大面積放電等離子體特性及其輔助高能球磨制備AlN粉末機(jī)理研究.pdf

1、大氣壓大面積介質(zhì)阻擋彌散放電等離子體由于其不需要在真空下運(yùn)行，而且可實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)工作，所以在納米粉末合成、材料表面改性、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境工程等領(lǐng)域都展示出了重要的應(yīng)用前景。本論文重點(diǎn)開展了兩方面的研究工作:一是在大氣壓下采用雙極性納秒脈沖電源驅(qū)動多針-板式電極獲得了穩(wěn)定的大面積空氣介質(zhì)阻擋彌散放電等離子體;二是在大氣壓下利用交流電源驅(qū)動在球磨罐內(nèi)聚四氟棒表面產(chǎn)生大面積沿面放電等離子體輔助高能球磨成功制備AlN納米粉末并對其合成機(jī)理進(jìn)行深入

2、的研究。主要研究結(jié)果如下:
　　1.在單針-板電極結(jié)構(gòu)下，采用雙極性納秒脈沖電源驅(qū)動成功獲得了空氣介質(zhì)阻擋彌散放電等離子體，通過增加針電極的數(shù)目，獲得了大面積空氣彌散放電等離子體。測量了等離子體發(fā)射光譜、脈沖電壓和電流波形。通過氮分子離子第一負(fù)帶N2+(B2Σu+→X2Σg+，0-0)和氮分子N2(C3Πu→B3Πg，0-2)發(fā)射光譜擬合確定了等離子體的轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度。研究了脈沖峰值電壓、脈沖重復(fù)頻率、放電間隙、介質(zhì)板厚度和針

3、電極數(shù)目對放電的均勻性、N2(C3Πu→B3Πg，0-0)發(fā)射光譜強(qiáng)度、放電功率、功率密度、等離子體溫度和放電等離子體面積的影響。結(jié)果表明:在雙極性納秒脈沖中正、負(fù)脈沖放電均只有一次有效的放電擊穿，而且單次脈沖放電持續(xù)時(shí)間約為70ns左右。隨著脈沖峰值電壓和脈沖重復(fù)頻率增加，N2(C3Πu→B3Πg，0-0)發(fā)射光譜強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，而隨著放電間隙、介質(zhì)板厚度和針電極數(shù)目增加，N2(C3Πu→B3Πg，0-0)發(fā)射光譜強(qiáng)度逐漸減弱。另外平均

4、功率和功率密度隨著電極數(shù)目的增加分別逐漸變大和變小，但是隨著脈沖峰值電壓的增加而上升。等離子體氣體溫度隨著介質(zhì)板厚度和針電極數(shù)目增加而略微降低。介質(zhì)板厚度和電極間隙的增加，放電等離子體面積呈現(xiàn)明顯的收縮，而針電極數(shù)目和脈沖峰值電壓的增加，放電等離子體面積呈現(xiàn)明顯的擴(kuò)展，同時(shí)放電仍然保持良好的均勻特性。當(dāng)增加針電極數(shù)目時(shí)，放電擊穿電壓逐漸降低，而放電電流峰值卻明顯增大。在脈沖峰值電壓為34kV時(shí)，放電等離子體的面積達(dá)到約為70×50mm2

5、。
　　2.在大氣壓氮?dú)庵?，以純Al2O3粉末作為前驅(qū)物，通過交流電源驅(qū)動產(chǎn)生大面積沿面放電等離子體，并且輔助高能球磨Al2O3成功制備出AlN粉末。分別采用放電等離子體輔助高能球磨（放電球磨）和普通高能球磨（普通球磨）活化Al2O3粉末，然后對比了球磨后Al2O3粉末的微觀形貌、顆粒尺寸、晶格尺寸、晶格畸變以及合成AlN粉末的形貌、顆粒尺寸、轉(zhuǎn)化率等。并詳細(xì)討論了放電等離子體在球磨過程中所起的協(xié)同作用機(jī)制。結(jié)果表明:相對于普通球

6、磨而言，放電球磨后Al2O3粉末能獲得更小的晶粒尺寸、顆粒尺寸和更大的晶格畸變和比表面積。通過Kissinger方程計(jì)算得出放電球磨Al2O3合成AlN所需的激活能為371.5kJ/mol，這遠(yuǎn)低于普通球磨Al2O3的激活能(457kJ/mol)和原始粉末的激活能(529kJ/mol)。另外，在相同的氮化溫度下，放電球磨Al2O3粉末生成AlN轉(zhuǎn)化效率明顯高于普通球磨Al2O3粉末。同時(shí)，通過放電球磨合成的AlN具有更好的結(jié)晶度、晶格形

7、貌和均勻分布，這說明放電球磨前驅(qū)物能獲得更大的反應(yīng)活性，在氮化過程中能夠有效的降低氮化溫度和提高AlN轉(zhuǎn)化率。其原因是由于等離子體在球磨過程中的熱效應(yīng)和高能粒子轟擊效應(yīng)。
　　3.以Al2O3/C混合體系作為前驅(qū)物，分別采用放電球磨和普通球磨對前驅(qū)物進(jìn)行球磨活化。深入研究了球磨后前驅(qū)物物相轉(zhuǎn)變、微觀形貌、合成AlN轉(zhuǎn)化效率和顆粒形貌。通過與放電球磨Al2O3粉末的結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果表明:放電球磨Al2O3/C混合粉末中Al2O3顆

8、粒與石墨相互包裹糅合，形成相互堆疊的片層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。放電球磨Al2O3/C混合粉末的細(xì)化速率降低，晶體內(nèi)部的缺陷及畸變程度也相應(yīng)的降低。然而在相同的氮化條件下，放電球磨Al2O3/C混合粉末生成AlN轉(zhuǎn)化效率高于放電球磨Al2O3粉末合成的AlN轉(zhuǎn)化率，而且放電球磨Al2O3/C混合體系比放電球磨Al2O3粉末體系縮短10個(gè)小時(shí)的球磨時(shí)間使AlN轉(zhuǎn)化率達(dá)到100％。另外，放電球磨Al2O3/C混合體系合成的AlN顆粒分布更加均勻，顆粒尺

9、寸更小，這些差異主要是由于C在球磨過程中扮演著潤滑的作用，有效的減輕粉末與鋼球碰撞影響并降低球磨機(jī)械力對粉體能量的輸入，因此細(xì)化的速率減慢。但是球磨后Al2O3/C混合體系形成復(fù)合相互包裹的細(xì)小顆粒結(jié)構(gòu)，極大地增加了有效接觸面積，縮短了平均擴(kuò)散路徑，而且前驅(qū)物分子都處于高活性狀態(tài)，從而加快氮化速率和轉(zhuǎn)化效率。
　　4.采用放電球磨Al/DN混合前驅(qū)物在不氮化下成功的合成AlN粉末。重點(diǎn)研究了放電球磨后產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程、微觀形

10、貌、顆粒尺寸以及Al和DN化學(xué)反應(yīng)機(jī)制。研究表明:當(dāng)球磨時(shí)間小于8h，球磨產(chǎn)物中主要的物相是Al和DN。繼續(xù)增加球磨時(shí)間，DN的衍射峰逐漸消失，AlN物相的衍射峰出現(xiàn)，當(dāng)球磨時(shí)間達(dá)到14h時(shí)，合成AlN的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到90％，比表面積大約為52m2/g，其主要的反應(yīng)機(jī)制是固態(tài)有機(jī)氮源DN含有充足的含氮基團(tuán)，在球磨活化過程中，DN分子中-NH2官能團(tuán)最先斷裂，脫胺后的DN不穩(wěn)定導(dǎo)致DN進(jìn)一步分解失去腈基官能團(tuán)，同時(shí)已經(jīng)細(xì)化而且高活性的Al原