電弧法制備金屬納米粉研究設(shè)計(jì)(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 摘 要 納米科技是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來的一門新興交叉、前沿學(xué)科。在二十一世紀(jì)納米科技是三大重要技術(shù)之一，屬于前沿性課題之一。其中納米粉體的制備是納米科技的重要研究?jī)?nèi)容之一。蒸發(fā)冷凝法制備納米粉體是一種較早的物理方法，本文用電弧法制備，也是屬于蒸發(fā)冷凝法的一種。 本文首先介紹了納米科技的基本知識(shí)及其發(fā)展?fàn)顩r和應(yīng)用前景。然后設(shè)計(jì)了一套電弧加熱法制備納米粉體的實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置的工作原理是在一定壓力的惰性氣氛或反應(yīng)氣氛中，將金屬等材料作為電弧的電極，使其在高溫電弧等離子的作用下被溶化、蒸發(fā)。蒸汽 遇到周圍的氣體就會(huì)被冷卻或發(fā)生反應(yīng)形成超微粉。該系統(tǒng)共有加熱系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、生成室、收集室等幾部分組成。首先針對(duì)納米顆粒的生產(chǎn)條件設(shè)計(jì)了生成室和真空系統(tǒng)。然后用電弧加熱制備生成納米蒸汽。冷阱采用了不斷輸入液氮實(shí)現(xiàn)了急速冷卻，使蒸汽快速成核以保證納米尺度。最后通過采用手套箱結(jié)構(gòu)的收集裝置實(shí)現(xiàn)真空室中粉體的包裝從而避免了氧化。整個(gè)系統(tǒng)易于加工實(shí)現(xiàn)，能夠滿足制備納米微粒的實(shí)驗(yàn)需求。 關(guān)鍵詞 ：納米粉體； 電弧加熱； 制備； 冷阱 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 Abstract Nanotechnology is developing a newcross-cutting, cutting-edge disciplines in the eighties of the twentieth century. Nanotechnology in the twenty-first century technology is one of the three most important are the forefront of one of the topics. Preparation of nano-powder of which is an important research nanotechnology one. Prepared by evaporation condensation nanopowder is a physical method earlier in this paper was prepared by arc, but also belong to a kind of evaporation condensation method. This article introduces the basic knowledge of nanotechnology and its development and application prospects. Arc and then designed a nano-powders prepared by heating of the experimental apparatus. The working principle of the device is in a certain atmosphere of pressure of inert or reactive atmosphere, such materials as metal arc electrodes, so that at a high temperature arc plasma melting under the role of evaporation. Encountered in the surrounding gas steam will be cooled or the formation of ultrafine reaction. The system total heating system, vacuum system, to generate room, the collection consists of several rooms. First of all, for the production of nanoparticles designed to generate conditions of rooms and vacuum system. Preparation of arc and then use to generate nano-steam heating. Cold trap using liquid nitrogen to achieve a constant input of rapid cooling, so that rapid nucleation of steam to ensure that the nanometer scale. Finally, through the use of glove-box structure of the collection device to achieve a vacuum packed powder chamber to avoid oxidation. The realization of the entire system is easy to process, prepare to meet the experimental needs of nanoparticles. Key words: nano-powder； arc heating； Preparation； cold trap 買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 目 錄 第一章 緒 論 . 1 第 1.1 節(jié) 引 言 . 1 第 1.2 節(jié) 金屬納米粉的制備方法概述 . 4 1.2.1 機(jī)械法 . 4 1.2.2 物理法 . 5 1.2.3 化學(xué)法 . 6 第 1.3 節(jié) 納米粉體制備及應(yīng)用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 . 7 1.3.1 納米粉體制備及應(yīng)用的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 . 7 1.3.2 納米粉體制備及應(yīng)用的國(guó)外現(xiàn)狀 . 9 第 1.4 節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容 . 11 第二章 電弧法制備金屬納米粉研究 .13 第 2.1 節(jié) 電弧 . 13 2.1.1 電弧物理 . 13 2.1.2 弧柱中的氣體電離 . 14 2.1.3 電極的電子發(fā)射 . 16 2.1.4 電弧的物理特性 . 18 第 2.2 節(jié) 電弧的應(yīng)用 . 23 第 2.3 節(jié) 電弧制取金屬納米粉體 . 24 2.3.1 電弧法制備金屬納米粉體的原理 . 25 2.3.2 金屬納米粉成核機(jī)理 . 26 第三章 真空系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .28 第 3.1 節(jié) 實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 28 第 3.2 節(jié) 真空系 統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 29 3.2.1 真空獲得設(shè)備 真空機(jī)組及其選用 . 30 3.2.2 真空容器的設(shè)計(jì) . 33 3.2.3 真空測(cè)量系統(tǒng) . 44 第 3.3 節(jié) 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn) . 46 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 第 3.4 節(jié) 真空管路 . 48 第 3.5 節(jié) 真空材料 . 48 第 3.6 節(jié) 本章小結(jié) . 49 第四章 加熱裝置的設(shè)計(jì) .50 第 4.1 節(jié) 電弧加熱原理 . 50 第 4.2 節(jié) 水冷電極 . 51 4.2.1 水冷電極的設(shè)計(jì)要點(diǎn) . 51 4.2.2 加熱陰極的設(shè)計(jì) . 52 4.2.3 加熱陽極的設(shè)計(jì) . 53 4.2.4 引弧裝置的簡(jiǎn)介 . 54 第 4.3 節(jié) 本章小結(jié) . 56 第五章 粉體的生成與收集 .57 第 5.1 節(jié) 粉體獲得裝置 . 57 5.1.1 冷阱裝置 . 57 5.1.2 刮刀 . 58 第 5.2 節(jié) 收集室 . 59 第 5.3 節(jié) 其它系統(tǒng) . 60 5.3.1 氣路保護(hù) . 60 5.3.2 過濾膜 . 61 第 5.4 節(jié) 本章小結(jié) . 61 第六章 結(jié)論與展望 .62 英文原文 .66 中文譯文 81充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 第一章 緒 論 第 1.1節(jié) 引 言 “振興東北老工業(yè)基地高技術(shù)產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目 金屬納米粉制取設(shè)備技術(shù)與產(chǎn)業(yè)化”，是國(guó)務(wù)院為建設(shè)全面小康社會(huì)的重大舉措，本項(xiàng)目的研究具有重要的應(yīng)用前景?？茖W(xué)技術(shù)已發(fā)展進(jìn)入知識(shí)爆炸時(shí)代，材料科學(xué)仍是科技三大支柱之一。在材料科學(xué)領(lǐng)域中納米技術(shù)正愈來愈受到廣泛關(guān)注，它將能引發(fā)下一場(chǎng)新的技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命，成為本世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的前沿。將材料尺寸減少到納米數(shù)量級(jí)時(shí)，材料顆粒表面特征突出，且顆粒中原子排列及電子云分布發(fā)生變化，導(dǎo)致一些特別性能出現(xiàn)，這就是納米材料。納米材料具有常規(guī)材料不具有的特殊性質(zhì)，這 些特殊的性質(zhì)使納米材料在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 納米材料主要從表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)進(jìn)行分析。納米材料的表面效應(yīng)主要是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化，粒徑在 10nm以下，將迅速增加表面原子的比例；當(dāng)粒徑降到 1nm 時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約 90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。體積效應(yīng)是指由于納米粒子體積極小，所包含的原子 數(shù)很少，相應(yīng)的質(zhì)量極小，隨著納米粒子的直徑減小，能級(jí)間隔增大，電子移動(dòng)困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導(dǎo)體將變?yōu)榻^緣體。當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時(shí)，金屬粒子費(fèi)米能級(jí)附近電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象，以及納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)的分子軌道能級(jí)和最低未被占充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 據(jù)的分子軌道能級(jí)，這些能隙變寬的現(xiàn)象均稱為納米材料的量子尺寸效應(yīng)。表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)使得納米材料表現(xiàn)出很多異常的特性，如高的光學(xué)非線性，特異的催化和光催化性質(zhì)，金屬熔點(diǎn)降低，增強(qiáng)微波吸收，強(qiáng)度、韌性和超塑性大為提高。納 米材料從根本上改變了材料的結(jié)構(gòu)，可望得到諸如高強(qiáng)度金屬和合金、塑性陶瓷、金屬化合物以及性能特異的原子規(guī)模復(fù)合材料等新一代材料，為克服材料科學(xué)研究領(lǐng)域中長(zhǎng)期未能解決的問題開拓了新的途徑。 納米科學(xué)技術(shù)是用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)。納米科學(xué)技術(shù)是以許多現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的科學(xué)技術(shù)，它是現(xiàn)代科學(xué)（混沌物理、量子力學(xué)、介觀物理、分子生物學(xué)）和現(xiàn)代技術(shù)（計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子和掃描隧道顯微鏡技術(shù)、核分析技術(shù)）結(jié)合的產(chǎn)物，納米科學(xué)技術(shù)又將引發(fā)一系列新的科學(xué)技術(shù)，例如納電子學(xué)、納米材料科學(xué)、納機(jī)械學(xué)等。納米科學(xué)技 術(shù)被認(rèn)為是世紀(jì)之交出現(xiàn)的一項(xiàng)高科技。 在充滿生機(jī)的 21 世紀(jì)，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國(guó)防的高速發(fā)展必然對(duì)材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲(chǔ)和超快傳輸?shù)葘?duì)材料的尺寸要求越來越??；航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等對(duì)材料性能要求越來越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎(chǔ)上誘發(fā)的新技術(shù)、新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來 10年對(duì)社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)振興、國(guó)力增強(qiáng)最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力、對(duì)未來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展 有著十分重要影響的研究對(duì)象，也是納米科技中最為活躍、最接近應(yīng)用的重要組成部分。近年來，納米材料和納米結(jié)構(gòu)取得了引人注目的成就。例如，存儲(chǔ)密度達(dá)到每平方厘米 400G 的磁性納米棒陣列的量子磁盤、成本低廉、發(fā)光頻段可調(diào)的高效納米陣列激光器、價(jià)格低廉高能量轉(zhuǎn)化的納米結(jié)構(gòu)太陽能充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 電池和熱電轉(zhuǎn)化元件、用作軌道炮道軌的耐燒蝕高強(qiáng)高韌納米復(fù)合材料等的問世，充分顯示了它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)新型支柱產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。正像美國(guó)科學(xué)家估計(jì)的“這種人們?nèi)庋劭床灰姷臉O微小的物質(zhì)很可能給予各個(gè)領(lǐng)域帶來一場(chǎng)革命”。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng) 用將對(duì)如何調(diào)整國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的布局、設(shè)計(jì)新產(chǎn)品、形成新的產(chǎn)業(yè)及改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入高科技含量提供新的機(jī)遇。 研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)的重要科學(xué)意義在于它開辟了人們認(rèn)識(shí)自然的新層次，是知識(shí)創(chuàng)新的源泉。由于納米結(jié)構(gòu)單元的尺度（ 1100nm）與物質(zhì)中的許多特征長(zhǎng)度，如電子的德布洛意波長(zhǎng)、超導(dǎo)相干長(zhǎng)度、隧穿勢(shì)壘厚度、鐵磁性臨界尺寸相當(dāng)，從而導(dǎo)致納米材料和納米結(jié)構(gòu)的物理、化學(xué)特性既不同于微觀的原子、分子，也不同于宏觀物體，從而把人們探索自然、創(chuàng)造知識(shí)的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領(lǐng)域。在納米領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，認(rèn) 識(shí)新規(guī)律，提出新概念，建立新理論，為構(gòu)筑納米材料科學(xué)體系新框架奠定基礎(chǔ)，也將極大豐富納米物理和納米化學(xué)等新領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)涵。世紀(jì)之交高韌性納米陶瓷、超強(qiáng)納米金屬等仍然是納米材料領(lǐng)域重要的研究課題。納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，異質(zhì)、異相和不同性質(zhì)的納米基元（零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲）的組合，納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當(dāng)今納米材料研究新熱點(diǎn)，人們可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物理特性、新原理、新方法設(shè)計(jì)納米結(jié)構(gòu)器件以及納米復(fù)合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新的突破。 金屬納米粉作為 納米材料中的一員，有著其獨(dú)特的材料特性，常用來制備金屬納米粉的材料有鈷、銅、鐵、鎳、鋅，另外還有它們的合金以及氧化物等等。鈷粉具有記錄密度高、矯頑力高（可達(dá) 119.4KA/m）、信噪比高和抗氧化性好等優(yōu)點(diǎn)，可大幅度改善磁帶和大容量軟硬磁盤的充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 性能。用鐵、鈷、鎳及其合金粉末生產(chǎn)的磁流體性能優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于密封減震、醫(yī)療器械、聲音調(diào)節(jié)、光顯示等。金屬納米粉體對(duì)電磁波有特殊的吸收作用，鐵、鈷、氧化鋅粉末及碳包金屬粉末可作為軍事用高性能毫米波隱形材料、可見光紅外線隱形材料和結(jié)構(gòu)式隱形材料，以及手機(jī)輻射屏蔽材料。納 米鋁、銅、鎳粉體有高活化表面，在無氧條件下可以在低于粉體熔點(diǎn)的溫度實(shí)施涂層，銅及其合金納米粉體用作催化劑，效率高、選擇性強(qiáng)，可用于二氧化碳和氫合成甲醇等反應(yīng)過程中的催化劑，同樣的鐵，鋅等金屬有著自己的特性，這些特性為材料科學(xué)的發(fā)展打開了另外一扇窗。 第 1.2 節(jié) 金屬納米粉的制備方法概述 金屬納米粉末的制備涉及到物理、化學(xué)、材料等學(xué)科的交叉，所以制備方法的分類目前有不同的觀點(diǎn)。一般分為機(jī)械法、物理法和化學(xué)法等。 1.2.1 機(jī)械法 機(jī)械法就是指用機(jī)械力將大塊固體破碎成所需粒徑的加工 方法。機(jī)械法制備納米粉通常用研磨、沖擊、氣流、液流、超聲作為加工手段。按機(jī)械力的不同可分為機(jī)械沖擊式粉碎法、氣流粉碎法、球磨法和超聲波粉碎法等。但目前用于制備金屬納米粉末的主要采用球磨法和超聲波 粉碎法。 球磨法是制備金屬納米粉末最常用的方法，其制備機(jī)理是在中低應(yīng)變速率下，塑性變形由滑移及孿生產(chǎn)生。而在高應(yīng)變速率下，產(chǎn)生剪切帶，由高密度錯(cuò)網(wǎng)構(gòu)成。超聲波粉碎法用于制備脆性金屬材料比較有效，它是將幾十微米的細(xì)粉裝入盛有有機(jī)溶液的不銹鋼容器里，通入幾充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 十個(gè)大氣壓的惰性氣體，以一定功率和頻率的超聲波進(jìn)行粉碎得到。 1.2.2 物理法 物理法是指在粉末的制備過程中不發(fā)生化學(xué)變化 ,通過高壓、高熱的方式使塊狀材料蒸發(fā)形成細(xì)微顆粒的氣態(tài)粒子，冷凝在收集器上而得 到納米粉末。使用該法可以制備高純納米金屬粉末。 （ 1）低壓氣體中蒸發(fā)法 低壓氣體中蒸發(fā)法是在低壓的惰性氣體 (如氬氣、氮?dú)?)中加熱金屬，使其蒸發(fā)后形成納米粉末，加熱源一般有以下幾種，電阻加熱、等離子噴射加熱、高頻感應(yīng)加熱、電子束加熱、激光和輝光等。電阻加熱蒸發(fā)法是比較傳統(tǒng)的方法，適用于熔點(diǎn)不太高的金屬，目前有人采用石墨電阻加熱器，在 661753313Pa 的 氬氣中蒸發(fā)了 Al、 Mg、 Zn、 Fe、 Ni、 Ca 等金屬，可以得到 10nm左右的金屬粉末。 等離子噴射加熱法根據(jù)不同工藝方法可以又分為熔融蒸發(fā)法、粉末蒸發(fā)法和活性等離子弧蒸發(fā)法。運(yùn)用粉末蒸發(fā)法可以制備幾乎所有的金屬納米粉末。現(xiàn)在有人用活性等離子弧蒸發(fā)法制備了粒徑在 880nm 范圍內(nèi)變化的高純 TiN 納米粉末。清華大學(xué)的王加龍等人用直流等離子法，采用 2540 m的 Zn 粉作為原料制備了粒徑小于 50nm 的 ZnO 粉末。激光加熱法是由日本人提出的，該法是將連續(xù)的高能量密度 CO2激光通過窗戶照射到金屬樣品上使其蒸發(fā)來制備納米粉末，在 0.5487kPa的 He、 Ar、 X 氣氛中，用 100W 的 CO2激光束，就可以制得金屬氧化物的納米粉末。 （ 2）濺射法 濺射法是用兩塊金屬板分別作為陽極和陰極，陰極為蒸發(fā)用的材料，在兩極間充入氬氣，在一定的電壓下，兩極間的輝光放電形成氬離子，在電場(chǎng)作用下氬離子沖擊陰極靶材表面，使靶材原子從其表面蒸發(fā)充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 出來形成納米粒子。用這種方法可以制備多種納米金屬，而且可以通過加大被濺射的陰極表面來提高納米微粒的獲得量，缺點(diǎn)就是投資比較大。 （ 3）霧化法 霧化法分為普通霧化法和快速凝固霧化法，前者主要用于傳統(tǒng)工業(yè)中生產(chǎn)一些普通鐵鋼粉，而采用快速凝固工藝是由金屬熔體直接霧化獲得金屬粉末來制備金屬納米粉末，尤其適用于不銹鋼納米粉末的制備。該制備方法分為三個(gè)階段：首先將金屬熔融成為液態(tài)，然后使液態(tài)金屬在霧化室里霧化分散為微小的液滴，再將液滴迅速冷凝形成固體粉末。 1.2.3 化學(xué)法 化學(xué)法是指在粉末的制備過程中要發(fā)生化學(xué)變化，一般是通過氧化還原、水解等方式獲得納米粉末。使用該方法可制備出高純納米金屬粉末，但粉末收集難度較大。應(yīng)用于制備納米金屬粉末 的化學(xué)法很多，對(duì)常用的作簡(jiǎn)單的介紹。 （ 1）溶膠凝膠法 溶膠凝膠法是 20 世紀(jì) 60 年代發(fā)展起來的一種制備玻璃、陶瓷等無機(jī)材料的新工藝，近年來許多人用來制備納米粉末。其基本原理是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽在一定條件下控制水解，不產(chǎn)生沉淀而形成溶膠，然后使溶質(zhì)聚合凝膠化，再將凝膠干燥、焙燒去除有機(jī)成分，最后得到金屬納米粉末。該法的優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)均勻性好、純度高、粉末細(xì)、可容納不溶性組分或不沉淀組分。缺點(diǎn)是粉末之間的燒結(jié)性差、干燥時(shí)收縮大。 （ 2）激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積（ LICVD） LICVD 制備金屬納米粉末是近幾年來興起 來的一種制備金屬納米粉方法。以激光為加熱熱源，誘發(fā)氣相反應(yīng)來合成納米粉末，主要用于充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 合成一些用常規(guī)辦法難以獲得的化合物納米粉末 ,如： SiC,等，但也可以用來制備單質(zhì)金屬粉末，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，該制備方法具有清潔表面、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。 （ 3）水熱法（高溫水解法） 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)到制備納米粉末的方法。用該方法制備的超細(xì)粉末已經(jīng)達(dá)到幾個(gè)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。目前用此法制備納米粉末的實(shí)際例子很多，有報(bào)道說 ,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 30nm的鎳粉。 （ 4）液相化學(xué)還原法 液相化學(xué)還原法是制備金屬納米粉的常用方法，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)。 第 1.3 節(jié) 納米粉體制備及應(yīng)用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1.3.1 納米粉體制備及應(yīng)用的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 我國(guó)納米材料研究始于 80 年代末，“八五”期間，“納米材料科學(xué)”列入國(guó)家攀登項(xiàng)目 37。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家教委分別組織了 8 項(xiàng)重大、重點(diǎn)項(xiàng)目，組織相關(guān)的科技人員分別在納米材料各個(gè)分支領(lǐng)域開展 工作，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)還資助了 20 多項(xiàng)課題，國(guó)家“ 863”新材料主題也對(duì)納米材料有關(guān)高科技創(chuàng)新的課題進(jìn)行立項(xiàng)研究。 1996 年以后，納米材料的應(yīng)用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭，地方政府和部分企業(yè)家的介入，使我國(guó)納米材料的研究進(jìn)入了以基礎(chǔ)研究帶動(dòng)應(yīng)用研究的新局面。 目前，我國(guó)有 60 多個(gè)研究小組，有 600 多人從事納米材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，其中，承擔(dān)國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的和納米材料研究工作開展比較早的單位有：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、南京大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國(guó)科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué) 院化學(xué)研究所、清華大學(xué)，還有吉林大學(xué)、東北大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)。青島化工學(xué)院、華東師范大學(xué)、華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院大連化學(xué)物理研究所、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、長(zhǎng)春物理研究所、感光化學(xué)研究所等也相繼開展了納米材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。我國(guó)納米材料基礎(chǔ)研究在過去 10 年取得了令人矚目的重要研究成果。另外陜西太和科技有限公司與美國(guó)高博資產(chǎn)控股集團(tuán)正式簽約，雙方就納米粉體項(xiàng)目展開技術(shù)、資金和管理上的全面合作。美國(guó)高博集團(tuán)將首批注入 3000 萬元人民幣，用于兩條納米粉體生產(chǎn)線的建設(shè)。該項(xiàng)目 2006 年 6 月份建成 投產(chǎn)，年產(chǎn)值可達(dá) 10 億元人民幣，成為全球最大的納米粉體工程生產(chǎn)基地。 金屬納米粉體可以分為純金屬納米粉體和金屬氧化物納米粉體。納米氧化鈦、納米氧化鐵、納米氧化鋅在國(guó)內(nèi)已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化。主要的生產(chǎn)廠家有江蘇泰興納米材料廠、深圳成殷高新技術(shù)有限公司、舟山明日充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 納米材料有限公司、河北茂源化工有限公司、上東正元納米材料工程有限公司、石家莊華泰納米材料公司、江蘇五菱常泰納米材料有限公司；浙江省上虞市正奇化工有限公司、尊業(yè)納米材料科技有限公等很多的廠家。而純金屬納米粉體國(guó)內(nèi)的生長(zhǎng)廠家就有尊業(yè)納米材料有限公司、長(zhǎng)春鐵鑫金屬材 料有限責(zé)任公司、四平市高斯達(dá)納米材料設(shè)備有限公司。而長(zhǎng)春鐵鑫金屬材料有限公司的設(shè)備是從高斯達(dá)納米材料設(shè)備有限公司購進(jìn)。 1.3.2 納米粉體制備及應(yīng)用的國(guó)外現(xiàn)狀 當(dāng)今世界納米技術(shù)研發(fā)最強(qiáng)勁的國(guó)家分別為美國(guó)、日本和德國(guó)。1997 年美國(guó)國(guó)防部把納米技術(shù)提高到戰(zhàn)略研究高度 ,1998 年推出國(guó)家納米技術(shù)主導(dǎo)權(quán)計(jì)劃 (NINI),并成立全國(guó)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)。 2000 年美國(guó)政府發(fā)表關(guān)于納米技術(shù)報(bào)告 ,標(biāo)題為“面對(duì)第二次產(chǎn)業(yè)革命”，將納米科技提高到二次產(chǎn)業(yè)革命的高度 ,使世界震驚。日本接受了信息時(shí)代落后于美國(guó)的教訓(xùn) ,早在上世紀(jì) 80 年代就投 資納米技術(shù) ,其投入不低于美國(guó) ,并于 2000年以后分別成立了全國(guó)研究機(jī)構(gòu) ,將納米技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目 ,以望重整昔日輝煌。德國(guó)把納米技術(shù)作為 21 世紀(jì)科研創(chuàng)新的領(lǐng)域爭(zhēng)取世界領(lǐng)先地位。法國(guó)投資 10 億法郎建立微納米發(fā)展中心。英國(guó)在機(jī)械、光學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域選取了 8 個(gè)納米技術(shù)項(xiàng)目進(jìn)行研發(fā)。 納米科技已經(jīng)成為世界科技的潮流與新經(jīng)濟(jì)的希望，身為世界科技龍頭的美國(guó)于 2001 年制定了“國(guó)家納米技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”，并投資 4.97億美元， 2002 年美國(guó)政府將“國(guó)家納米技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”實(shí)施機(jī)構(gòu)改為政府的一個(gè)部門，且繼續(xù)投資 5.19 億美元用于 納米科技的發(fā)展 8。美國(guó)總統(tǒng)布什提出 2003 年“國(guó)家納米技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃”預(yù)算書，投資金額再創(chuàng)新高，達(dá)到 6.79 億美元，投資分布于各部門的情況，如表 1.1 所示。從預(yù)算書來看，美國(guó)的納米科技的投資主要還是在基礎(chǔ)科研部分，國(guó)家充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 科學(xué)基金會(huì)就占了 2.21 億美元。優(yōu)先發(fā)展的課題有：發(fā)展有效的納米產(chǎn)業(yè)；生化放射、易爆物質(zhì)的偵測(cè)與防護(hù)；新一代工業(yè)勞工的教育與訓(xùn)練；納米科技產(chǎn)業(yè)革命的勞資關(guān)系與政策。美國(guó)納米科技的投入不斷加大，是對(duì)納米技術(shù)未來發(fā)展的潛力和影響力的高度認(rèn)識(shí)、正確判斷與選擇，為美國(guó)在本世紀(jì)前幾十年社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā) 展奠定了基礎(chǔ)。 由于美國(guó)積極發(fā)展納米科技，讓歐洲各國(guó)深感壓力， 2000 年 12 月18 日歐美高峰會(huì)談，加強(qiáng)歐美科技合作是其議題，而納米科技為雙方共同認(rèn)定的重點(diǎn)發(fā)展科技。 歐盟發(fā)展納米科技主要是通過“歐盟研發(fā)基金會(huì)”的第五、第六框架來加快發(fā)展的。“第五框架專案”計(jì)劃從 1998 年至 2002 年，投資金額高達(dá) 149.6 億歐元（約 128 億美金）。第五框架專案的目的是發(fā)展自己的納米科技，并且重點(diǎn)是發(fā)展納米生物科技、納米電子元件等項(xiàng)目。歐盟為了加強(qiáng)與美國(guó)的競(jìng)爭(zhēng)，成立“國(guó)際協(xié)會(huì)”并結(jié)合獨(dú)聯(lián)體的科技力量，重點(diǎn)發(fā)展納米科技。 2001 年 2 月 21 日“歐盟研發(fā)基金會(huì)”于“第六框架”計(jì)劃中，決定 2002 年至 2006 年投資納米科技的經(jīng)費(fèi)為 13 億歐元。歐盟通過第五、第六框架確定了納米科技發(fā)展目標(biāo)。資金上加大投入，技術(shù)上聯(lián)合俄羅斯逐步地壯大自己的納米科技研發(fā)力量，以達(dá)到和美國(guó)抗衡的地步。 日本發(fā)展納米科技的時(shí)間，幾乎與納米發(fā)展史同步，并已經(jīng)取得了良好的成績(jī)。日本第一個(gè)超微細(xì)粒子的五年研究計(jì)劃是在 1981 年由尖端技術(shù)探索研究計(jì)劃啟動(dòng)的， 1992 年日本又啟動(dòng)了與納米技術(shù)相關(guān)的“原子與分子終極利用技術(shù)計(jì)劃”，從 2001 年起實(shí)施了為期 7 年的“納米材料工程 ”計(jì)劃，預(yù)計(jì)每年的計(jì)劃投資額為 50 億日元。日本政府資助納米科技主要通過“通產(chǎn)省”、“科技廳”、“文部省” 3 個(gè)機(jī)構(gòu)。其中“科技廳”和“文部省”主要資助各大學(xué)與國(guó)立研究所的納米科技發(fā)展充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 計(jì)劃。日本政府很早成立“科學(xué)促進(jìn)會(huì)”， 10 年預(yù)算中就有 4.5 億美元用于納米科技研究。最近日本又加快了發(fā)展納米科技的步伐， 2002 年日本政府用于納米科技的研究經(jīng)費(fèi)達(dá)到了 2.6 億美元，建立了“納米材料中心”，該中心集中了數(shù)百位專家進(jìn)行納米材料的開發(fā)應(yīng)用研究，并與企業(yè)和大學(xué)合作推廣應(yīng)用。 美國(guó)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)曾對(duì)美、日、歐三方的納米技術(shù)進(jìn) 行比較 ,得出 :美國(guó)在合成技術(shù)、化學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)和信息技術(shù)等方面有優(yōu)勢(shì)；日本在電子元器件、設(shè)備裝置開發(fā)、微納米復(fù)合材料及其強(qiáng)化材料的制備及微加工技術(shù)等方面有優(yōu)勢(shì)；歐洲在納米材料彌散、材料設(shè)計(jì)與生物工程結(jié)合的程序編制及尖端設(shè)備的制造等方面有優(yōu)勢(shì)。 WTE 對(duì)日本、美國(guó)、歐洲在金、銀、青銅三種納米材料上比較也得出相似結(jié)論。日本在納米半導(dǎo)體和納米復(fù)合材料及納米強(qiáng)化材料上有極大的優(yōu)勢(shì) ,在微粒彌散、穩(wěn)定性及涂層等方面低于歐美。總體來說 ,日本在基礎(chǔ)研究上占有優(yōu)勢(shì)。 第 1.4 節(jié) 本文研究的主要內(nèi)容 根據(jù)國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 ，納米材料的研制多以非金屬和金屬氧化物納米粉為主，而對(duì)于純金屬納米粉國(guó)內(nèi)外形成產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)屈指可數(shù)。并且都停留在實(shí)驗(yàn)階段，產(chǎn)量大一點(diǎn)的也只有班產(chǎn) 0.5-1.0 公斤。國(guó)內(nèi)電弧法制備金屬納米粉現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)具有一定規(guī)模，四平市高斯達(dá)納米材料設(shè)備有限公司鎳納米粉為例，班產(chǎn)量已達(dá)到近 3 公斤，而新一代產(chǎn)品班產(chǎn)量有望將達(dá)到 5 7 公斤。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析，金屬納米粉制取設(shè)備將向著節(jié)能、高產(chǎn)量、粉體粒度尺寸可控、粒度分布范圍更窄及粒度范圍可分選的方向發(fā)展，擁有這樣的技術(shù)和設(shè)備，就將在金屬納米充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 材料領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。 本文的主要 就是研制一套蒸發(fā)冷凝法（電弧加熱）制備納米粉體的試驗(yàn)裝置。 電弧法制備金屬納米設(shè)備中，金屬母材在反應(yīng)過程中對(duì)單位電量的吸收率小，通過研究、改進(jìn)反應(yīng)室內(nèi)的電極、母材放置裝置以及室內(nèi)結(jié)構(gòu)，提高吸收率，從而提高金屬納米粉的單班生產(chǎn)率，同時(shí)進(jìn)一步完善電弧法純金屬納米粉生產(chǎn)設(shè)備的冷卻裝置。 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 第二章 電弧法制備金屬納米粉研究 金屬納米粉的制備涉及到物理、化學(xué)、材料等學(xué)科的交叉。制備方法也是多種多樣，最熟悉的應(yīng)該是機(jī)械球磨法，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資比較小，且能大量生產(chǎn)，可以制備一些常規(guī)方法難已獲得的高熔點(diǎn)金屬，但分級(jí) 太難，而且制備的納米粉末的表面和界面容易污染。通過氧化還原反應(yīng)、水解等方式可以獲得高純度的納米金屬粉末，但是這種方法也面臨著收集較難的問題。電弧法制備金屬納米粉是在密閉的惰性氣體中加熱金屬，使其蒸發(fā)后形成納米粉末。由于電弧理論比較成熟，改變電流，電極直徑，惰性氣體氣氛，幾乎可以制備所有的金屬納米粉。且該方法產(chǎn)生的粉末顆粒直徑分布窄，無污染，便于收集。 第 2.1 節(jié) 電弧 電弧法制備金屬納米粉的原理是在低壓的惰性氣體中加熱金屬，使其氣化，然后結(jié)晶形成納米顆粒。加熱源就是電弧，電弧溫度高（最高達(dá)到 50000K），產(chǎn)生容易（工業(yè)用電直接降壓，整流），且易于控制。 2.1.1 電弧物理 兩個(gè)電極相對(duì)放置，串連一個(gè)電阻，再接一個(gè)適當(dāng)?shù)闹绷麟娫?，兩個(gè)電極接觸一下，然后再拉開，在兩個(gè)電極之間就產(chǎn)生了電?。?Electric Arc）。通常把接電源正極的一端叫陽極（ Anode），接于負(fù)極的叫陰極（ Cathode）。陰極和陽極之間的部分一般稱為弧柱（ Arc Cloumn）或電弧等離子體（ ArcPlasma）。 電弧是通過兩電極之間的氣體所產(chǎn)生的強(qiáng)力的自持放電現(xiàn)象，具有電壓低 ,電流大 ,溫度高 ,發(fā)光強(qiáng)等特性。要使兩電極之間的氣體導(dǎo) 電必須充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 具備兩個(gè)條件：兩電極之間有帶電粒子；兩電極之間有電場(chǎng)。 氣體放電分非自持放電和自持放電兩種。非自持放電氣體導(dǎo)電所需要的帶電粒子不能通過導(dǎo)電過程本身產(chǎn)生，而需要外加措施來產(chǎn)生帶電粒子 (如加熱，施加一定能量的光子。自持放電當(dāng)電流大于一定值時(shí)，一旦放電開始，氣體導(dǎo)電過程本身就可以產(chǎn)生維持導(dǎo)電所需要的帶電粒子。輝光放電和電弧放電都是自持放電。 在普通狀態(tài)下，大氣中也存在一些陰離子、陽離子和電子等。所以把一對(duì)電極正對(duì)著放在大氣中，當(dāng)加上直流電壓 V 時(shí)，離子和電子會(huì)很快流向兩電極形成回路電流 I， I 值將隨外加電壓作遞 增（非線性）。當(dāng)電壓增大到一定值時(shí)，電流很快達(dá)到飽和狀態(tài)，只要再?zèng)]有其它離子和電子的發(fā)生源，則無論怎樣增大電壓，電流卻不再增大，但是實(shí)際上，電流還要增大，這是因?yàn)榧佑陔姌O空間的高電場(chǎng)，使離子和電子受到加速，這些高速粒子撞擊中性氣體粒子將使之電離而產(chǎn)生出一對(duì)新的電子和陽離子的緣故。當(dāng)再進(jìn)一步提高電壓上述新產(chǎn)生的電子和陽離子又會(huì)通過碰撞產(chǎn)生別的電子和離子。因此回路中的電流會(huì)迅速增大，最終會(huì)發(fā)生突然增大，這就是電弧放電、輝光放電。 對(duì)金屬導(dǎo)體導(dǎo)電， I=U/R,電流與電壓之間滿足線性關(guān)系，這是因?yàn)榻饘僦杏写罅靠梢宰?由移動(dòng)的帶電粒子 (電子 )，增大電壓，電子增多，電流就增大。對(duì)氣體導(dǎo)電，氣體中不含帶電粒子 (正離子、負(fù)離子、電子 )，電弧中帶電粒子，主要是由兩電極空間的氣體電離 ,電極的電子發(fā)射來產(chǎn)生。由于氣體有最低電離電壓、電極有最小逸出功，所以電流與電壓之間為非線性關(guān)系。 2.1.2 弧柱中的氣體電離 電離是在外加能量作用下，使中性的氣體分子或原子分離成電子和正離子的過程。中性氣體粒子失去第一個(gè)電子所需的最小外加能量稱為充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 第一電離能，失去第二個(gè)電子所需的能量稱為第二電離能，依此類推。電離能通常以電子伏 (eV)為單位。 1 電子伏是 指 1 個(gè)電子通過電位差為1 伏的兩點(diǎn)間所需做的功， 其數(shù)值為 J106.1 19 。為了便于計(jì)算，常把以電子伏為單位的能量轉(zhuǎn)換為數(shù)值上相等的電離電壓來表示。氣體電離電壓的高低說明了該種氣體產(chǎn)生帶電粒子的難易。例如 H 的電離電位是 13.53I， He 是 24.46 I， Fe 是 7.83 I。電弧中的氣體粒子電離現(xiàn)象主要是一次電離，當(dāng)電弧空間同時(shí)存在電離電壓不同的幾種氣體時(shí)，在外加能量的作用下，電離電壓低的氣體粒子將先電離；如果這種氣體供應(yīng)充足，則電弧空間的帶電粒子將主要由該種氣體產(chǎn)生。 電離主要有三 種形式，熱電離、場(chǎng)電離和光電離。氣體導(dǎo)電中，熱電離是主要的（在弧柱區(qū)和兩極區(qū)），這是因?yàn)樵诨≈鶇^(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度約為 10V/cm；陰極區(qū)和陽極區(qū)為 10e5 10e7V/cm，場(chǎng)電離是次要的，主要發(fā)生在陰極區(qū)和陽極區(qū)，光電離再次之。 （ 1）熱電離 熱電離是氣體粒子受熱的作用，發(fā)生非彈性碰撞而產(chǎn)生電離的過程。單位體積內(nèi)電離的粒子數(shù)與氣體電離前粒子總數(shù)的比值稱為電離度，用 X 表示，具體計(jì)算我們可以從下面的公式中導(dǎo)出。 式中： X 為電離度； P 氣壓； T 溫度； e 電子電量； u 氣體電離電壓； K 玻爾茲曼常數(shù)。 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 電弧中帶電粒子數(shù)的多少對(duì)電弧的穩(wěn)定起著重要作用。當(dāng)氣體為混合氣體時(shí)，電離電壓 u 應(yīng)采用混合氣體電離電壓，理論和實(shí)際都證明，混合氣體電離電壓主要取決于電離電壓低的氣體，即使該種氣體只占較小的比例。電弧弧柱溫度一般在 5000 30000K 范圍，因此 ,熱電離是弧柱部分產(chǎn)生帶電粒子最主要的途徑。電弧中的多原子氣體由于熱的作用將分解成原子，這種現(xiàn)象稱為熱解離。熱解離是吸熱反應(yīng)。因此熱解離影響著帶電粒子的產(chǎn)生，還影響著電弧的電和熱性能。 （ 2）電場(chǎng)作用下的電離 兩電極間電場(chǎng)作用下，氣體中的帶電粒子被加速，電能將轉(zhuǎn)換為帶電粒子的動(dòng)能。當(dāng)帶電粒子的動(dòng)能增加到一定數(shù)值時(shí)，則可能與中性粒子發(fā)生非彈性碰撞而使之產(chǎn)生電離。電場(chǎng)作用下的電離主要是電子與中性粒子的碰撞產(chǎn)生。這是由于電子自由行程比離子大 4 倍左右，因此獲能多，速度大。電子與中性粒子碰撞，幾乎可以把其全部能量傳遞給中性粒子。 電場(chǎng)作用下的電離只有在陰極壓降區(qū)和陽極壓降區(qū)才顯著，弧柱部分由于電場(chǎng)強(qiáng)度小，電子在平均的自由行程下所獲得的動(dòng)能小，因此在弧柱區(qū)熱電離是主要形式。 （ 3）光電離 中性氣體粒子受到光輻射的作用而產(chǎn)生的電離過程稱為光電離。電弧的光輻射只能對(duì) K、 Na、 Ca、 Al 等