丝电爆制备纳米粉中的电极烧损和大颗粒形成.pdf

4 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 2 年8 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 7 5 4 5 ．2 0 1 2 ．0 8 ．0 1 5 丝电爆制备纳米粉中的电极烧损和大颗粒形成 毕学松，朱亮 兰州理工大学甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室，兰州7 3 0 0 5 0 摘要分别通过接触式和气体放电式丝电爆法制备纳米粉，观察电极烧损情况并统计粉末中微米级大 颗粒的比例。结果表明，气体放电式丝电爆过程电极烧损比较轻微，制备的粉末中微米级大颗粒比例较 小，并且更有利于工程上连续实施。提高初始电压也可以减小粉末中微米级大颗粒的比例。 关键词丝电爆；纳米粉；初始电压；电爆产物 中图分类号T F l 2 3 ．1 4文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 2 0 8 一0 0 4 8 一0 4 E l e c t r o d eB u r n i n gL o s sa n dF o r m a t i o no fM i c r o n 。s i z e P a r t i c l e si nW i r eE l e c t r i c a lE x p l o s i o n B IX u e s o n g ，Z H UL i a n g S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fG a n s uA d v a n c e dN o n f e r r o u sM e t a lM a t e r i a l s ，L a n z h o uU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，L a n z h o u7 3 0 0 5 0 ，C h i n a A b s t r a c t N a n o p o w d e r sw e r ep r e p a r e dw i t hw i r ee l e c t r i c a le x p l o s i o n W E E o f “c o n t a c t ’’a n d “g a sd i s c h a r g e ，，，r e s p e c t i v e l y ．T h eb u r n i n gl o s so fe I e c t r o d e sw a so b s e r v e da n dt h em i c r o s i z ep a r t i c l ep e r c e n t a g e w a sc a l c u l a t e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ，d u r i n gt h ep r o c e s so fW E E o f “g a sd i s c h a r g e ’ ，t h ea b l a t i o no fe l e c t r o d e si ss l i g h t ，t h ep r o p o r t i o no fm i c r o s i z ep a r t i c l e si nn a n o p o w d e r si ss m a l l e r ，a n dt h eW E E o f “g a sd i s c h a r g e ’’i sm o r ea p p l i c a b l ef o re n g i n e e r i n g ．F u r t h e r m o r e ，i n c r e a s i n gt h ei n i t i a lc h a r g i n gv 0 1 t a g ec o u l dr e d u c et h ep r o p o r t i o no fm i c r o n s i z ep a r t i c l e s ． K e yw o r d s w i r ee l e c t r i c a le x p l o s i o n W E E ；n a n o p o w d e r ；i n i t i a lc h a r g i n gv o l t a g e ；e x p l o s i o np r o d u c t 高密度脉冲电流 1 0 4 ～1 0 6A ／m m 2 快速流过 金属丝时，金属丝瞬问气化并发生爆炸的现象称为 丝电爆 W E E [ 1 ] 。该方法用于制备纳米粉的能量 转换率高，适用材料广，不污染环境，适合大批量生 产[ 1 ] 。采用接触式丝电爆的方法制备纳米粉 时口- 3 ] ，所制备的粉末中必然会有部分微米级大颗 粒，因此，必须进行分级处理才能得到粒径分布均匀 的纳米级粉末[ 3 叫] 。进一步研究发现，这些大颗粒 是在金属丝与电极接触的部分产生的叫J 。另外， 由于金属丝与电极接触，丝电爆过程对电极的烧损 比较严重，电极材料会污染粉末纯度。 最近新出现了一种不接触的纳米粉制备方法， 收稿日期2 0 1 2 0 l 一1 2 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 0 6 1 0 1 1 作者简介毕学松 1 9 8 3 一 ，男，河北人，博士生． 即气体放电式丝电爆[ 7 ] ，它的原理是将金属丝放入 两电极之间，通过丝端头与电极之间的气体放电导 人大电流而发生电爆的。这种方法在导入电流的方 式上与接触式丝电爆方法明显不同，并且无需将金 属丝事先夹持在电极上，可以使制备过程连续运转。 本文分别通过接触式和气体放电式丝电爆方法 进行制粉试验，分析粉末中微米级大颗粒所占比例， 并观察电极烧损情况。 1试验方法 图1 为电爆试验方法示意图，主要包括储能电 容C 、高压开关S 、电极、金属丝和石英探针等部分。 万方数据 2 0 1 2 年8 期有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m t T l ．c n 4 9 与两电极相连的c 可以通过高压发生器直接充电， 金属丝布置在两电极之间。当闭合S 后，金属丝在 导入的大电流作用下发生电爆。金属丝端部与电极 之间的布置方式有两种，如图1 局部放大图所示，一 种是丝端部与电极不接触，实现气体放电式丝电爆； 另一种是丝端部与电极可靠接触，实现接触式丝电 爆。 图1 试验方法示意图 F i g ．1 S k e t c hm a po fe x p e r i m e n t 电爆产物在冲击波作用下向四周扩散，迅速冷 却形成粉末并通过平行于金属丝放置的石英探针直 接收集。如果探针与金属丝距离太小，电爆产物还 没有冷凝成固态颗粒就直接喷溅在探针表面，此时 不能收集到粉末。而探针与金属丝距离过大时，粉 末不能运动到探针位置并附着在其表面，因此也不 能有效收集粉末。根据摸索试验结果最终将探针与 金属丝之间的距离确定为8m m 。最后通过扫描电 镜分析粉末形貌特征并统计粉末中微米级大颗粒所 占的比例。 本试验采用直径O ．2 2m m 铜丝。初始充电电 压分别为8k V 和1 0k V ，储能电容C 为8 ．8 8F ，电 极间距D 为6 0m m 。一种铜丝长度5 4m m ，丝端都 与电极间隙为3m m 气体放电式 ；另一种铜丝长 度为6 0m m ，丝端部与电极可靠接触 接触式 。 2 试验结果与分析 2 ．1 丝电爆过程的电极烧损 接触式和气体放电式丝电爆电极照片如图2 所 示。 图2 接麓式 a ．b 和气体放电式丝电爆 c 电极烧损照片 F j g ．2 T h eb u m i n gl o 豁o fw E Ee I 优t r o d 幅o f “∞n t 驰t ” a ．b 蚰d “g 嬲d j 龇h a 曜e ” c 由图2 可以发现，接触式丝电爆过程对电极的 烧损明显比气体放电式严重。在接触式丝电爆的电 极上出现了明显烧损产生的弧坑 图2 a 、2 b ，弧坑 直径2 ～3m m ，深度0 ．5 ～1m m 。由于金属丝与电 极接触，大电流流过时接触点附近的电极材料会熔 化，并在冲击波作用下从电极表面脱离，这是引起电 极烧损的原因。在这种情况下，电极材料会污染粉 末纯度。另外，接触式丝电爆过程中总有一段小断 丝不能爆炸残留下来，有时会直接熔焊到弧坑内，在 电极上形成“积瘤”，典型的照片如图2 a 所示。这种 情况不利于后续金属丝的连续送进。 气体放电式丝电爆过程对电极的烧损明显轻 微，由图2 c 可以看出，在电极上没有出现由烧损形 成的弧坑，也没有发现有“积瘤”残留，只是附着一些 金属粉末。此时，电极材料不会污染粉末，并且还有 利于工程上连续电爆。 2 ．2 粉末中徽米级大颗粒 图3 为探针收集到粉末的典型s E M 形貌． 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 图3 粉末的S E M 形貌 F i g ．3 S E Mp a t t e r n so fe x p l o s i o np r o d u c t 由图3 可以看出，粉末中包含了微米级大颗粒 和纳米级小颗粒。金属丝端部形成的粉末中，微米 级大颗粒呈熔滴状 图3 a ，尺寸分布在2 ～1 0 “m ， 并且所占的比例也较大。而中间大部分位置形成的 粉末中，微米级大颗粒近似为球形 图3 b ，粒径也 比较小，分布在1 ～2p m ，并且大颗粒的比例明显减 少。对于金属丝各部分形成粉末的机制，还有待进 一步研究。本文在探针长度方向上，均匀选取1 2 个 位置进行扫描电镜分析。将粉末颗粒近似为球形， 分别统计计算各个位置粉末中微米级大颗粒所占的 体积比例，计算其平均值，即作为全部粉末中微米级 大颗粒所占的比例。由于颗粒的密度相同，体积比 例即等于质量比例。 图4 为不同初始电压下电爆，接触式和气体放 电式丝电爆制备的粉末中微米级大颗粒所占的比 例。从图4 可以明显看出，气体放电式丝电爆制备 的粉末中微米级大颗粒所占比例较小，而接触式丝 电爆制备的粉末中微米级大颗粒所占比例较大。另 外，初始电压较高时，粉末中微米级大颗粒的比例会 减小。 3讨论 金属丝电爆是一个非平衡过程，也就是说电爆 产物中同时存在气相粒子和液相粒子，它们冷却以 后分别形成纳米级小颗粒和微米级大颗粒口_ 9 ] 。随 着金属丝上能量密度的增加，电爆产物中液相粒子 所占份额逐渐减小，而气相粒子所占份额会逐渐增 图4 初始电压对粉末中微米级 大颗粒比例的影响 F i g ．4 E f f 电c to fi n i t i a lc h a r g i n gV O l t a g eo n p r o p o r t i o no fm i c r 0 - s i z ep a r t i c I 髑i nt h ep o w d e 璐 大[ 8 ．1 0 1 。由试验结果可以确定，气体放电式丝电爆 方法更有利于能量向金属丝沉积。此外，提高初始 电压也可以减小粉末中微米级大颗粒的比例。这是 因为，初始电压升高以后，沉积在金属丝上的能量密 度会增加[ 1 1 1 ，使电爆产物中气相粒子增多，液相粒 子减小。 4结论 1 接触式丝电爆过程对电极烧损严重，并且在 下转第5 7 页 万方数据 2 0 1 2 年8 期 有色金属 冶炼部分 h t t p ；／／y s y Lb g r i m m ．c n 5 7 3结论 在7 0 ％S r C l 。一2 9 ％K C l 1 ％S r F 。体系中采用熔 盐电解法可以制备铝锶合金，通过控制电解工艺条 件，可将合金中的锶含量控制在o ～1 0 ％。合金物 相主要为A l 和A l 。S r 。在电流密度为o ．2A ／c m 。、 电解温度8 1 0 ℃时，电流效率可达5 8 ％。 参考文献 [ 1 ] 陆庆桃，陆芝华，张士新，等．碱土金属锶钙在无氧铜熔 炼中的行为[ J ] ．上海有色金属，1 9 9 7 ，1 8 z 4 9 ． [ 2 ] 杨宝刚，高炳亮，杨振海，等．制取铝锶合金在我国的研 究进展[ J ] ．轻金属，1 9 9 9 1 3 3 ～3 5 ． [ 3 ] 程涛，吕子健，翟秀静。等．C a C l z C a R c a 0 体系中熔盐 电解法制备铝钙合金的研究[ J ] ．稀有金属与硬质合金， 2 0 1 0 ，3 8 3 3 0 ～3 3 ． [ 4 ] 刘相果，彭晓东，谢卫东，等．金属锶及其合金的研究现 状与应用[ J ] ．稀有金属，2 0 0 4 ，2 8 4 7 5 0 一7 5 5 ． [ 5 ] 徐建华，陈建华，邱仕麟．电解法制备铝锶合金的研究 [ J ] ．轻金属，2 ∞1 8 ；3 7 3 8 ． [ 6 ] 刘军．新产品铝锶合金的开发与前景分析[ J ] ．轻金属， 2 0 0 1 8 3 5 3 6 ． [ 7 ] 杨宏伟，徐建华，邱仕麟，等．熔盐电髂法制备铝锶合金 的扩大试验研究[ J ] ．铝镁通讯，2 0 0 z 1 3 4 3 8 ． [ 8 ] 李继东，张明杰，张延安，等．熔盐电解法制备A l S r 合 金中反电动势和电流效率的研究[ J ] ．稀有金属，2 0 0 7 ， 3 1 4 5 7 7 5 8 0 ． [ 9 ] 李继东，张明杰．熔盐电解生产A l S r 合金的新工艺及 加料周期[ J ] ．材料与冶金学报，2 0 0 5 ，4 1 1 7 1 9 ． 上接第5 0 页 电极上有时会产生“积瘤”，不利于工程应用。气体 放电式丝电爆过程对电极烧损明显轻微，在电极上 也可以避免“积瘤”产生，有利于工程上的连续实施。 2 接触式丝电爆制备的纳米粉末中微米级大颗 粒的比例较大，而气体放电式丝电爆制备的纳米粉 末中微米级大颗粒的比例较小。 3 电爆过程中，金属丝端部形成的粉末中微米 级大颗粒较多，而丝中间部分形成的粉末中微米级 大颗粒较少，其产生机制有待进一步研究。 参考文献 [ 1 ] C 1 i n t o nEH o l I a n d s w o r t h ，J D h nDP o w e l l ，M i c h a e lJ K e e I e ，e ta I ． E l e c t r i c a Ic o n d u c t i o ni ne x p I o d e ds e g m e n t e dw i r e s [ J ] ．J o u r n a lo fA p p I i e dP h y s i c s ，1 9 9 8 ，8 4 9 4 9 9 2 5 0 0 0 。 [ 2 ] 朱亮，张周伍．电爆技术用于超细粉制备和表面喷涂的 研究进展[ J ] ．材料导报，2 0 0 5 ，1 9 1 2 7 6 7 9 ． [ 3 ] R o u s s k i k hAG ，B a k s h tRB ，L a b e t s k iAY u ，e ta LE l e c t r i cE x p l o s i o no fF j n eT u n g s t e nW i r e si nV a c u u m [ J ] ， P l a s m aP h y s i c sR e p o r t s ，2 0 0 4 ，3 0 11 9 4 4 9 5 2 ． [ 4 ] K w o nYS ，J u n gYH ．U l t r a f i n ep o w d e rb yw i r ee x p l o s i o nm e t h o d [ J ] ．s c r i p t aM a t e r ．，2 0 0 1 ，4 4 2 2 4 7 2 2 5 1 ， [ 5 ] K o t o vY uA ．E l e c t r i ce x p l o s i o no fw i r e sa sam e t h o df o r p r e p a r a t i 。n 。fn a n o p o w d e r s [ J ] ． J 。u r n a lo fN a n D p a r t i c l eR e s e a r c h ，2 0 0 3 ，5 5 3 9 5 5 0 ． [ 6 ] K o t o vY uA ．T h eE l e c t r i c a lE x p l o s i o no fw i r e Am e t h o df o rt h eS y n t h e s i so fW e a k l yA g g r e g a t e dN a n o p o w d e r s [ J ] ．N a n o t e c h n 0 1 0 9 i e si nR u s s i a ，2 0 0 9 ，4 7 ／8 4 1 5 4 2 4 ． [ 7 ] 朱亮，罗仁昆，毕学松．高压电场中金属丝段的电爆现 象[ J ] ．高电压技术，2 0 0 8 ，3 4 1 0 2 1 7 7 2 1 8 0 ． [ 8 ] D a s hPK ，B a l t aY ． G e n e r a t i o no fN a n o c o p p e rP a r t i c l e s t h r o u g hW i r eE x p l o s i o nM e t h o da n di t sC h a r a c t e r i z a t i o n [ J ] ． R e s e a r c hJ o u r n a lo fN a n o s c i e n c ea n dN a n o ～ t e c h n 0 1 0 9 y ，2 0 1 1 ，1 1 2 5 3 3 ． [ 9 ] w a n gQ u n ，Y a n gH a i b i n ，S h iJ i a n l i n ，e ta 1 ．P r e p a r a t i o n a n dc h a r a c t e r i z a t i o no fn a n o c r y s t a l I i n ep o w d e r so fC u Z na 1 1 0 yb yw i r ee l e c t r i c a le x p l o s i o nm e t h o d [ J ] ．M a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g ，Z 0 0 1 ，A 3 0 7 1 9 0 一1 9 4 ． [ 1 0 ] s a r b s o vGs ，s t r u v eKW ，M c d a n i e lDH ． E f f ￡c to f c u r r e n tr a t eo ne n e r g yd e p o s i t i o ni n t oe x p l o d i n gm e t a l w i r e si nv a c u u m [ J ] ， P h y s i c so fP 1 a s m a s ，2 0 0 4 ，1 1 1 0 4 5 7 3 4 5 8 1 ． [ 1 1 ] 伍友成，邓建军，郝世荣，等．电爆炸丝法制备纳米 A 1 2 0 s 粉末[ J ] ．强激光与粒子束，2 0 0 5 ，1 7 1 1 1 7 5 3 一 】7 5 6 ． 万方数据