纳米复合金属制备中粒度的控制技术研究毕业论文.docx

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纳米复合金属制备中粒度的控制技术研究毕业论文

毕业论文

纳米复合金属制备中粒度的控制技术研究

摘要

新材料是科学技术发展的基础和载体，纳米科技作为2l世纪的主导科学技术，将会给人类带来一场前所未有的新的工业革命，纳米材料是纳米技术应用的基础，纳米材料表现出常规块体材料不具备的物理和化学性质，以及在许多领域展示的潜在的重要应用前景已经成为当今纳米材料的前沿和热点。

近年来，受到广泛的关注和研究。

本文采用等离子体自由弧、强制气流输运、风冷的方式来满足纳米金属粉末生成的温度梯度条件，避免了液氮冷却和等离子体压缩弧的复杂设备要求，大大降低了制粉成本；引入高纯氢气氛成倍地提高了制粉产率；从单因素工艺实验全面探讨了冷态总压、氢氩比、电流强度、气流循环强度等工艺参数对粉体产量和质量的影响规律。

实验表明，随着冷态总压和气流循环强度的增大，纳米粒度逐渐减小；随着氢氩比和电流强度的增加，纳米粒度逐渐增大。

在此基础上设计试验,最终获得纳米金属粉体材料的等离子体制备最佳工艺方案，制备出平均粒径为50nm~55nm的NiAl纳米粒子。

关键词：

纳米金属粉末，制备，等离子体，粒度控制

TheSizeControllingTechnologyResearchonPreparationofNanoCompositeMetalParticle

Abstract

Newmaterialsarethebasicandcarriersofthedevelopmentofscienceandtechnology,Nanotechnologywillabsolutelybedominantinallscientificfieldsin21stcentury,whichwillbringallunprecedentedindustrialrevolution,Thenanomaterialisthebasisoftheapplicationofnanotechnology,nanomaterialshavereceivedsteadliygrowinginterstsasaresultoftheirpeaculiarandfascinatingproperties,applicationssuperiortotheirbulkcounterparts,butalsotheirpotentialapplicationinthefieldsofeleclronic,magneticrecording,optoclectronicandsoon.

Thetemperaturegradientrequestforobtainingnanoparticlesismetbyplasmanon-confinedarc,compulsiveaircurrentconveyanceandair-cooling,whichavoidscomplicatedequipmentrequirementforliquidnitrogen&confinedplasmaarcandreducecostgreatly.Ontheotherhand,thehighpurehydrogenisimportedtoimproveproductiveefficiencyremarkably.Theinfluenceruletopowderqualityandquantityfromsometechnicalparameterssuchasgaspressure,theratiobetweenhydrogenandargon,currentintensityandgascirculateintensitywerediscussedbysingle-factorexperiment.

Theexperimentsindicated:

withtheincreaseingaspressureandgascirculateintensity,Nano-particlesizedecreasesgradually;withtheincreaseintheratiobetweenhydrogenandargon,currentintensityandcurrentintensity,Nano-particlesizeincreasegradually.onthebaseofwhichtheexperimentschemewasarranged.Atlast,thebestoptimizedpreparingtechnicalschemefornanometalmaterialswerestudied,preparedtheNiAlnano-powderattheaveragesizefrom50nmto55nm.

KeyWords:

nanometal,preparation,plasma,particlesizecontrol

目录

1绪论1

1.1引言1

1.2纳米材料制备的国内外研究概况1

1.2.1气相法2

1.2.2液相法4

1.2.3模板合成法5

1.2.4自组装技术5

1.2.5固相法5

1.3当前纳米金属粉末制备技术中存在的问题及发展趋势6

1.4纳米材料的应用8

1.5本课题研究的主要内容及研究方法9

2直流电弧等离子体制备纳米材料的形成机理分析10

2.1电弧现象10

2.1.1基本概念[24]10

2.1.2电弧放电12

2.1.3辉光放电13

2.1.4气氛对电弧放电的影响14

2.2等离子体基本概述15

2.2.1等离子体的概念15

2.2.2气体的热电离和等离子体15

2.3等离子弧的特性16

2.3.1等离子弧16

2.3.2等离子弧的热特性16

2.3.3等离子弧的电特性17

2.3.4等离子弧燃烧的稳定性17

2.4等离子体弧光放电18

2.4.1等离子体弧光放电与电弧等离子体18

2.4.2电弧等离子体技术制备纳米材料的特点19

2.4.3氢电弧等离子体法19

2.5等离子体法制备纳米金属粉体的基本条件20

2.5.1纳米金属粉末制备中温度梯度的作用20

2.5.2纳米金属粉末制备中氢气氛的作用21

2.6电弧等离子体法在纳米材料制备方面的应用21

2.6.1纳米粉末的制备21

2.6.2薄膜的制备22

2.6.3纳米管等准一维纳米材料的制备23

3实验部分24

3.1实验原理24

3.1.1实验主要技术线路24

3.1.2NiAl纳米粒子的生长机理25

3.1.3等离子体法制备纳米金属粉体的影响因素25

3.1.4纳米金属粉体材料的评定指标26

3.2实验设备介绍27

3.2.1SNH-IV-B型实验室用金属纳米粉制取设备介绍27

3.2.2设备参数及各部分构成27

3.2.3各元件的作用和操作顺序28

3.3实验过程30

3.4实验结果分析32

3.4.1单因素变量分析32

3.4.2最优化实验方案设计34

4结论37

参考文献38

致谢40

1绪论

1.1引言

纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代诞生并逐渐崛起的新科技,基本内涵是:

在纳米尺寸（1~100nm）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造具有特定功能的新物质材料。

纳米粒子是由数目较少的原子和分子组成的原子群或分子群，其尺寸一般在1~100nm之间。

纳米粒子具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应[1]，使得粒子在保持其原有物质物理和化学性质的同时，在电学、磁学、化学、光学、力学等方面表现出奇特的性能[2]，而且随着纳米粒子的尺寸不同，其性质差别很大。

例如，粒径的大小影响磁性纳米粒子的磁性，当粒径小于10nm时粒子呈超顺磁性，同时其各向异性能（KV）、矫顽力、比饱和磁化强度、剩余磁化强度、居里温度等均有明显的尺寸效应。

既然纳米粒子的粒径与其性能的关系如此密切，在纳米粒子制备过程中，预测和控制粒径就显得尤为重要。

纳米粒子的粒径指标值通常是通过改变实验条件的反复实验而获得。

通过实验条件来预测纳米粒子粒径的模型不仅能增强我们控制粒径的能力，而且有利于工业化生产具有理想粒径的纳米粒子。

现今，纳米粒子通过“自下而上”的构建模式，有望制备出高性能的电子、磁学、光学器件，在宇航技术、电子、陶瓷、轻工、医药、冶金和化学等领域有广泛的应用前景，因而对纳米粒子结构、形态及制备技术的研究已成为一个热门课题[3]。

1.2纳米材料制备的国内外研究概况

纳米材料的研究最早源于十九世纪六十年代对粒径约（1~100nm）的胶体粒子的研究，其间历经了三个阶段：

孕育萌生阶段（1984年以前）、探索研究阶段（1993年以前）、应用开发阶段（1993年到现在）。

进入20世纪90年代以来，纳米材料及其技术开始蓬勃发展，研究的内涵不断扩大，领域也逐渐拓宽[4][5]。

人工制备纳米材料的历史可以追溯到1000多年前，我国古代利用燃烧蜡烛的烟雾制成碳黑作为墨的原料以及用于着色的染料，这可能就是最早的纳米颗粒材料。

人们有意识地合成纳米材料是在20世纪60年代，著名的物理学家诺贝尔物理奖获得者RichardFeynman率先提出了人工合成纳米粒子的设想。

70年代美国康奈尔大学Granqvist和Buhrman曾利用气相凝集的手段制备纳米材料。

1984年,德国H.Gleiter教授首次采用惰性气体蒸发原位加压法制备了具有清洁界面的三维块状试样纳米晶体钯、铜、铁等。

1987年美国Argonne实验室的R.W.Siegel博士用同样方法制备了纳米氧化钛多晶体。

随着科学与技术的不断进步，制备纳米材料的方法和技术也在不断拓宽，如应用激光技术、等离子技术等高科技手段制备高质量纳米材料。

纳米材料的制备方法很多，分类也各不相同，关键是如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材料，所需的设备也尽可能结构简单、易于操作。

制备要求一般要达到表面洁净、纳米材料的形貌及尺寸、粒度分布可控，易于收集、有较好的稳定性、产率高等方面。

从理论上讲，任何物质都可以从块体材料通过超微化或从原子、分子凝聚而获得纳米材料。

按照纳米微粒的制备原理，纳米材料的制备方法总体上可以分为物理方法和化学方法。

物理方法有：

蒸发冷凝法、离子溅射法、机械球磨法、低温等离子体法、电火花法和爆炸法等；化学方法有水热法、水解法、溶胶—凝胶法、熔融法等。

不论采取何种方法，根据晶体生长规律，都需要在制备过程中增加成核、抑制或控制生长过程，使产物符合要求，成为所需的纳米材料。

纳米材料结构的分析、物性的研究、应用和开发都须按一定的要求制备出可靠的纳米材料，所以在材料研究中占有重要的地位。

下面简单介绍纳米材料的制备方法：

1.2.1气相法

（1）等离子法

利用惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体，从而使原料熔化和蒸发，蒸汽遇到周围的气体就会冷凝或发生化学反应形成纳米颗粒，等离子体温度高，能制备出难熔的金属或化合物，产物纯度高。

可分如下两类：

目前，国际上用来制备纳米粉体的等离子体发生器主要有高频等离子体发生器、