CN110116215B - 使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的方法及装置，将一定长度与直径的铜丝均匀缠绕在碳棒上，并在氩气环境中给金属丝通以高电压和大电流使得金属丝发生电爆炸，即可收集到碳包覆的铜纳米颗粒。铜丝在电爆炸过程中加热相变，先后经历熔化、气化、等离子体等过程，并在等离子体的高温加热下产生铜原子，碳棒在通以高电流后也会有一部分碳原子形成，进而二者从气相中自发均匀成核凝聚成原子簇，形成初始小液滴，该液滴不断生长，之后通过内部碳原子析出和外部碳原子沉积两种机制形成碳包覆层，最终经过冷却则形成了碳包覆的铜纳米颗粒。本方法提出了新的制备碳包覆铜纳米颗粒的方法，对于工业生产和科研工作具有重大应用价值。

Description

使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的方法及装置

【技术领域】

本发明属于碳包覆铜纳米颗粒制备技术领域，涉及一种使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的方法及装置。

【背景技术】

金属纳米颗粒具有诸多优点，然而由于含能高，其极易与环境中的气体和液体发生化学反应或形成团簇，丧失了纳米颗粒的优势。因此，引入碳包覆之后会，多层石墨紧密包覆在纳米金属颗粒外围，纳米金属处于核心位置，即通过此壳/核结构形成新型的纳米碳/金属复合材料，可以在保护金属纳米颗粒原有的特性之外，赋予其奇特的电、光、磁等特性，在高密度磁记录材料、铁磁流体、静电印刷机、磁共振、催化剂、电极材料等方面有重大的应用价值。

目前制备碳包覆金属纳米粒子的常规方法有电弧放电法、热解法、化学气相沉积法、离子束法和激光法等。这些方法大多所需生产设备复杂、需要较高能量、生成物杂质多或是具有一定的危险性，因而在实际应用中受到极大限制。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的方法及装置，该方法能够满足快速、大量、简便制备，并且产物生成率和能量利用率较高，副产物较少，危险性小等要求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的方法，包括以下步骤：

步骤1：将铜丝均匀的螺旋缠绕在碳棒上，铜丝首尾两端到达碳棒的两端，使得铜丝两端接触上下电极；

步骤2：将缠绕有铜丝的碳棒固定在电极两端，然后密封电爆炸腔室；将电爆炸腔抽至真空后，充入氩气，气压为100kPa，同时给电容充至所设定的电压；

步骤3：触发开关，使得电容通过金属丝放电；在微秒脉冲作用下，碳棒和铜丝被加热至原子状态，二者结合并在介质冷却作用下形成小液滴，进而通过内部碳原子析出和外部碳原子沉积两种机制形成碳包覆层，最终形成碳包覆的铜纳米颗粒；

步骤4：将电爆炸腔室的氩气排出，纳米颗粒便收集到微孔滤膜上；进行多次电爆炸实验，收集纳米颗粒；将所收集的纳米颗粒均匀分散在融到无水乙醇中。

本发明进一步的改进在于：

步骤4中，采用超声波对融入无水乙醇中的纳米颗粒进行分散。

还包括步骤5：利用显微镜对纳米颗粒进行TEM检测，分析形态结构。

显微镜采用透射电子显微镜。

一种使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的装置，包括电爆炸腔室，电爆炸腔室的外壳接地，内设有电极；碳棒的一端与外壳相连，另一端与电极相连；电极通过触发开关与电容相连，电容的另一端接地；电容的两端并联高压电源。

其进一步的改进在于：

还包括示波器，示波器的电压探头和罗氏线圈连接在电容与电极之间，用于采集电爆炸过程中的电压和电流波形。

电容为脉冲电容。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明利用缠绕有铜丝的碳棒在惰性气体环境中进行电爆炸实验得到碳包覆纳米颗粒，同时实验参数是可以变化的，气体环境可以是氩气、氮气等惰性气体，充电电压、充电电容金属丝的长度和直径等都是可以改变的。使用电爆炸法使碳棒和铜丝受到电流焦耳加热发生快速相变，迅速到达原子级别，铜原子与碳原子形成初始液滴最终通过内部碳原子析出和外部碳原子沉积两种机制并冷却形成碳包覆铜纳米颗粒，进而达到对铜纳米颗粒的抗氧化保护的作用、增强其性能。本发明生产过程简便，只需要有电爆炸平台即可。可以将电容中储存的能量通过微秒脉冲释放到碳棒和铜丝上，极大地提高了能量的利用率而且生产速度大幅提高。本发明使用电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒时，副产物很少，这有效提高了原料利用率，产物便于收集，即产即用。

【附图说明】

图1为本发明的电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的方法流程图；

图2为本发明使用的电爆炸平台的硬件原理图；

图3为铜丝缠绕在碳棒上的效果图；

图4(a)为制备的碳包覆铜纳米颗粒的TEM图；

图4(b)为制备的碳包覆铜纳米颗粒的高分辨透射图。

【具体实施方式】

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，本发明使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的方法，包括以下步骤：

步骤1：基于金属丝电爆炸法，将一定长度、直径的铜丝均匀的缠绕在碳棒上面，将缠绕有铜丝的碳棒固定在电爆炸腔体的上下极板之间。封闭好电爆炸腔室然后将电爆炸腔室抽至真空状态，然后腔体内充入一定气压的氩气。气体环境可以是氩气、氮气等惰性气体，电爆炸腔室气体气压也是可以变化的，本发明选择氩气气氛的气体环境。作为保护气体的氩气的气压为100kPa。铜丝的直径为0.2mm，长度8cm，碳棒直径为1mm，长度也为8cm。其中铜丝也可以是铝等其他金属材料，直径和长度也可以改变，碳棒直径越小越好。

步骤2：对电容充以所设定的电压后，触发开关，电容中所储存的能量释放给铜丝和碳棒，铜丝在电爆炸过程中加热相变，先后经历熔化、气化、等离子体等过程，并在等离子体的高温加热下产生铜原子，碳棒在通以高电流后也会有一部分碳原子形成，进而二者从气相中自发均匀成核凝聚成原子簇，形成初始小液滴，该液滴不断生长，之后通过内部碳原子析出和外部碳原子沉积两种机制形成碳包覆层，最终经过冷却则形成了碳包覆的铜纳米颗粒。电容充电电压为35kV，充电电容大小和充电电压都可以改变。

步骤3：将电爆炸腔室的氩气排出，纳米颗粒便会收集到微孔滤膜上面。进行多次电爆炸实验，收集纳米颗粒。将所收集的纳米颗粒融到无水乙醇中，并用超声波进行分散，使得纳米颗粒均匀的分散在溶液之中。利用透射电子显微镜(JEOLJEM-2100Plus)对纳米颗粒进行TEM检测，分析其形态结构，可以清晰地看到铜纳米颗粒表面有均匀的碳包覆层；

另外，还可以利用本发明电爆炸法制备碳包覆的铝等其他纳米颗粒，同时金属丝的长度和直径都是可以改变的。

如图2所示，对本发明使用的电爆炸平台进行阐述，绕有铜丝的碳棒放置在电爆炸腔内部的电极两端，脉冲电容与高压电极之间使用触发开关连接。使用高压电源对电容充以设定的电压后，触发开关，电容中所储存的能量通过碳棒和铜丝释放，使碳棒和铜丝发生相变进而成核形成碳包覆的铜纳米颗粒。电爆炸过程中的电压电流波形可以通过电压探头和罗氏线圈测量，结果呈现在示波器上。

图3为铜丝缠绕在碳棒上的效果示意图。

图4(a)为制备的碳包覆铜纳米颗粒的TEM图，图4(b)为高分辨透射图，可以看出铜纳米颗粒呈球形，大小不一，其表面覆盖有碳包覆层。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将铜丝均匀的螺旋缠绕在碳棒上，铜丝首尾两端到达碳棒的两端，使得铜丝两端接触上下电极；

步骤2：将缠绕有铜丝的碳棒固定在电极两端，然后密封电爆炸腔室；将电爆炸腔抽至真空后，充入氩气，气压为100kPa，同时给电容充至所设定的电压；

步骤3：触发开关，使得电容通过金属丝放电；在微秒脉冲作用下，碳棒和铜丝被加热至原子状态，二者结合并在介质冷却作用下形成小液滴，进而通过内部碳原子析出和外部碳原子沉积两种机制形成碳包覆层，最终形成碳包覆的铜纳米颗粒；

步骤4：将电爆炸腔室的氩气排出，纳米颗粒便收集到微孔滤膜上；进行多次电爆炸实验，收集纳米颗粒；将所收集的纳米颗粒均匀分散在融到无水乙醇中，采用超声波对融入无水乙醇中的纳米颗粒进行分散；

步骤5：利用透射电子显微镜对纳米颗粒进行TEM检测，分析形态结构。

2.一种用于实现权利要求1所述方法的使用金属丝电爆炸法制备碳包覆铜纳米颗粒的装置，其特征在于，包括电爆炸腔室(1)，电爆炸腔室(1)的外壳接地，内设有电极；碳棒(2)的一端与外壳相连，另一端与电极相连；电极通过触发开关(3)与电容(4)相连，电容(4)的另一端接地；电容(4)的两端并联高压电源(Vs)；所述电容(4)为脉冲电容；

还包括示波器(8)，示波器(8)的电压探头(5)和罗氏线圈(6)连接在电容(4)与电极之间，用于采集电爆炸过程中的电压和电流波形。

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