发布时间 : 星期五 文章蒸发冷凝团聚法制备金属微米级纳米团聚体粉体 - 图文更新完毕开始阅读2af402a887c24028905fc301
高纯度、窄粒径分布、提高产率和降低生产成本等技术难题。 4我们选定的金属纳米粉体针对的行业
3D打印微米级纳米团聚体的制备、微电子行业用的电子浆料以及纳米润滑油等行业。
5、我们选定的制备方法：
等离子纳米金属粉体蒸发冷凝法，脉冲金属丝蒸发法，微米团聚体采用喷雾干燥法
5.1纳米金属粉体蒸发冷凝法 加热体采用电弧加热会等离子体加热
图 1 高真空三枪直流电弧等离子体蒸发金属纳米粉连续制备设备简图 1-钨电极 2 -制粉室 3 -手套箱 4 -水冷坩埚 5 -旋风分级室 6 -真 空包装罐 A 7 -收粉室 8 -滤布 9 -真空包装罐 B
图 1 所示为自行研制的高真空三枪直流电弧等离子体蒸发金属纳米粉连续制备设备简图。制粉前，首先检查各阀门开启是否正确，将锌锭放入水冷坩埚中，密封设备。采用机械泵和分子泵抽真空至 10 ?3 Pa，充入 0.01 MPa 的氩气和氢气(V(氩气): (V?氢气制)=1:9)，调节弧阳阴的距离开始引极，室内的气体在气压和电弧电流的作用下产生稳定的高温等离子体电弧 [12] 。在高温电弧作用下，锌锭迅速熔化，当温度升高到使得金属原子获得的动能大于原子表面束缚能时，金属原子开始脱离金属液面而蒸发出来，并由大风量罗茨风机吹出的气体带至收粉室，最后沉积在收粉室内壁和滤布上。实验整个过程风机和循环冷却水一直处于工作状态。
金属纳米粉是利用自行研制的阳极弧等离子体技术制备金属纳米粉的装置而获得。制备装置主要由真空室、配气装置、直流电源、高频点火器、液体冷却集筒、水
冷阳极铜坩锅和等离子体枪体等几个部分组成。实验中，先将真空反应室抽成真空，再充纯净的惰性保护气体，并调节气压约为103 Pa。钨极和喷嘴之间电弧被高频点火器引燃，在气压和电弧电流作用下，高温高活性的离子化气体冲出喷嘴形成稳定的等离子体[16,18]。高纯块状镍原料被高温等离子体加热蒸发至气化，蒸发的金属原子在惰性气体中扩散，不断与惰性气体原子发生激烈的碰撞。利用火焰边界和骤冷装置，金属原子迅速损失能量而冷却。在这种有效的冷却过程中，造成金属蒸气中很高的区域过饱和，并从气相中自发成核凝聚生长成超微粒[19,20]。团簇形成后，通过气体对流作用(由于温度差)而迅速离开过饱和区，避免团簇进一步聚集而长大，最后沉积在用水冷却的器壁上。 经过一定时间的稳定钝化处理, 就可获得松散的金属纳米粉体。
表1 为阳极弧放电等离子体制备金属纳米粉末参考工艺参数。测试样品为在Ar 气氛中，气压为103 Pa，电弧电流80 A，水冷却条件下制备的镍纳米粉。
表1 阳极弧等离子体制备金属纳米粉的参考工艺参数
Table 1 Referential technology parameters of preparing metal nanopowders by anodic arc plasma Gas
pressure/KPa 0.3-2
金属镍纳米粉体的形貌、粒度和晶体结构如图2， 给出了Ni 纳米粉体的透射电镜照片和电子衍射花样。从图2a 中可以观察到粒子为球形颗粒，粒子表面比较光滑，大多数颗粒尺寸细小均匀，显示其均匀的成核机制。由于粒度很小和表面能很高，颗粒有少量团聚，粒子间随机地聚集在一起，连结成长链状。这种球形链状的排列是由于纳米粒子受到超微粒子间的静磁力和表面张力共同作用的结果。根据ibbs 理论，在原子总数不变的情况下，颗粒外形应是表面能最低的形状，对于具有面心立方晶格结构的镍纳米粉而言, 满足这一条件的外形为球形。图1b是样品A 的选区电子衍射花样，呈现一系列规则的的同心圆环状。这一方面是由于晶粒之间存在晶面无序态，取向随机，出现了源于无序结构的明亮大晕环；另一方面由于纳米晶粒内部结晶度较好，又出现了源于长程有序结构的明暗相间
Ar
Atmosphere Arc
Voltage/V 20-30
Arc Current/A 70-150
Cooling Condition WC
衍射环，衍射斑点由不同晶粒取向的单晶衍射图叠加而成。经过计算，衍射环从内到外各衍射环指数分别对应于(111)， (200)，(220)，(311)，(222)晶面，这表明颗粒为fcc 晶体结构。同时由于晶粒之间取向随机且晶粒细小引起衍射环的宽化。图3为样品A 的粒度统计分布。由图3 可以看出，所制得纳米粉粒度主要分布在10 nm~40 nm 范围内，平均粒度(分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸)为16 nm。
图2样品的TEM 照片(a)和相应的选区电子衍射花样( b)
Fig.2 TEM micrograph (a) and the selected area electron diffraction pattern (b) of Ni nanopowders
图3 Ni 纳米粉的粒度分布
Fig.3 The particle size distribution of Ni nanopowders
图4是镍纳米粉体的X 射线衍射谱图。图3 中各衍射峰的位置分别与块体镍111)，(200)，(220)，(311)，(222)晶面相对应，粉末呈面心立方结构的晶态，与电子衍射的测试结果一致。在XRD 谱图中除了镍的特征峰，没有发现其它物相的衍射峰，这表明所制样品为纯净的镍粉。从图3 中可以明显看出衍射峰低且宽，
图4 Ni 纳米粉的XRD 谱图
Fig.4 XRD pattern of Ni nanopowders
这一方面是由于纳米粉的粒度太小造成的，另一方面与纳米粉的内部缺陷结构有关。样品的平均晶粒尺寸，可以利用各衍射线的宽化程度根据Scherrer 公式
d=k?(Bcos?)
估算，式中K为常数，用铜靶时近似为0.89，d 为晶粒尺寸；θ 为衍射角；B 为主峰半高宽所对应的弧度值。以(111)晶面的衍射峰为基准，样品A 的平均晶粒尺寸为18.6nm，与TEM 照片测得结果基本一致。 阳极弧等离子体制备金属纳米粉的机理
图5 为阳极弧等离子体制备金属纳米粉过程中纳米粒子形成原理图。金属原料被高温等离子体加热、熔融、蒸发，蒸发出的气相原子在惰性气氛中，经碰 撞、成核、长大，并迅速脱离生长区域，经过短暂快速冷凝过程，最后凝聚在冷阱上，形成一种结构松散的纳米颗粒。 售价，30万美金，20万美金，5万美金 5.2蒸发冷凝法制备金属纳米粒子机理