一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及微納材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制備難容金屬鉬、鎢的微晶納米材料的制取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]納米材料是指結(jié)晶粒度為納米級(jí)的多晶材料，在結(jié)構(gòu)上屬于原子簇和宏觀物體交界的過(guò)度區(qū)域，是由數(shù)目很少的原子或分子組成的聚集體。粒子具有殼層結(jié)構(gòu)，其表層原子占很大的比例，并且是無(wú)序的類(lèi)氣體狀，在粒子內(nèi)部存在有序一無(wú)序結(jié)構(gòu)，與晶體體相基層的完全長(zhǎng)成有序結(jié)構(gòu)不同。納米粒子的結(jié)構(gòu)特殊性使它們具有與傳統(tǒng)固體材料不同的許多特殊性質(zhì)，因而成為新材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門(mén)課題，將對(duì)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略產(chǎn)生重大影響。
[0003]現(xiàn)有的多晶材料的制備方法一般采用溶膠-凝膠法、沉淀法、水熱法等制備，但是該制備方法均屬于濕化學(xué)笵疇，需要大量的酸、堿、水，制備過(guò)程中廢水會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，且在制備過(guò)程中都存在對(duì)設(shè)備要求高、條件苛刻、工藝復(fù)雜、制備時(shí)間長(zhǎng)、生產(chǎn)率不高等不足之處。且對(duì)于微晶納米材料的制備目前僅限于基礎(chǔ)研宄工作，在實(shí)驗(yàn)室小批量制備。還不足以應(yīng)用于工業(yè)制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種電弧熱熔、毛細(xì)冷凝、毛細(xì)微粒自組裝、籽晶誘導(dǎo)結(jié)晶的技術(shù)方法制取難容金屬鉬、鎢微晶納米材料。與現(xiàn)有的鉬、鎢微晶納米材料制備方法完全不同。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法，包括以下步驟:
1)、以難熔金屬為原料，放置于坩禍內(nèi)，所述坩禍內(nèi)懸空設(shè)置一根碳電極棒，炭電極棒連接高壓電源的正極，所述坩禍由若干塊片狀的晶體材料拼接組成，從坩禍外表面到內(nèi)表面有若干縫隙，且坩禍的外表面接地；
2)、給碳電極通電，碳電極與坩禍之間產(chǎn)生高壓電弧，高壓電弧產(chǎn)生高溫使得金屬鉬迅速液化或升華；
3)、液化的難熔金屬通過(guò)坩禍上的縫隙流行坩禍表面，同時(shí)升華后的難熔金屬一部分氣體在范德華力作用下進(jìn)入坩禍禍體內(nèi)的縫隙處產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象到達(dá)坩禍的外表；
4)、停止對(duì)碳電極供電，坩禍冷卻，當(dāng)坩禍外表面溫度在600?900°C時(shí)，坩禍外部縫隙處快速地長(zhǎng)出晶體，待結(jié)晶停止生長(zhǎng)后收集微晶；
所述的難容金屬原料包括但不限于金屬鋁、金屬鋁鶴。
[0006]在上述技術(shù)方案中，所述若干片狀的晶體材料每一塊外形均不相同，拼接后的縫隙為不規(guī)則形狀。
[0007]在上述技術(shù)方案中，所述晶體材料的是難容金屬原料的結(jié)晶體。
[0008]在上述技術(shù)方案中，所述坩禍在結(jié)晶的過(guò)程中具有誘導(dǎo)功能，當(dāng)坩禍為是鉬晶體材料，具有誘導(dǎo)Mo03結(jié)晶的功能，當(dāng)坩禍?zhǔn)擎u晶體材料，具有誘導(dǎo)W03結(jié)晶的功能。
[0009]在上述技術(shù)方案中，坩禍的外部設(shè)置有氣流罩，氣流罩包括氣流罩外壁和氣流罩內(nèi)壁，氣流罩內(nèi)壁與坩禍的外表面形成密封空間，氣流罩的下部設(shè)置有回收裝置。
[0010]在上述技術(shù)方案中，所述氣流罩與坩禍的上端設(shè)置有風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)正對(duì)坩禍吹風(fēng)。
[0011]在上述技術(shù)方案中，坩禍內(nèi)的原料升華后，一部分金屬氣體上升被風(fēng)機(jī)的風(fēng)吹向氣流罩，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的回收。
[0012]本發(fā)明以金屬鉬為原料，采用電弧熔煉、毛細(xì)冷凝、毛細(xì)微粒自組裝、籽晶誘導(dǎo)結(jié)晶的方法。制備出厚度約30nm納米的片狀二維微晶。將微晶細(xì)化即得到粒徑小于10nm的Mo03粉體。
[0013]在裝置中加入鎢、硅、氧化鋁等難熔材料與鉬共熔后亦能長(zhǎng)出微晶。作XRF分析，在微晶成分中含有所參與共熔材料的成分。即可以實(shí)現(xiàn)鎢鉬鎳等多種不同熔點(diǎn)的材料參與共熔后，長(zhǎng)成多元素的化合微晶。
[0014]本發(fā)明的原理為:鉬，銀白色有金屬光澤的難熔金屬，粉末狀的鉬為黑色，熔點(diǎn)2620°C、沸點(diǎn)5560°C.室溫下鉬在空氣中很穩(wěn)定。當(dāng)溫度升至600°C時(shí)迅速與氧反應(yīng)生成Mo03。在500?1150°C時(shí)用氫還原Mo03可得金屬鉬。
[0015]11003分子量143.94，白色透明斜方晶體，熔點(diǎn)795°C、沸點(diǎn)1155°C，易升華，不溶于水，可溶于氨水和強(qiáng)堿生成鉬酸鹽。
[0016]電弧裝置熱熔溫度高達(dá)3000?3700°C以上，能使固態(tài)的金屬鉬或鉬粉快速融化成液體經(jīng)坩禍縫隙或微孔滲出到坩禍外表結(jié)晶。同時(shí)還有部分升華成氣態(tài)Mo03。而氣態(tài)Mo03由范德華力作用，分子通過(guò)坩禍上的縫隙或微孔亦會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象(即蒸汽在毛細(xì)管內(nèi)凝結(jié)成液體的現(xiàn)象)到達(dá)坩禍的外表，并在合適的溫度下結(jié)晶。同時(shí)坩禍縫隙具有毛細(xì)微粒自組裝功能:即縫隙毛細(xì)作用能驅(qū)動(dòng)微粒聚集排列成二維材料。所以用縫隙毛細(xì)作用制備的微晶成片狀，厚度小于30nm。屬于二維材料。用微孔毛細(xì)作用制備的晶體成纖維狀。
[0017]結(jié)晶:按溶液獲得過(guò)飽和狀態(tài)的方法可分為蒸發(fā)結(jié)晶和冷卻結(jié)晶。結(jié)晶一般需要晶種，又叫仔晶。好比栽培菌類(lèi)需要菌種一樣。鉬坩禍?zhǔn)倾f晶體材料，具有誘導(dǎo)Mo03結(jié)晶的功能。鎢坩禍?zhǔn)擎u晶體材料，具有誘導(dǎo)W03結(jié)晶的功能。當(dāng)坩禍外表溫度在600?900°C時(shí)就會(huì)在上面出現(xiàn)可視的快速結(jié)晶現(xiàn)象。
[0018]綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是:與傳統(tǒng)方法相比，本發(fā)明利用能量高效集中的電弧熱熔物料、耐高溫且具有毛細(xì)冷凝、毛細(xì)微粒自組裝結(jié)構(gòu)的坩禍、且坩禍外表又具有誘導(dǎo)被制備物結(jié)晶的籽晶功能。本方法工藝，在整個(gè)制備過(guò)程中根本不需要用水和化工工業(yè)原料，整個(gè)過(guò)程也不會(huì)帶來(lái)污染，不會(huì)產(chǎn)生工業(yè)污水，整個(gè)制備工藝只需要幾分鐘就可以完成一次，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，后期維護(hù)方便，非常適合產(chǎn)業(yè)化。
【附圖說(shuō)明】
[0019]本發(fā)明將通過(guò)例子并參照附圖的方式說(shuō)明，其中:
圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
其中:1是風(fēng)機(jī)，2是氣流罩內(nèi)壁，3是氣流罩外壁，4是i甘禍，5是回收裝置，6是碳電極，7是電弧機(jī)正極線。
【具體實(shí)施方式】
[0020]如圖1所示，本發(fā)明的裝置主要包括一個(gè)氣流罩、坩禍、回收裝置和碳電極，氣流罩包括氣流罩內(nèi)壁和氣流罩外壁，內(nèi)壁與外壁之間為中空的，氣流罩的底部連接一個(gè)回收裝置，風(fēng)機(jī)設(shè)置在氣流罩的上方，風(fēng)機(jī)的風(fēng)面向氣流罩吹，使得氣體在氣流罩內(nèi)流動(dòng)。i甘禍設(shè)置在氣流罩外部，坩禍的外壁與氣流罩的內(nèi)壁之間形成封閉空間，風(fēng)機(jī)的風(fēng)吹向氣流罩和坩禍的時(shí)候，氣體不會(huì)吹到坩禍的外表面。加熱裝置設(shè)置在坩禍內(nèi)。坩禍?zhǔn)怯扇舾蓧K坩禍片或微孔組成，坩禍片與坩禍片之間設(shè)置有縫隙。將小塊原料放置于坩禍內(nèi)，利用電弧產(chǎn)生的高溫，使得原料迅速的升華或融化，升華的金屬氣體被風(fēng)機(jī)吹向坩禍與融化液體一道進(jìn)行毛細(xì)冷凝。另一部分通過(guò)氣流罩內(nèi)外壁的空間進(jìn)入回收裝置進(jìn)行回收。將坩禍外表溫度控制在600?900°C，坩禍外表就會(huì)快速地生長(zhǎng)出微晶。由于微晶是只有長(zhǎng)寬，厚度可以忽略(小于30nm)不計(jì)的二維材料，很容易破碎細(xì)化成小于10nm的粉末材料。
[0021]實(shí)施例一:
碳電極接電弧機(jī)正極，坩禍接負(fù)極，移動(dòng)碳電極使坩禍與電極棒之間形成一個(gè)電弧區(qū)域，將需要制備的物料融化成液體或氣體。
[0022]當(dāng)將原料堆放好后，給電弧機(jī)通電，電極棒與坩禍之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的電弧，電弧的溫度高達(dá)3000?3700°C，高溫使得固態(tài)的金屬原料鉬或鉬粉快速融化成液體經(jīng)坩禍縫隙或微孔滲出到坩禍外表結(jié)晶。同時(shí)還有部分升華成氣態(tài)Mo03。而氣態(tài)Mo03由范德華力作用，分子通過(guò)坩禍上的縫隙或微孔亦會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)凝聚現(xiàn)象(即蒸汽在毛細(xì)管內(nèi)凝結(jié)成液體的現(xiàn)象)到達(dá)坩禍的外表；當(dāng)坩禍外表溫度升到2000°C左右時(shí)關(guān)停電弧。使坩禍冷卻降溫到900?600°C時(shí)，在坩禍外部縫隙或微孔處就會(huì)快速地長(zhǎng)出晶體；同時(shí)坩禍縫隙具有毛細(xì)微粒自組裝功能:即縫隙毛細(xì)作用能驅(qū)動(dòng)微粒聚集排列成二維材料。所以利用縫隙毛細(xì)作用制備的微晶成片狀，且厚度小于30nm。屬于二維材料。用微孔毛細(xì)作用制備的晶體則成纖維狀。
[0023]本發(fā)明并不局限于前述的【具體實(shí)施方式】。本發(fā)明擴(kuò)展到任何在本說(shuō)明書(shū)中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過(guò)程的步驟或任何新的組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)、以難熔金屬為原料，放置于坩禍內(nèi)，所述坩禍內(nèi)懸空設(shè)置一根碳電極棒，炭電極棒連接高壓電源的正極，所述坩禍由若干塊片狀的晶體材料拼接組成，從坩禍外表面到內(nèi)表面有若干縫隙，且坩禍的外表面接地； 2)、給碳電極通電，碳電極與坩禍之間產(chǎn)生高壓電弧，高壓電弧產(chǎn)生高溫使得金屬鉬迅速液化或升華； 3)、液化的難熔金屬通過(guò)坩禍上的縫隙流行坩禍表面，同時(shí)升華后的難熔金屬一部分氣體在范德華力作用下進(jìn)入坩禍禍體內(nèi)的縫隙處產(chǎn)生凝聚現(xiàn)象到達(dá)坩禍的外表； 4)、停止對(duì)碳電極供電，坩禍冷卻，當(dāng)坩禍外表面溫度在600?900°C時(shí)，坩禍外部縫隙處快速地長(zhǎng)出晶體，待結(jié)晶停止生長(zhǎng)后收集微晶； 所述的難容金屬原料包括但不限于金屬鋁、金屬鋁鶴。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法，其特征在于所述若干片狀的晶體材料每一塊外形均不相同，拼接后的縫隙為不規(guī)則形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法，其特征在于所述晶體材料的是難容金屬原料的結(jié)晶體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法，其特征在于所述坩禍在結(jié)晶的過(guò)程中具有誘導(dǎo)功能，當(dāng)坩禍為是鉬晶體材料，具有誘導(dǎo)MoO3結(jié)晶的功能，當(dāng)坩禍?zhǔn)擎u晶體材料，具有誘導(dǎo)WO 3結(jié)晶的功能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法，其特征在于坩禍的外部設(shè)置有氣流罩，氣流罩包括氣流罩外壁和氣流罩內(nèi)壁，氣流罩內(nèi)壁與坩禍的外表面形成密封空間，氣流罩的下部設(shè)置有回收裝置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法，其特征在于所述氣流罩與坩禍的上端設(shè)置有風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)正對(duì)坩禍吹風(fēng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法，其特征在于坩禍內(nèi)的原料升華后，一部分金屬氣體上升被風(fēng)機(jī)的風(fēng)吹向氣流罩，實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬的回收。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種電弧、毛細(xì)、籽晶法制取難熔金屬微晶納米材料的方法，利用電弧產(chǎn)生的高溫使得難容金屬迅速升華，采用的坩堝上設(shè)置縫隙，坩堝的材料為具有誘導(dǎo)功能的金屬晶體，使得難容金屬在坩堝縫隙里結(jié)晶并滲透到坩堝的外表面，完成結(jié)晶。本發(fā)明的工作原理以及制備結(jié)構(gòu)都相當(dāng)簡(jiǎn)單，比傳統(tǒng)的工藝減少了生產(chǎn)污染，環(huán)保簡(jiǎn)潔，具有良好的推廣前景。
【IPC分類(lèi)】B22F9-14, B82Y40-00
【公開(kāi)號(hào)】CN104841943
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510245958
【發(fā)明人】江德新
【申請(qǐng)人】江德新
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月15日