低维纳米材料的电弧法制备及微结构研究

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1、东北大学博士学位论文摘要低维纳米材料的电弧法制备及微结构研究摘要文中首先对一维纳米材料、金属及合金纳米粉、稀土．过渡金属磁性材料作一简介，然后综述了纳米线、纳米粉的制各方法及直流电弧等离子体法的应用，最后阐述了“低维纳米材料的电弧法制备及微结构研究”选题意义。本文中制备各种纳米材料所使用的方法都是直流电弧等离子体法。在惰性气体中，制各纯金属纳米粉属物理方法；但是在活性气体中，蒸发出的金属原子与环境气氛反应生成化合物又属于化学反应，所以该方法是一种综合方法。该方法操作简单、生成物纯度高、可连续大规模生产；特别适合制备高纯的金属纳米粉，同时也是制备复合纳米粉的首

2、选方法。探索A1N低维纳米结构新材料的制备、结构和化学组成可调控的新技术路线，研究A1N纳米线的制备规律和生长机理是近几年来的热点。在一定比例的NH3、H2和N2气氛下，合成了A1N纳米线，它们的直径分布在10～110nm之间，长度超过209,m，弯曲的部分有很好的结晶态，没发现有层错等现象。在生长的过程中，A1N、N和砧203蒸汽生长速率和比例是重要因素，它们决定纳米线的形态和组分。另外，氢起一个催化作用，既加速舢的蒸发，提供充足的触液滴。A1N纳米线生长的机理是建立在OAG和VLS模型上。A1N纳米线的能带结构与A1N纳米粉的基本相似，也发生蓝移和谱线变

3、宽。AION具有优良的光学性能及介电性能等，在50％H2和50％Ar的混合气氛中加入少量N矿02气氛下，采用直流电弧等离子体法合成了A10N纳米线，并进行了高分辩透射电子显微镜表征，至今还没见文献报道这方面的工作。在阴极的堆集物和捕集粉中分别得到了尖晶石结构的AION纳米线，属F3dm空间群。其直径分布在35～170nm，长度达到30I_trn，长径比超过300，有弯曲、分叉、表面粗糙等现象。工作气氛的压力、氢的含量和电弧功率降低，纳米线直径细化。Ti—m基合金已经成为新一代高温结构材料的代表，具有强度高、密度低、弹性模量大、抗氧化和蠕变性能强等特点。但是，

4、Ti．m合金的成分容错度小，此类合金室温延展性和韧性差。目前解决的方法是对Ti-Al合金进行晶粒细化处理。以Ti．趾合金块体为原料，在H2+Ar+N2气氛下制备的纳米粉成分相近。在N2含量高的情况下，溅射量与功率同步增长。在10％～25％Nz含量气氛下，点弧过程阴极上有堆积物，并发现了部分氮化和氧化了的Ti．～合金微米竿，直径在1～2lma、长度达到200／ma。Ti．AJ合金微米竿生长机理为微米颗粒及短棒相连成竿，晶核能量高的晶面和缺陷多处优先生长。．Ⅱ．东北大学博士学位论文摘要金属纳米材料的物理和化学方面的性质和大块固体的显著不同。本文探索了制备A1、C

5、u、Pb、Fe、Co、Ni纳米粉工艺，阳极料中加40％～50％W、功率5～8kW、氢氩比例l：1，总压为1．013×105Pa条件下每小时生成量分别为1009／h～5009／h(三极)。金属纳米颗粒基本是球型，它们平均粒径分布在60～80nm，有些砧金属纳米颗粒具有新的结构形态⋯蝌蚪形，AJ纳米蝌蚪的头部为外部包覆脚q层的舢纳米颗粒，而尾部为A10N相，大部分蝌蚪的尾部形成了孪晶结构，循环气体的速度大小决定粉体尾部的长短。在真空度高于lxl酽Pa条件下，制备的纳米颗粒容易保持金属的晶体惯态和结构，金属Fe的晶体惯态是平截菱形十二面体，金属co、Ni的晶体惯态

6、是平截八面体等。样品刖的衍射线产生双线分裂，随着20的增加而增大的。平均粒径为60～80nm的几种金属纳米粉熔点比粗晶的都低。越纳米蝌蚪的生长机理应是液态的团簇高速运动而甩出的尾部和运动方向晶面间距大易生长的机理，颗粒的生长机理大体上符合VLS生长机制。由于Sm2Fel7Nx和R2Fel7C；具有优异的内禀磁性能和高的居里温度，它们可能成为继Nd2Fel4B之后又一代新型永磁材料，但时至今日仍然处于研究开发阶段。制备Sm2Fel7成分的合金时原料中Sm成分提高10％左右，另外，Sm2Fel7纳米粉生成量受气体和气压影响，并随氢气浓度和电弧的功率提高而增大，在

7、cH4+心中制备的粉体粒径较小和氧含量低，并可直接制备出SmllFeL2C18相；增加合金的质量、分段点弧，可减弱Sm、Fe分馏，纳米粉中的Sm-Fe含量增多。NH3气氛有利于Sm—Fe合金中Fe原子的蒸发：在500℃氮化3h、碳化4h的复合纳米粉永磁体的磁性能达到最大值，居里温度同氮化、碳化时间关系不大。关键词：等离子电弧：纳米线；纳米颗粒；磁性；透射电镜；扫描电镜．Ⅲ．东北大学博士学位论文AbstractInvestigationonmicrostrutureandpreparationoflow—dimensionnanomaterialsbyARCA

8、bstractOnedimensionnanomat