低維納米材料的電弧法制備及微結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、文中首先對(duì)一維納米材料、金屬及合金納米粉、稀土-過(guò)渡金屬磁性材料作一簡(jiǎn)介，然后綜述了納米線、納米粉的制備方法及直流電弧等離子體法的應(yīng)用，最后闡述了“低維納米材料的電弧法制備及微結(jié)構(gòu)研究”選題意義。 本文中制備各種納米材料所使用的方法都是直流電弧等離子體法。在惰性氣體中，制備純金屬納米粉屬物理方法；但是在活性氣體中，蒸發(fā)出的金屬原子與環(huán)境氣氛反應(yīng)生成化合物又屬于化學(xué)反應(yīng)，所以該方法是一種綜合方法。該方法操作簡(jiǎn)單、生成物純度高、可連

2、續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)；特別適合制備高純的金屬納米粉，同時(shí)也是制備復(fù)合納米粉的首選方法。 探索AlN低維納米結(jié)構(gòu)新材料的制備、結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成可調(diào)控的新技術(shù)路線，研究AlN納米線的制備規(guī)律和生長(zhǎng)機(jī)理是近幾年來(lái)的熱點(diǎn)。在一定比例的NH3、H2和N2氣氛下，合成了AlN納米線，它們的直徑分布在10～110nm之間，長(zhǎng)度超過(guò)20μm，彎曲的部分有很好的結(jié)晶態(tài)，沒(méi)發(fā)現(xiàn)有層錯(cuò)等現(xiàn)象。在生長(zhǎng)的過(guò)程中，AlN、N和Al2O3蒸汽生長(zhǎng)速率和比例是重要因素，

3、它們決定納米線的形態(tài)和組分。另外，氫起一個(gè)催化作用，既加速Al的蒸發(fā)，提供充足的Al液滴。AlN納米線生長(zhǎng)的機(jī)理是建立在OAG和VLS模型上。AlN納米線的能帶結(jié)構(gòu)與AlN納米粉的基本相似，也發(fā)生藍(lán)移和譜線變寬。 AlON具有優(yōu)良的光學(xué)性能及介電性能等，在50％H2和50％Ar的混合氣氛中加入少量N2+O2氣氛下，采用直流電弧等離子體法合成了AlON納米線，并進(jìn)行了高分辯透射電子顯微鏡表征，至今還沒(méi)見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道這方面的工作。在陰極

4、的堆集物和捕集粉中分別得到了尖晶石結(jié)構(gòu)的AlON納米線，屬F3dm空間群。其直徑分布在35～170nm，長(zhǎng)度達(dá)到30μm，長(zhǎng)徑比超過(guò)300，有彎曲、分叉、表面粗糙等現(xiàn)象。工作氣氛的壓力、氫的含量和電弧功率降低，納米線直徑細(xì)化。 Ti-Al基合金已經(jīng)成為新一代高溫結(jié)構(gòu)材料的代表，具有強(qiáng)度高、密度低、彈性模量大、抗氧化和蠕變性能強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，Ti-Al合金的成分容錯(cuò)度小，此類合金室溫延展性和韌性差。目前解決的方法是對(duì)Ti-Al合金

5、進(jìn)行晶粒細(xì)化處理。以Ti-Al合金塊體為原料，在H2+Ar+N2氣氛下制備的納米粉成分相近。在N2含量高的情況下，濺射量與功率同步增長(zhǎng)。在10％～25％N2含量氣氛下，點(diǎn)弧過(guò)程陰極上有堆積物，并發(fā)現(xiàn)了部分氮化和氧化了的Ti-Al合金微米竿，直徑在1～2μm、長(zhǎng)度達(dá)到200μm。Ti-Al合金微米竿生長(zhǎng)機(jī)理為微米顆粒及短棒相連成竿，晶核能量高的晶面和缺陷多處優(yōu)先生長(zhǎng)。 金屬納米材料的物理和化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體的顯著不同。本文探

6、索了制備Al、Cu、Pb、Fe、Co、Ni納米粉工藝，陽(yáng)極料中加40％～50％W、功率5～8kW、氫氬比例1：1，總壓為1.013×105Pa條件下每小時(shí)生成量分別為100g/h～500g/h(三極)。金屬納米顆粒基本是球型，它們平均粒徑分布在60～80nm，有些Al金屬納米顆粒具有新的結(jié)構(gòu)形態(tài)-蝌蚪形，Al納米蝌蚪的頭部為外部包覆AlOx層的Al納米顆粒，而尾部為AlON相，大部分蝌蚪的尾部形成了孿晶結(jié)構(gòu)，循環(huán)氣體的速度大小決定粉體尾

7、部的長(zhǎng)短。在真空度高于1×10-4Pa條件下，制備的納米顆粒容易保持金屬的晶體慣態(tài)和結(jié)構(gòu)，金屬Fe的晶體慣態(tài)是平截菱形十二面體，金屬Co、Ni的晶體慣態(tài)是平截八面體等。樣品Al的衍射線產(chǎn)生雙線分裂，隨著2θ的增加而增大的。平均粒徑為60～80nm的幾種金屬納米粉熔點(diǎn)比粗晶的都低。Al納米蝌蚪的生長(zhǎng)機(jī)理應(yīng)是液態(tài)的團(tuán)簇高速運(yùn)動(dòng)而甩出的尾部和運(yùn)動(dòng)方向晶面間距大易生長(zhǎng)的機(jī)理，顆粒的生長(zhǎng)機(jī)理大體上符合VLS生長(zhǎng)機(jī)制。 由于Sm2Fe17N

8、x和R2Fe17Cx具有優(yōu)異的內(nèi)稟磁性能和高的居里溫度，它們可能成為繼Nd2Fe14B之后又一代新型永磁材料，但時(shí)至今日仍然處于研究開(kāi)發(fā)階段。制備Sm2Fe17成分的合金時(shí)原料中Sm成分提高10％左右，另外，Sm2Fe17納米粉生成量受氣體和氣壓影響，并隨氫氣濃度和電弧的功率提高而增大，在CH4+Ar中制備的粉體粒徑較小和氧含量低，并可直接制備出Sm11Fe12C18相；增加合金的質(zhì)量、分段點(diǎn)弧，可減弱Sm、Fe分餾，納米粉中的Sm-F