CN101376173A - 一种控制纳米粉体粒径的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制纳米粉体粒径的方法，该法不需要改动制备装置，只需要在以电阻、高频感应、等离子体、电子束、激光等为加热源的蒸发冷凝法制备纳米粉体过程中，在蒸发冷凝处施加0.1～14T的超导强磁场。由于磁场改变蒸发原子的临界形核能进而改变其形核浓度和形核速度，从而达到通过调节磁场强度来控制纳米粉体粒径的目的。该法提高蒸发冷凝法制备纳米粉体的效率，均一性和粒径调节的范围。

Description

一种控制纳米粉体粒径的方法

技术领域

本发明涉及一种控制纳米粉体粒径的方法，具体涉及一种在用蒸发冷凝法制备纳米粉体过程中，不改变装备结构，在蒸发冷凝处施加强磁场达到控制纳米粉体尺寸的目的。

技术背景

蒸发冷凝法(又称气体中蒸发法)是在真空蒸发室内充入低压惰性气体(N₂、He、Ne、Ar等)，采用电阻、高频感应、等离子体、电子束、激光等加热源，使原料气化或形成等离子体，与惰性气体碰撞而失去能量，然后骤冷使之凝结成纳米粉体。纳米粉体的粒径可通过改变气体压力、加热温度和惰性气体种类进行控制。但是，在加热温度和惰性气体一定的条件下，气体压力越大，生成的纳米粉体的粒径就越大，气体压力过小，则会影响纳米粉体的生成效率；在惰性气体及压力一定的条件下，加热温度过高不光会增大粉体的粒径还有可能突然爆发影响颗粒的均一性；当惰性气体压力和蒸发温度相同时，通过改变气体种类可以控制纳米粉体的粒径，而可用的惰性气体种类不多，粒径可调节范围不大。

发明内容

本发明的目的是提供一种控制纳米粉体粒径的方法。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种控制纳米粉体粒径的方法，其特征是：在以电阻、高频感应、等离子体、电子束、激光等为加热源的蒸发冷凝法制备纳米粉体过程中，在蒸发冷凝处施加0.1～14T超导强磁场达到控制粉体粒径的目的。

上述的强磁场为1～8T。

本发明的原理是：

任何物质都是有磁性的，蒸发的金属原子和生成的纳米颗粒在磁场中都会有磁能G_M。这样，磁场就会对蒸发原子在惰性气体中的凝聚形核的总自由能产生影响，从而改变蒸发原子临界形核半径和临界形核能。我们假设蒸发原子团在基片表面的凝聚是均匀形核的，并且体材料的热力学量可以赋予原子，那么形成半径为r的球型原子团的Gibbs自由能可以表示为

${\mathrm{\ΔG}}_M^0={4\mathrm{\πr}}^2{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cv}}+\frac{4}{3}{\mathrm{\πr}}^3({\mathrm{\ΔG}}_v+{\mathrm{\ΔG}}_M)---\left(1\right)$

其中，σ_cv是凝聚相和气相间的表面自由能；ΔG_v是凝聚相单位体积自由能；ΔG_M是物质气相与固相间的磁化能差异。我们可以得到磁场下，蒸发原子的临界形核半径为

$r_M^{*}=-\frac{{2\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cv}}}{{\mathrm{\ΔG}}_v+{\mathrm{\ΔG}}_M}---\left(2\right)$

它要比无磁场即普通条件下蒸发原子的临界形核半径 $r^{*}=-\frac{{2\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cv}}}{{\mathrm{\ΔG}}_V}$ 要小。

将公式(2)代入(1)我们可以得到，强磁场下蒸发原子晶核形成的临界自由能为

${\mathrm{\ΔG}}_M^{*}=\frac{16{\mathrm{\π\σ}}_{\mathrm{cv}}}{3{({\mathrm{\ΔG}}_v+{\mathrm{\ΔG}}_M)}^2}---\left(3\right)$

比无磁场下Zn原子团形成的临界自由能 ${\mathrm{\ΔG}}^{*}=\frac{16{\mathrm{\π\σ}}_{\mathrm{cv}}}{3{\left({\mathrm{\ΔG}}_v\right)}^2}$ 要小。那么，蒸发原子团在磁场中的临界形核浓度就要大于无磁场中的临界形核浓度，这样，磁场作用下气体中形成粉体的颗粒尺寸就要比无磁场中的要小。假设磁场对表面自由能σ_cv和凝聚相的单位体积自由能ΔG_v没有影响，我们引入磁场对临界形核作用系数f_M，令 $f_M=\frac{{\mathrm{\ΔG}}_M^{*}}{{\mathrm{\ΔG}}^{*}}$ 。我们可以得到 $f_M={\left(\frac{{\mathrm{\ΔG}}_v}{{\mathrm{\ΔG}}_v+{\mathrm{\ΔG}}_M}\right)}^2=\frac{1}{{(1+{\mathrm{\ΔG}}_M/{\mathrm{\ΔG}}_V)}^2}---\left(4\right)$ 显然，f_M的大小只与ΔG_M/ΔG_v有关，由于物质的单位体积自由能一般为常数，那么，物质气固相在磁场中所受到的磁化能差异越大，磁场对临界形核能

的影响就越大，磁场中物质形核的临界形核能

就越小，物质更容易形核，在单位时间内生成的晶核就越多，而且形核的速率也越大。这样，蒸发原子在惰性气体中凝聚的粉体就越细小，而且粉体生成的效率也越高。对于固定的蒸发物质来说，其在磁场中所受到的磁能随磁场的增加而变大。我们可以通过调节磁场的强度来改变蒸发原子的磁能，从而改变制备的纳米粉体的粒径。

为了提高蒸发冷凝法制备纳米粉体生产的效率，增强粉体的均一性以及提高粒径的可调节范围，本专利提供一种新方法，即在蒸发气体冷凝处施加强磁场，该法可以提高纳米粉体生产的效率，增强粉体的均一性以及可以充分提高纳米粉体粒径的可调节性。

在蒸发冷凝法制备纳米粉体过程中施加的强磁场强度在0.1～14T范围内，高于1T的磁场用普通磁体很难实现，需要用超导线圈做成的超导磁体实现。该法适应多种加热方式——电阻、高频感应、等离子体、电子束、激光等加热源，强磁场施加位置在蒸发原子冷却位置。相同条件下，施加强磁场制备纳米粉体比不施加强磁场的粒径要细小，制备粉体的效率要高，而且粒径可调节范围可以通过调整磁场强度来实现，粉体粒径可调节范围大。

附图说明

图1是电阻丝加热制备纳米粉体装置，图中各数字代号表示如下：1为惰性气体入口，2为施加的强磁体，3是蒸发的原料，4是加热用电阻丝，5为真空抽气口，6为电源。

图2是高频感应加热制备纳米粉体装置，图中各数字代号表示如下：1为惰性气体，2为施加的强磁体，3是蒸发的原料，4是坩埚，5为高频感应电源。

图3是等离子加热制备纳米粉体装置，图中各数字代号表示如下：1为等离子体枪，2为施加的强磁体，3为收集用水冷铜板，4，8是惰性气体，5是加热的原料，6为坩埚，7为电源。

图4是电子束加热制备纳米粉体装置，图中各数字代号表示如下：1为电子枪，2为惰性气体，3为施加的强磁体，4是加热的原料，5为坩埚。

图5是激光加热制备纳米粉体装置，图中各数字代号表示如下：1为惰性气体，2为施加的强磁体，3为激光束，4为加热的原料，5为坩埚。

具体实施方式

下面通过实施例对本发明进行详细说明。

图1是一个采用电阻加热制备纳米粉体的具体实施方式，强磁场施加在蒸发原子的冷凝位置。先从真空抽气口(5)处抽真空，关闭阀门，然后从(1)处放入惰性气体，保持真空室一定的压力。打开电源(6)，开始加热要蒸发的原料(3)，当蒸发原子冷凝区域与惰性气体发生碰撞而冷却成纳米粉体时，这一过程在强磁场(2)的环境中完成。这时，制备的纳米粉体要比普通条件下制备的纳米粉体更细小。实验室制备Zn纳米粉体过程中，真空室通入氩气，压力保持在1Torr，普通条件下制备的粉末直径在300nm左右，而在蒸发冷凝区施加3T磁场后，制备的纳米粉体粒径在100nm左右。

图2～图5分别为高频感应加热、等离子体加热、电子束加热和激光加热制备纳米粉体装置，和图1比较，只是加热方式改变，强磁场具体实施过程和图1采用电阻加热制备纳米粉体的具体实施方式相同。

Claims (2)

1.一种控制纳米粉体粒径的方法，其特征是：在以电阻、高频感应、等离子体、电子束、激光等为加热源的蒸发冷凝法制备纳米粉体过程中，在蒸发冷凝处施加0.1～14T的超导强磁场。

2.如权利要求1所述的控制纳米粉体粒径的方法，其特征在于所述的强磁场强度为1～8T。

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