CN103657564B - 一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置与方法，包括激光器系统、反应室系统和液体循环系统。混合均匀的石墨悬浮液在抽水泵的作用下循环流动，流经反应面板时形成扩流。高能灯泵浦固体激光器发出数十焦的高能脉冲激光辐照一级反应室内循环流动的石墨悬浮液，石墨颗粒吸收高能激光后瞬间汽化、电离形成高压等离子体，出现非平衡热胀诱发石墨的相变形成纳米金刚石，从入光口飞溅出的少量液体在二级收集室被回收。本发明克服了现有激光法合成纳米金刚石过程中激光作用区面积小、溅射问题严重、合成效率低等问题，合成出分散性良好、尺寸可控的纳米金刚石颗粒，在镀膜、润滑和精密抛光等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置与方法

技术领域

本发明属于人工合成纳米金刚石领域，特指一种利用高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置与方法。

背景技术

近年来随着纳米科学技术的不断发展，纳米材料尤其是碳纳米材料如纳米金刚石等引起了人们广泛的关注。与宏观尺寸金刚石相比，纳米金刚石具有晶格常数大、比表面积大、德拜温度低、化学活性高等特殊性能，因而在金属镀膜、润滑油和精密抛光等领域具有广泛的应用前景。激光作为一种高能效、无污染的能量源，能在极短的时间内使材料发生一系列复杂变化，随着激光技术的不断发展，激光作为合成纳米材料的手段正被国内外广泛研究。

近年来陈晓虎和王金斌等人均采用纳秒脉冲激光冲击固体石墨靶材得到了纳米金刚石，但是陈晓虎在南京航空航天大学学报上提出采用激光冲击石墨涂层的方法，仅在涂层冲击区域观测到纳米金刚石；王金斌在材料研究学报上提出采用纳秒激光冲击水下的固体石墨靶材通过收集溅射液的方法合成纳米金刚石，两种方法合成效率较低，仅能用于理论研究。孙景、雷贻文等人在材料研究学报上提出采用毫秒激光辐照石墨悬浮液的方法成功合成出5nm左右的纳米金刚石，该方法属于连续合成法，合成效率有所提高，但是该方法合成过程中激光聚焦于液面以下1~3mm，激光的有效作用区面积小，且溅射问题不可避免，影响了整体合成效率，只能合成5nm左右的金刚石。

发明内容

本发明的目的是针对以上技术的不足，提供一种常温常压下利用高能灯泵浦固体激光器连续高效合成纳米金刚石的装置与方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置与方法。该方法创新之一在于提出利用高能灯泵浦固体激光器激光能量高、激光光束尺寸大的特点，在保证激光功率密度超过石墨转化为金刚石的能量势垒的情况下，通过调节激光能量的大小达到合成不同尺寸的纳米金刚石的目的。

该方法创新之二在于采用反应面板使得循环流动的石墨悬浮液流经反应面板时形成扩流，增大了激光的有效作用面积提高了合成效率。

该方法创新之三在于一级反应室基本密封仅留一微小入光口，仅少量液体从第二入光口飞溅出来后进入二级收集室，二级收集室的第一入光口附近设置的保护气喷嘴对内吹气，最大程度的回收了溅射液，避免污染环境，提高合成效率。

本发明的技术方案为：一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置，包括激光器系统、反应室系统和液体循环系统组成；所述激光器系统包括计算机（21）、高能灯泵浦固体激光器（1）和工作台（20），所述高能灯泵固体激光器（1）由计算机（21）控制激光参数；所述反应室系统位于所述工作台（20）上，所述反应室系统包括相邻的一级反应室（17）和二级收集室（5），所述一级反应室（17）侧壁上开有第二入光口（18），所述二级收集室（5）侧壁上开有第一入光口（4），所述一级反应室（17）内部斜置一块反应面板（16），所述高能灯泵固体激光器（1）的激光能够贯穿所述第一入光口（4）和第二入光口（18）辐射到所述反应面板（16）上；所述液体循环系统包括抽水泵（9）、抽水管（12）和出水管（11），所述抽水泵（9）和所述一级反应室（17）之间通过所述抽水管（12）和所述出水管（11）连接。

上述方案中，所述工作台（20）的位移由所述计算机（21）控制。

上述方案中，所述第一入光口（4）处设有保护气喷嘴（3），所述保护气喷嘴（3）喷出的保护气方向指向所述二级收集室（5）内部。

上述方案中，所述一级反应室（17）和所述二级收集室（5）的材料为有机玻璃，所述一级反应室（17）和所述二级收集室（5）各壁面之间采用有机玻璃胶粘接。

上述方案中，所述反应面板（16）位于所述一级反应室（17）的对角线上。

上述方案中，所述抽水泵（9）位于所述一级反应室（17）上端，所述一级反应室（17）上壁面设有第一开口（14）和第二开口（6），所述抽水泵（9）上设有抽水口（8）和出水口（10），所述抽水泵（9）上设有抽水口（8）和出水口（10），所述第一开口（14）和所述第二开口（6）内分别套有第一密封圈（13）和第二密封圈（7），所述抽水管（12）分别与所述抽水口（8）和所述第二开口（6）相连，所述出水管（11）分别与所述出水口（10）和所述第一开口（14）相连。

一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的方法，具体实施步骤如下。

一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的方法，包括如下步骤：

A  将石墨与去离子水以质量比为1：100~1:300配成石墨混合液；

B  将石墨混合液置入超声波清洗机中超声振动混合30min制成石墨悬浮液；

C 将石墨悬浮液置入一级反应室内，打开抽水泵使石墨悬浮液循环流动；

D 打开储气罐，使气体喷嘴对准二级收集室的第一入光口对内吹保护气体；

E 打开高能灯泵浦固体激光器，调节工作台使激光束依此穿过第一入光口和第二入光口并辐照一级反应室内内的流过反应面板上的石墨悬浮液，利用计算机设置激光束参数，波长1064nm，脉宽15ns，脉冲频率1~5Hz，能量1~12J；

F 激光辐照1~2h后依此关闭高能泵浦固体激光器、保护气和抽水泵；

G对激光作用后的石墨悬浮液进行烘干处理得到干燥粉末，将粉末以1:20~1:30的质量比置入高氯酸中，采用电热套加热到190℃并保温2h，用清水将反应后的溶液水洗5~10次后干燥处理得到纳米金刚石颗粒。

本发明的有益效果：1. 利用高能灯泵浦固体激光器能量高，激光束尺寸大的特点，在保证激光能量密度超过石墨转变为金刚石的能量势垒的情况下，可通过调节激光能量控制合成出的纳米金刚石的尺寸；2. 石墨悬浮液流经反应面板时水流扩束，液体面积变大，且高能灯泵浦固体激光器发出的激光束尺寸大，有利于加大激光的有效作用面积，提高了反应效率；3. 一级反应室基本为密封环境，仅留一微小第二入光口，少量的反应液体从第二入光口飞溅出来后在二级收集室得到进一步回收，二级收集室的第一入光口附近设置了保护气喷嘴进一步防止液体飞溅，提高了合成效率。

附图说明

图1为一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置原理图。

图中：1高能灯泵浦固体激光器；2激光束；3气体喷嘴；4第一入光口1；5二级收集室；6第二开口；7第二密封圈；8抽水口；9抽水泵；10出水口；11出水管；12抽水管；13第一密封圈；14第一开口；15石墨悬浮液；16反应面板；17一级反应室；18第二入光口2；19石墨悬浮液；20工作台；21计算机；22储气罐。

具体实施方式

下面参考附图并结合具体实施案例对本发明作具体详细说明。

一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置，包括激光器系统、反应室系统和液体循环系统组成；所述激光器系统包括计算机21、高能灯泵浦固体激光器1和工作台20，所述高能灯泵固体激光器1由计算机21控制激光参数；所述工作台20的位移由所述计算机21控制。所述反应室系统位于所述工作台20上，所述反应室系统包括相邻的一级反应室17和二级收集室5，所述一级反应室17和二级收集室5的材料为有机玻璃，各壁面之间采用有机玻璃胶粘结；所述反应面板16处于一级反应室17的对角线上；所述一级反应室17右端壁面上设有第二入光口18，上端壁面上设有第一开口14和第二开口6，第一开口14和第二开口6内分别套有第一密封圈13和第二密封圈7；所述二级收集室5右端壁面上设有第一入光口4，第一入光口4外附近设有保护气喷嘴3，保护气喷嘴3喷出的保护气方向指向二级收集室5内部。所述液体循环系统包括抽水泵9、抽水管12和出水管11，石墨悬浮液19、抽水管12和出水管11。其特征在于，所述抽水泵9上设有抽水口8和出水口10，抽水管12与抽水口8相连，出水管11与出水口10相连。所述反应室系统包括一级反应室17、二级收集室5和反应面板16.其特征在于，所述反应室材料为有机玻璃，各壁面之间采用有机玻璃胶粘结；所述反应面板16处于一级反应室17的对角线上；所述一级反应室17右端壁面上设有第二入光口18，上端壁面上设有第一开口（14）和第二开口6，第一开口14和第二开口6内分别套有第一密封圈13和第二密封圈7；所述二级收集室5右端壁面上设有第一入光口4，第一入光口4外附近设有保护气喷嘴3，保护气喷嘴3喷出的保护气方向指向二级收集室5内部。

高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的具体过程为：将粒径为2mm的ABC型人造石墨粉与去离子水以质量比为1：200配成50mL的石墨混合液，将石墨混合液置入超声波清洗机中以40~50Hz的频率超声振动混合30min制成石墨悬浮液，将石墨悬浮液置入一级反应室内，抽水管套在抽水口，出水管套在出水口，抽水管和出水管分别插入一级反应室的开口并用密封圈密封，打开抽水泵使石墨悬浮液循环流动，打开储气罐，使气体喷嘴对准二级收集室的第一入光口1对内吹氮气，打开高能灯泵浦固体激光器，利用计算机设置激光束参数，波长1064nm，脉宽15ns，脉冲频率1~5Hz，能量5J，调节工作台使激光束依此穿过第一入光口和第二入光口并辐照反应面板上的石墨悬浮液，激光辐照1~2h后关闭高能泵浦固体激光器、保护气和抽水泵，对激光作用后的石墨悬浮液进行烘干处理得到干燥粉末，将粉末以1:30的质量比置入高氯酸中，采用电热套加热到190℃并保温2h，用清水将反应后的溶液水洗5~10次后干燥处理得到纳米金刚石颗粒，所得纳米金刚石颗粒尺寸在80~120nm且分散性良好。

Claims (10)

1.一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置，其特征在于，包括激光器系统、反应室系统和液体循环系统；所述激光器系统包括计算机（21）、高能灯泵浦固体激光器（1）和工作台（20），所述高能灯泵固体激光器（1）由计算机（21）控制激光参数；所述反应室系统位于所述工作台（20）上，所述反应室系统包括相邻的一级反应室（17）和二级收集室（5），所述一级反应室（17）侧壁上开有第二入光口（18），所述二级收集室（5）侧壁上开有第一入光口（4），所述一级反应室（17）内部斜置一块反应面板（16），所述高能灯泵固体激光器（1）的激光能够贯穿所述第一入光口（4）和第二入光口（18）辐射到所述反应面板（16）上；所述液体循环系统包括抽水泵（9）、抽水管（12）和出水管（11），所述抽水泵（9）和所述一级反应室（17）之间通过所述抽水管（12）和所述出水管（11）连接。

2.根据权利要求1所述的一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置，其特征在于，所述工作台（20）的位移由所述计算机（21）控制。

3.根据权利要求1所述的一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置，其特征在于，所述第一入光口（4）处设有保护气喷嘴（3），所述保护气喷嘴（3）喷出的保护气方向指向所述二级收集室（5）内部。

4.根据权利要求1所述的一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置，其特征在于，所述一级反应室（17）和所述二级收集室（5）的材料为有机玻璃，所述一级反应室（17）和所述二级收集室（5）各壁面之间采用有机玻璃胶粘接。

5.根据权利要求1所述的一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置，其特征在于，所述反应面板（16）位于所述一级反应室（17）的对角线上。

6.根据权利要求1—5任一项权利要求所述的一种高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石的装置，其特征在于，所述抽水泵（9）位于所述一级反应室（17）上端，所述一级反应室（17）上壁面设有第一开口（14）和第二开口（6），所述抽水泵（9）上设有抽水口（8）和出水口（10），所述抽水泵（9）上设有抽水口（8）和出水口（10），所述第一开口（14）和所述第二开口（6）内分别套有第一密封圈（13）和第二密封圈（7），所述抽水管（12）分别与所述抽水口（8）和所述第二开口（6）相连，所述出水管（11）分别与所述出水口（10）和所述第一开口（14）相连。

7.一种利用权利要求6的高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石装置来制备纳米金刚石的方法，包括如下步骤：

A  将石墨与去离子水以质量比为1：100~1:300配成石墨混合液；

B  将石墨混合液置入超声波清洗机中超声振动混合30min制成石墨悬浮液；

C 将石墨悬浮液置入一级反应室内，打开抽水泵使石墨悬浮液循环流动；

D 打开储气罐，使气体喷嘴对准二级收集室的第一入光口对内吹保护气体；

E 打开高能灯泵浦固体激光器，调节工作台使激光束依此穿过第一入光口和第二入光口并辐照一级反应室内的流过反应面板上的石墨悬浮液，利用计算机设置激光束参数，波长1064nm，脉宽15ns，脉冲频率1~5Hz，能量1~12J；

F 激光辐照1~2h后依此关闭高能泵浦固体激光器、保护气和抽水泵；

G对激光作用后的石墨悬浮液进行干燥、酸煮提纯和水洗处理，得到纳米金刚石颗粒。

8.根据权利要求7所述的高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石装置来制备纳米金刚石的方法，其特征在于，步骤A所述石墨为ABC型人造石墨粉，含碳量399.99%，粒径1~5mm。

9.根据权利要求7所述的高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石装置来制备纳米金刚石的方法，其特征在于，步骤D所述保护气体为氧气、氮气或氦气。

10.根据权利要求7所述的高能灯泵浦固体激光器制备纳米金刚石装置来制备纳米金刚石的方法，其特征在于，步骤E所述第一入光口和第二入光口的中心与激光束中心线共线，激光束高于石墨悬浮液液面2~5cm。