金属Ni、Al纳米材料的制备及其表征.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 4 9 金属N i 、A l 纳米材料的制备及其表征 张秀梅1 ，宋文绪1 ，牟艳男2 ，杨海滨3 1 ．北华大学物理学院，吉林1 3 2 0 1 3 ；2 ．黑河学院理化系，黑龙江黑河1 6 4 3 0 0 ； 3 ．吉林大学原子分子所国家重点实验室，吉林长春1 3 0 0 1 2 摘要用爆炸法制备金属镍、铝纳米粉，对其纳米颗粒的形貌特征、成分、晶体结构等进行了实际测定，结 果表明A l 的粒度分布比较窄，一般在3 0 ～8 0a m ，镍的粒度分布约3 0 ～1 0 0n I T l 。 关键词电爆炸；纳米粉；粒度 中图分类号T M 9 0文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 3 一0 0 4 9 0 3 P r e p a r a t i o na n dC h a r a c t e r i z a t i o no fM e t a l sN i ，A lN a n o - m a t e r i a l s Z H A N GX i u m e i l ，S O N GW e n - x u l ，M O UY a n n a n 2 ，Y A N GH a i b i n 3 1 ．B e i h u aU n i v e r s i t yP h y s i c sI n s t i t u t e ，J i l i n1 3 2 0 1 3 。C h i n a ； 2 ．C o l l e g ei nH e i h e ，P h y s i c a la n dC h e m i c a lD e p a r t m e n t ．H e i l o n g j i a n g ，H e i h e1 6 4 3 0 0 ．C h i n a ； 3 ．J i l i nU n i v e r s i t yI n s t i t u t eo fA t o m i ca n dM o l e c u l a rP h y s i c s ，C h a n g c h u n1 3 0 0 1 2 ，C h i n a A b s t r a c t ．M e t a ln i c k e l ，a l u m i n u mn a n o p o w d e r sw e r ep r e p a r e db ye x p l o d i n gw i r e ．T h em o r p h o l o g ya n d c h a r a c t e r i s t i c s ，c o m p o s i t i o na n dc r y s t a ls t r u c t u r eo fn a n o p a r t i c l e sw e r ed e t e r m i n a t e d ．T h er e s u l t ss h o w t h a tt h eA Ih a st h er e l a t i v e l yn a r r o wp a r t i c l es i z ed i s t r i b u t i o n ，g e n e r a l l ya t3 0 ～8 0a m ，n i c k e lp a r t i c l es i z e d i a m e t e rd i s t r i b u t i o no fa b o u t3 0 ～1 0 0a m ． K e y w o r d s E l e c t r i ce x p l o s i o n ；N a n o p o w d e r ；S i z e 目前，纳米材料的制备方法很多，有气相法、液 相法、固相法，这三大类方法中，又各自分成低压气 体蒸发法、溅射法、等离子体法、高温固相合成法、低 温燃烧合成法、冲击波化学合成法、沉淀法、水热法， 胶体法等等。 而爆炸法更具有它独特的优点 1 公斤级粉末 生产； 2 超细粉体； 3 能量转换效率高； 4 颗粒分 布均匀等。近几年来，电爆炸法是新兴起的、用于工 业上生产纯金属、金属氧化物、氮化物和合金的超细 粉末的重要方法。它利用高压脉冲放电，使得金属 丝熔融汽化发生爆炸，金属蒸汽在介质气体碰撞下 急速冷却形成超细金属粉末体或合金粒子，电爆炸 法是一种超细粉的工业化制备方法。 随着科学技术的发展，超细金属粉末在粉末冶 基金项目北华大学科研资金资助项目 2 0 0 7 1 2 作者简介张秀梅 1 9 5 8 ，女，吉林市人，教授． 金、磁性材料、高性能陶瓷材料等方面得到了广泛的 应用。 1 材料的制备方法 1 ．I 设备系统的工作原理 整个设备系统是由高压直流电源与电控部分、 金属粉制备部分、气体循环风机、金属粉收集与包装 部分、抽真空机组与充放气部分、冷却循环水部分构 成的封闭系统，该系统制备金属粉体的原理是以金 属或合金丝为原料，在惰性气氛中经高压放电制取 超细金属粉，循环流动的惰性气体将金属颗粒送到 三个旋风分离装置串联构成的金属粉收集系统并沉 积在金属粉收集仓中。在三个旋风分离装置中可以 依次获得粗、中、细三个粒度分布的超细金属粉，所 万方数据 5 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 获得的超细粉通过三个对应的原位包装箱在惰性气 氛下进行包装，然后取出。 在惰性气氛中，一般是在高纯氩气中，处于阳极 和阴极间的金属丝产生高电压放电，在金属丝的内 部瞬间通过强电流 ～1 0 1 0A ／c m 2 ，产生焦耳热，使 金属丝整体瞬间达到上万度的高温，远高于金属的 气化点，使之气化。金属蒸汽与惰性原子碰撞，交换 能量并迅速冷却形成尺寸在纳米到亚微米范围的球 形颗粒。 1 ．2 金属粉的制备流程 制备系统抽真空，真空度达到 5P a ，充入氩 气，要使腔内的压力达到0 ．3M P a 。然后接通主机 电源，打开送丝控制机构，直径0 ．3 ～0 ．4m m 的高 纯度金属丝在4 1 0 4V 的高压电的作用下开始放 电，同时伴有金属烟雾产生。形成的纳米金属超细 微粉在风机的带动下经冷却器进入旋风的收集仓 中，在三个旋风分离装置中可以依次获得粗、中、细 三个粒度分布的超细金属粉，所获得的超细粉通过 三个对应的原位包装箱在惰性气氛下进行包装，热 封。金属纳米粉体制备参数放电电容1 ．6p F 、放 电频率5 0 ～6 0m i n ～、金属丝爆炸长度7 ．0 ～7 ．5 c m 、A l 和N i 的放电电压分别为3 0k V 和3 4k V 。 2 结果与讨论 2 ．1 样品的结构分析 图l 是样品N i 的X R D 图谱，由图1 可知，纳米 镍粉的2 8 大约为4 4 ．5 4 。 、5 1 ．8 9 。 、7 6 ．4 2 。 左 右的三个宽化衍射峰，通过计算出的晶体间距，可说 明该纳米镍粉是晶态，呈面心立方结构，并且从衍射 图谱上可以分析出纳米镍粉在空气中未被明显氧 化。 量I 3 04 05 06 07 08 09 01 0 0 2 0 ／ 。 图lN i 粉末样品的X R D 谱 F i g ．1 X R Dp a t t e r no fN ip o w d e r 图2 是样品A l 的X R D 图谱，由图2 可知，纳米 铝粉的2 e 大约为3 8 ．4 8 。 、4 4 ．7 3 。 、6 5 ．1 2 。 左 右的三个宽化衍射峰，通过计算出的晶体间距，可说 明该纳米铝粉是晶态，呈面心立方结构，并且从衍射 图谱上可以分析出纳米铝粉在空气中未被明显氧 化。 执。 iI 。 3 04 05 06 07 0l j l l9 I1 0 0 2 0 ／ o 图2A l 粉末样品的X R D 谱 F i g ．2 XRD p a t t e r no fA Ip o w d e r 2 ．2 样品的透射电镜分析 图3 是粉末样品N i 的T E M 图谱，由图3 可 知，纳米镍粉大部分呈球形，平均粒径约为5 0n m 左右，颗粒的大小比较均匀，粒径分布较窄，一般在 3 0 ～1 0 0n m ，分散性较好。 图3 粉末样品N i 的T E M 图谱 F i g ．3T E Mp a t t e r no fN ip o w d e r 图4 是粉末样品A l 的T E M 图谱，由图4 可 知，纳米铝粉大部分呈球形，平均粒径约为4 0 n m 左 右，颗粒的大小比较均匀，粒径分布较窄，一般在3 0 一8 0 n m ，分散性较好。 3结论 爆炸丝法制备的金属纳米微粒是一种批量生产 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 5 1 粒尺寸较宽。颗粒尺寸的大小，与制备粉体时放电 的电压有关，适当的提高放电的电压，可得到较小颗 粒的粉体，但电压过高容易发生介质击穿现象。 参考文献 图4粉末样品A i 的T E M 图谱 [ 4 3 伍友成，邓建军，郝世荣。等．点爆炸丝法制备A I 。O 。粉 F i g ．4 T E Mp a t t e r no fA Ip o w d e r 末口] ．强激光与粒子束。2 0 0 5 ，1 7 1 1 1 7 5 5 - - 1 7 5 6 ． 纳米篡竺} 茎方妻掣兰竺导苎警耋2 _ 。．三口3 ；裂二。冀。叫a n d 啪T 岫e n s e ⅢB e ．h 8 芝，裟o “- m m 比较合适。颗粒尺寸的分布与金属的熔点有 1 品7 ，4 5 1 0 孟9 ． ‘⋯ 关，熔点低的金属，颗粒尺寸较窄，高熔点的金属，颗 上接第4 8 页 4结论 1 在腐蚀过程中不形成中间相的腐蚀条件下， 液态Z n 对金属及其固溶体的腐蚀是“溶解型腐 蚀”，固体被液体直接熔化，腐蚀界面平直，在界面上 Z n 原子分布有较大的突变； 2 在腐蚀过程中有中间相形成的腐蚀条件下， 液态Z n 对纯金属及其固溶体腐蚀过程是在腐蚀 初期，在固／液界面上形成由F e - Z n 中间相构成的反 应扩散层，随后，液态Z n 以“瓦解”的方式对固态金 属进行腐蚀，即“瓦解型腐蚀”； 3 对F e 、Z n 原子扩散阻力较大的二元及多元 金属间化合物，无论在何种条件下，腐蚀过程均是以 “瓦解型腐蚀”的方式对固体进行腐蚀； 4 腐蚀相变遵循腐蚀界面合金成分与对应的 合金等温相图的相变规律。 参考文献 1 - 1 ] 高扩长，李守荣．抗液态锌腐蚀材料综述[ J ] ．金属制 品。2 0 0 1 ，2 7 3 ；5 0 - - 5 2 ． [ 2 ] L i uXR 。C a oCD ，W e iB ＆R a p i de u t e c t i cg r o w t hi n u n d e r c o t l e dA I - G eA l l o y u n d e rf r e ef a l lc o n d i t i o n [ J ] ． C h i n ．P h y s ．，2 0 0 3 。1 2 1 2 6 6 ． [ 3 ] 姚文静，杨春，韩秀君。等．微重量条件下N i C u 合金 的快速枝晶生长研究[ J ] ．物理学报，2 0 0 3 ，5 2 4 4 8 ． [ 4 - 1 惠希东，杨院生。陈晓明，等．单棍法制备非晶合金中的 传热与熔体流动数值模拟[ J ] ．金属学报。1 9 9 9 ，3 5 1 2 0 6 ． [ 5 ] K A T OT ，K N U N O M EK ，K A N E K O ，e ta 1 ．F o r m a t i o n o ft h ep h a s ea ti n t e r f a c eb e t w e e na nF es u b s t r a t ea n d m o l t e n0 ．2m a s s ％A I Z nd u r i n gg a l v a n n e a l i n g I - J - I ．A e t a M e t e r ，2 0 0 0 ，4 8 2 2 5 7 2 2 6 2 ． [ 6 3Y o s h i t a k aA d a c h i ，M a s a h i r oA r a i ．T h r a n s f o r r r m t i o no f F e _ A lp h a s et oF e - Z np h a s eo np u r ei r o nd u r i n gg a l v a n i z i n g [ J ] ．M a t e r ．S c i ．E n g ．A ，1 9 9 8 ，2 5 4 3 0 5 3 1 0 ． [ 7 ] M a s s a l s k iTB ．A S MM e t a l sH a n d b o o k P h a s eD i a - g r a m s [ M ] ．A S M ．1 9 9 2 ，3 2 0 6 ． 万方数据