的試樣蒸發(fā)率，Ar電弧放電應(yīng)選擇在較高的電流強(qiáng)度下進(jìn)行。有人認(rèn)為，氬氣氣氛中譜線的增強(qiáng)是因?yàn)榕懦俗杂山饘僭优cN2和O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。氮?dú)獾撵手岛兔芏榷急容^大，在N2中的電弧放電與空氣中相似，電極溫度、電弧溫度和電子密度均相接近，但可避免環(huán)境的污染。它具有最大的傳遞熱能的能力。對(duì)絕大多數(shù)金屬材料來(lái)說(shuō)，氫是還原性氣體，可有效防止氧化過(guò)程的發(fā)生。對(duì)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(guò)程，且放電亮度比Ar電弧放電有顯著提高。但這種腐蝕性強(qiáng)的有毒氣體是難以使用的。實(shí)際應(yīng)用中采用混合氣體比單一氣體放電的效果更好，因?yàn)榛旌蠚怏w兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。 等離子體基本概述 等離子體的概念Plasma這個(gè)術(shù)語(yǔ)最初應(yīng)用在生物學(xué)領(lǐng)域，意思是“血漿”。等離子體就是指電離的氣態(tài)物質(zhì)，被電離的氣體只是部分電離，電離的導(dǎo)電氣體包括電子、正離子、負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子或分子、基態(tài)的原子或分子、以及光子，在每一個(gè)宏觀區(qū)域正負(fù)粒子所帶電荷數(shù)量相等而符號(hào)相反，因此都呈電中性，通常稱為物質(zhì)第四態(tài)。 氣體的熱電離和等離子體電離是在一定的條件下氣體中的中性粒子分離為正離子和電子的現(xiàn)象，不同的元素在電離時(shí)需要供給的能量也不同，通常用電離電位表示這個(gè)能量。反過(guò)來(lái)，當(dāng)這種離子重新與電子結(jié)合成原子時(shí)也放出較高的能量。氣體粒子處于不停的、無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，粒子之間不斷的發(fā)生碰撞。溫度高到一定程度時(shí)就會(huì)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。絕大多數(shù)氣體在溫度超過(guò)8000K時(shí)就開始發(fā)生熱電離。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。決定氣體電離度的最主要因素是溫度，其次是壓力。本論文只討論由電弧放電造成的高溫所形成的等離子體。該電弧可產(chǎn)生于電極與工件間或電極與槍體上的噴嘴間。當(dāng)電弧通過(guò)水冷噴嘴時(shí)，它受到外部冷氣流及水冷噴嘴孔道壁的冷卻作用，弧柱外圍氣體的溫度降低，導(dǎo)電截面縮小，這是熱收縮效應(yīng)；電離氣體呈現(xiàn)電磁性能，電弧電流自身產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)弧柱的壓縮作用稱為磁收縮效應(yīng)。 等離子弧的熱特性（1）等離子弧的溫度：等離子弧的顯著特點(diǎn)就是溫度非常高。電弧空間成分對(duì)弧柱溫度影響很大。而該氣體中含有電極材料的蒸汽，當(dāng)它的電離電位較低時(shí)，會(huì)對(duì)弧柱的溫度發(fā)生很大的影響。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。就電弧的溫度分布而言，等離子弧在整個(gè)弧柱中都有很高的溫度，而自由弧則只在距陰極很近的地方維持高溫[30]。把電弧看做電阻，則電弧的熱功率為Q=IU，I為電弧電流，U為電弧電壓。（3）等離子弧的熱效率：等離子弧的熱效率比開放電弧的熱效率低。也就是說(shuō)，加到工件上的那部分熱量利用率很高，而開放的電弧加到工件上的熱量則有相當(dāng)一部分散發(fā)到工件溫度較低的部分上，熱能的利用率低于等離子弧。從等離子弧與一般電弧的伏安特性圖（）中可見，普通的焊接電弧通常具有下降的伏一安特性。這個(gè)變化趨勢(shì)與電阻上的電壓電流間關(guān)系相反。在等離子弧中，由于噴嘴限制了弧柱尺寸的增大，造成了其伏安特性與自由電弧的差別，其差別主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是等離子弧通常具有較高的電壓，二是等離子弧比較容易形成平的及上升的特性。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(duì)流，不論如何放置，弧柱總是要飄動(dòng)?；≈捎跓崾湛s效應(yīng)而提高電離度以及工作氣體對(duì)弧柱的穩(wěn)定作用使得等離子弧可以在非常小的電流下穩(wěn)定燃燒。閃電和極光都是存在于自然界的等離子體現(xiàn)象?！娏魈匦郧€圖說(shuō)明了各種放電形式的電氣特性。納米材料的等離子體制備利用的正是自由弧等離子體弧光放電這個(gè)階段的物理特征，稱為電弧等離子體。 直流低氣壓放電管的電壓—電流特性曲線圖 電弧等離子體技術(shù)制備納