電弧法制備金屬納米粉研究設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文答辯資料】

需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 摘 要 納米科技是二十世紀(jì)八十年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)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?chē)臍怏w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(guò)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(mǎn)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 需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 is a in of in is of of of of of is an by is a in by to a of of a by of of is in a of of or as so at a of in be or of to of of of to of of to to a of so of to of of to a to of is to to of 文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 目 錄 第一章 緒 論 . 1 第 引 言 . 1 第 金屬納米粉的制備方法概述 . 4 械法 . 4 理法 . 5 學(xué)法 . 6 第 納米粉體制備及應(yīng)用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 . 7 米粉體制備及應(yīng)用的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 . 7 米粉體制備及應(yīng)用的國(guó)外現(xiàn)狀 . 9 第 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 電弧 . 13 弧物理 . 13 柱中的氣體電離 . 14 極的電子發(fā)射 . 16 弧的物理特性 . 18 第 電弧的應(yīng)用 . 23 第 電弧制取金屬納米粉體 . 24 弧法制備金屬納米粉體的原理 . 25 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 實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 28 第 真空系 統(tǒng)的設(shè)計(jì) . 29 空獲得設(shè)備 真空機(jī)組及其選用 . 30 空容器的設(shè)計(jì) . 33 空測(cè)量系統(tǒng) . 44 第 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn) . 46 需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 第 真空管路 . 48 第 真空材料 . 48 第 本章小結(jié) . 49 第四章 加熱裝置的設(shè)計(jì) . 50 第 電弧加熱原理 . 50 第 水冷電極 . 51 冷電極的設(shè)計(jì)要點(diǎn) . 51 熱陰極的設(shè)計(jì) . 52 熱陽(yáng)極的設(shè)計(jì) . 53 弧裝置的簡(jiǎn)介 . 54 第 本章小結(jié) . 56 第五章 粉體的生成與收集 . 57 第 粉體獲得裝置 . 57 阱裝置 . 57 刀 . 58 第 收集室 . 59 第 其它系統(tǒng) . 60 路保護(hù) . 60 濾膜 . 61 第 本章小結(jié) . 61 第六章 結(jié)論與展望 . 62 英文原文 文譯文 81需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 第一章 緒 論 第 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。科學(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(lái)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 10下，將迅速增加表面原子的比例；當(dāng)粒徑降到 1，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(lái)，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)和最低未被占需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 據(jù)的分子軌道能級(jí)，這些能隙變寬的現(xiàn)象均稱(chēng)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(xiàn)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(wèn)題開(kāi)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(mǎn)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(lái)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(lái)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(lái) 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(lái)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(lái)，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(pán)、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(yáng)能需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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(wèn)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?jiàn)的極微小的物質(zhì)很可能給予各個(gè)領(lǐng)域帶來(lái)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(kāi)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（ 1100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(lái)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) 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(pán)的需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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(jiàn)光紅外線(xiàn)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(wú)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(guò)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(kāi)了另外一扇窗。 第 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(lèi)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。 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，通入幾需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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。 理法 物理法是指在粉末的制備過(guò)程中不發(fā)生化學(xué)變化 ,通過(guò)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 661753313 氬氣中蒸發(fā)了 金屬，可以得到 10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 880圍內(nèi)變化的高純 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 作為原料制備了粒徑小于 50 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 7e、 X 氣氛中，用 100W 的 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(yáng)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)需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 出來(lái)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(guò)加大被濺射的陰極表面來(lái)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(lái)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。 學(xué)法 化學(xué)法是指在粉末的制備過(guò)程中要發(fā)生化學(xué)變化，一般是通過(guò)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(lái)的一種制備玻璃、陶瓷等無(wú)機(jī)材料的新工藝，近年來(lái)許多人用來(lái)制備納米粉末。其基本原理是將金屬醇鹽或無(wú)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（ 備金屬納米粉末是近幾年來(lái)興起 來(lái)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(lái)合成納米粉末，主要用于需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 合成一些用常規(guī)辦法難以獲得的化合物納米粉末 ,如： ，但也可以用來(lái)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(wú)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(lái)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(lèi)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(lái)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(shuō) ,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 30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(guò)液相氧化還原反應(yīng)來(lái)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 納米粉體制備及應(yīng)用國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 米粉體制備及應(yīng)用的國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(kāi)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(wàn)元人民幣，用于兩條納米粉體生產(chǎn)線(xiàn)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、舟山明日需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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(gòu)進(jìn)。 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 (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 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(mén)，且繼續(xù)投資 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(shū)，投資金額再創(chuàng)新高，達(dá)到 美元，投資分布于各部門(mén)的情況，如表 示。從預(yù)算書(shū)來(lái)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)家需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 科學(xué)基金會(huì)就占了 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(lái)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(guò)“歐盟研發(fā)基金會(huì)”的第五、第六框架來(lái)加快發(fā)展的。“第五框架專(zhuān)案”計(jì)劃從 1998 年至 2002 年，投資金額高達(dá) 歐元（約 128 億美金）。第五框架專(zhuān)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(guò)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(guò)“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)展需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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 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 美元，建立了“納米材料中心”，該中心集中了數(shù)百位專(zhuān)家進(jìn)行納米材料的開(kāi)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(kāi)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)。 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?？傮w來(lái)說(shuō) ,日本在基礎(chǔ)研究上占有優(yōu)勢(shì)。 第 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) 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，就將在金屬納米需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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(guò)程中對(duì)單位電量的吸收率小，通過(guò)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。 需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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(guò)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(wèn)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(wú)污染，便于收集。 第 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。 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(kāi)，在兩個(gè)電極之間就產(chǎn)生了電弧（ 通常把接電源正極的一端叫陽(yáng)極（ 接于負(fù)極的叫陰極（ 陰極和陽(yáng)極之間的部分一般稱(chēng)為弧柱（ 電弧等離子體（ 電弧是通過(guò)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) 電必須需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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(guò)導(dǎo)電過(guò)程本身產(chǎn)生，而需要外加措施來(lái)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(kāi)始，氣體導(dǎo)電過(guò)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(yáng)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(xiàn)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(wú)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(yáng)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(yáng)離子又會(huì)通過(guò)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(mǎn)足線(xiàn)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(lái)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(xiàn)性關(guān)系。 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(guò)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(chēng)為需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 第一電離能，失去第二個(gè)電子所需的能量稱(chēng)為第二電離能，依此類(lèi)推。電離能通常以電子伏 (單位。 1 電子伏是 指 1 個(gè)電子通過(guò)電位差為1 伏的兩點(diǎn)間所需做的功， 其數(shù)值為 9 。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(lái)表示。氣體電離電壓的高低說(shuō)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 ， 。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/極區(qū)和陽(yáng)極區(qū)為 1010電離是次要的，主要發(fā)生在陰極區(qū)和陽(yáng)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(guò)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(chēng)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)。 需要購(gòu)買(mǎi)對(duì)應(yīng) 紙 咨詢(xún) 14951605 買(mǎi)對(duì)應(yīng)的 紙 14951605 或 1304139763 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(chēng)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(yáng)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