CN102744477B - 一种激波辅助超短脉冲放电的纳米粒子的制备方法及装置 - Google Patents

一种激波辅助超短脉冲放电的纳米粒子的制备方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激波辅助超短脉冲放电制备纳米粒子的方法及其装置,属于纳米材料技术领域。制备方法是使用超短脉冲电源在加工工件和工具电极之间施加超短脉冲电场,电离、击穿绝缘工作液介质形成等离子体放电通道,产生并抛出熔化、气化的蚀除产物;与此同时,使用一个连接在激波电源上的激波发生器对放电通道施加激波,将蚀除产物分散,凝固后,即得纳米粒子。制备纳米粒子的装置包括超短脉冲电源、激波电源、工作液槽、加工工件、工具电极、激波发生器和位移平台。本方法工艺稳定、产率高。

Description

一种激波辅助超短脉冲放电的纳米粒子的制备方法及装置
技术领域
本发明涉及一种纳米粒子的制备方法及装置,属于纳米材料领域技术。
背景技术
由于纳米粒子具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子效应、宏观量子隧道效应和催化效应。因此,它在催化性能、光学性能、磁性能、增强增韧性能、储氢性能和润滑性能等方面都具有特异功能,从而获得了广泛的应用。主要应用于:催化剂、纳米电子器件、传感器、磁性材料、光学和隐身材料以及增韧补强材料、生物医学材料。在增强结构材料方面有纳米颗粒增强材料、纳米晶须、纤维增强材料、纳米颗粒助烧结材料、纳米焊接技术。在磁性材料方面有纳米巨磁电阻材料、纳米磁记录材料、纳米微晶软磁材料、纳米微晶稀土永磁材料、纳米磁制冷工质材料。在生物材料方面有纳米复合牙齿替代材料、纳米复合骨替代材料。在半导体方面有纳米温敏材料、纳米压敏材料、纳米湿敏材料、纳米气敏材料、纳米光敏材料。在光学隐身材料方面有纳米光学隐身材料,其中又分为可见光隐身、微波隐身、红外隐身和激光隐身等。纳米粒子材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一。
纳米粒子的制备作为当前研究的热点,国内外的众多专家学者均对其展开了广泛的研究。目前,纳米粒子的制备方法有很多种,如机械粉碎法、溶胶凝胶法、化学气相沉积法、水热合成法、离子溅射法等。
发明内容
本发明提供了一种新的纳米粒子的制备方法及装置—激波辅助超短脉冲放电的纳米粒子制备方法及装置。
激波辅助超短脉冲放电的纳米粒子的制备方法是:
(1)工作液槽中加入工作液,浸过加工工件和工具电极;
(2)加工工件和工具电极分别连接于超短脉冲电源两极,通过位移平台实现加工工件的进给,使加工工件和工具电极之间形成连续的脉冲性放电,利用放电通道中产生的瞬时高温去除材料,产生蚀除产物;
(3)在步骤(2)进行的同时,利用激波发生器对放电通道施加激波,将放电通道中的蚀除产物分散,凝固后,再对工作液过滤,得纳米粒子;工作液回收使用;
激波脉冲宽度的范围是500ns~5μs,激波压力的范围是10MPa~100MPa。
选择不同材质的加工工件可以制得不同材质的纳米粒子,上述加工工件的材质是能进行放电加工的任何材料,如导电性能良好的金属材料(如:铜、银等),具有导电性能半导体物质的(如:硅、锗等),绝缘材料(如宝石、陶瓷等),当加工工件时绝缘材料,则在将加工工件置于工作液槽之前,还需要在加工工件上添加一个辅助电极。上述加工工件与辅助电极的固定方式可以是常规的物理或者化学方法,例如:涂覆、喷镀或机械夹紧等。工具电极和加工工件为同一种材料时能得到不含任何杂质的纳米粒子。
上述的工作液优选为绝缘液体,保证放电加工过程的顺利进行。
超短脉冲电源产生的放电脉冲的脉宽优选为50ns~500ns。
在制备过程中,工作液在工作液槽外部进行循环流动,并对其进行过滤。这不仅可以改善加工间隙状态,保证了加工的顺利进行,同时也可以收集制备出的纳米粒子。
本发明还提供了一种激波辅助超短脉冲放电的制备纳米粒子的装置,其特征在于:在位移平台上固定工作液槽,在工作液槽内固定激波发生器,激波发生器连接至激波电源;工作液槽内、离激波发生器正上方1cm~10cm处固定有一个工具电极;工具电极上方是加工工件,加工工件固定于位移平台上的支架,工具电极和加工工件均连接至超短脉冲电源;还包括一个带有过滤装置的工作液循环系统,两端与工作液槽相连,形成闭合环路。
位移平台用于保证加工中工具电极和激波发生器的定位精度和进给精度,使加工连续顺利进行。
作为对上述装置的优选,位移平台的重复定位精度<0.2μm,进给分辨率<0.2μm。
上述的激波发生器可以由上盖板、下底板、固定在上盖板和下底板之间的换能器组成。
上述的激波发生器,上盖板可以是绝缘介质,换能器可以是压电陶瓷。
上述的加工工件的材质为陶瓷等高电阻率材料时,加工工件上还需要有一层导电材料作为辅助电极。
装置中的过滤装置,可以采用公知的微滤膜、超滤膜等过滤装置,用于对生成的纳米粒子进行收集。
综上,本发明提供的使用激波辅助超短脉冲放电的制备纳米粒子的方法及装置具有如下有益效果:
(1)通过超短脉冲电源严格控制单脉冲放电能量,使单次放电能量尽可能减小,从而减少了单次放电蚀除材料尺寸,为蚀除材料的进一步细化奠定了基础。
(2)利用固定在工作液槽中的激波发生器,在脉冲放电过程中引入激波,利用激波脉冲宽度小(500ns~5μs)、压力峰值大(10Mpa~100Mpa)、高能、瞬时和能量可控等特点,作用在超短脉冲放电(脉宽50ns~500ns)过程中,改变放电通道的形成过程和形态,同时将放电通道中熔融态的蚀除产物分散为尺寸相近的纳米粒子,实现纳米粒子的制备。同时,激波还改善了工作液对加工区域的冲刷作用,有利于减少拉弧等不正常现象的发生。将激波技术、微细电加工技术与先进制造技术结合起来,在脉冲放电的过程中,利用激波效应,既不影响工艺系统加工稳定性,又能细化加工产物,实现高效的纳米粒子的制备。
(3)本发明激波辅助超短脉冲放电纳米粒子制备方法及装置,利用带过滤功能的工作液循环系统对工作液进行冷却和净化,保证了加工的顺利进行。
(4)本发明激波辅助超短脉冲放电纳米粒子制备方法及装置,具有成本低、产率高等特点,可以实现任何能进行脉冲放电加工的材料的纳米粒子的制备,为纳米粒子的制备提供了一种新的方法,同时拓展了脉冲放电的运用范围。
附图说明:
图1是本发明提供的激波辅助超短脉冲放电的制备纳米粒子的装置的示意图。
1是激波电源,2是超短脉冲电源,3是工作液槽,4是加工工件,5是工作液,6是工具电极,7是激波发生器,8是位移平台,9是工作液循环系统,10是过滤装置。
图2是激波发生器的结构示意图。
11是上盖板,12是换能器,13是下底板。
图3是改进的激波辅助超短脉冲放电的制备纳米粒子的装置的示意图。
14是辅助电极。
具体实施方式
实施例1
如图1和图2所示,一种激波辅助超短脉冲放电的制备纳米粒子的装置,在位移平台8上固定工作液槽3,在工作液槽3内固定激波发生器7,激波发生器7连接至激波电源1;工作液槽3内、离激波发生器7正上方1cm~10cm处固定有一个工具电极6;工具电极6上方是加工工件4,加工工件4固定于位移平台8上的支架,工具电极6和加工工件4均连接至超短脉冲电源2;还包括一个带有过滤装置10的工作液循环系统9,两端与工作液槽3相连,形成闭合环路。
上述的位移平台8采用的是电火花加工中常用的三坐标亚微米控制平台,重复定位精度<0.2μm,进给分辨率<0.2μm。
上述的激波发生器由上盖板11、下底板13、固定在上盖板11和下底板13之间的换能器12组成;上述的上盖板11是绝缘介质,换能器12是压电陶瓷。
上述过滤装置10是的过滤介质是超滤膜。
下面结合制备步骤对本发明的技术方案作进一步地说明:
首先在工作液槽3中加入工作液5煤油,采用的加工工件4的材质是铜(尺寸125mm×125mm),采用的工具电极6是铜电极(尺寸125mm×125mm)。
通过位移平台8保证工具电极6的定位精度和进给精度,利用超短脉冲电源2产生的放电脉冲的脉宽为50ns,占空比1:8,开路电压160V的矩形脉冲电压施加在工件和电极之间,形成放电通道,将放电通道中的材料融化、气化,进而去除材料,产生蚀除产物。
控制激波电源1的作用时间和能量,激波脉冲宽度为500ns,利用激波电源1和激波发生器7产生的激波,激波峰值压力为10MPa作用在脉冲放电时的放电通道,由于激波的瞬时高能效应,使放电通道的形成过程和形态改变,将放电通道中熔融态的蚀除产物分散,凝固后,形成纳米粒子。
与此同时,启动工作液循环系统9让工作液5在工作液槽3外部进行循环流动,可以使工作液5冷却;并用过滤装置10对制备得到的铜纳米粒子进行收集。
对本实施例制备得到的铜纳米粒子纯化后,通过X射线荧光光谱分析(XRF)分析测得其纯度在93%;利用激光粒度仪分析可得其粒径范围为10nm~100nm。
本实施例中,铜纳米粒子产率为1g/h。
实施例2
如图1和图2所示,一种激波辅助超短脉冲放电的制备纳米粒子的装置,与实施例1的区别在于采用的加工工件4的材质是掺杂硅,放电脉冲宽度为200ns,激波脉冲宽度为2μs,,激波峰值压力为50MPa。
本实施例制备得到的硅纳米粒子,通过X射线荧光光谱分析(XRF)分析测得其纯度在93%;利用激光粒度仪分析测得其粒径范围为8nm~95nm。
本实施例中,硅纳米粒子产率为0.8g/h。
实施例3
如图2和图3所示,一种改进的激波辅助超短脉冲放电的制备纳米粒子的装置。与实施例1的区别在于:采用的加工工件4的材质是Al2O3陶瓷,同时在加工工件4上添加了一层导电材料铜作为辅助电极14,利用金属辅助电极14被击穿放电时的熔化和碳化等作用,来形成绝缘陶瓷表面的导电层以进行电火花加工。放电脉冲宽度为500ns,激波脉冲宽度是5μs,激波峰值压力为100MPa。
本实施例制备得到的Al2O3陶瓷纳米粒子,通过X射线荧光光谱分析(XRF)测得其含量为95%,利用激光粒度仪分析测得其粒径范围为5nm~90nm,其产率为0.5g/h。

Claims (1)

1.一种激波辅助超短脉冲放电的纳米粒子制备方法,其特征在于包含以下步骤:
(1) 工作液槽中加入工作液,浸过加工工件和工具电极;
(2) 加工工件和工具电极分别连接于超短脉冲电源两极,通过位移平台实现加工工件的进给,使加工工件和工具电极之间形成连续的脉冲性放电,利用放电通道中产生的瞬时高温去除材料,产生蚀除产物;
(3) 在步骤(2)进行的同时,利用激波发生器对放电通道施加激波,将放电通道中的蚀除产物分散,再对工作液过滤,得纳米粒子;工作液回收使用;
激波脉冲宽度的范围是500ns~5μs,激波压力的范围是10MPa~100MPa;所述的工作液为绝缘液体;在步骤(1)之前,在加工工件上添加一个辅助电极。
2. 一种激波辅助超短脉冲放电的制备纳米粒子的装置,其特征在于:在位移平台(8)上固定工作液槽(3),在工作液槽(3)内固定激波发生器(7),激波发生器(7)连接至激波电源(1);工作液槽(3)内、离激波发生器(7)正上方1cm~10cm处固定有一个工具电极(6);工具电极(6)上方是加工工件(4),加工工件(4)固定于位移平台(8)上的支架,工具电极(6)和加工工件(4)均连接至超短脉冲电源(2);还包括一个带有过滤装置(10)的工作液循环系统(9),两端与工作液槽(3)相连,形成闭合环路;所述激波发生器(7)由上盖板(11)、下底板(13)、固定在上盖板(11)和下底板(13)之间的换能器(12)组成;所述的加工工件(4)上还包括一个辅助电极(14)。
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