CN110253027A - 纳米粉末合金制备方法以及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种纳米粉末合金制备方法以及装置，先将合金材料置于真空腔室内，然后通过皮秒激光器发出皮秒激光，以使皮秒激光的焦点位于合金材料表面，进而可以将合金材料直接由固态转变为等离子状态，该等离子体为纳米颗粒，最后收集真空腔室内的纳米颗粒。本发明中，皮秒激光通过多光子吸收来激发合金材料中的电子并且直接破坏原子键，电子与晶格间的热传导基本可以忽略不计，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响，无熔融过程，材料直接从固态转变为等离子状态，收集这种等离子体即可获得纳米颗粒，比较方便快捷，且通过这种方法获取的纳米颗粒纯度高，其处于真空腔室内也不会造成任何环境污染。
Description
技术领域
本发明涉及纳米颗粒制备，尤其涉及一种纳米粉末合金制备方法以及装置。
背景技术
传统的纳米颗粒制备方法分为物理法和化学法，工业常用的包括：机械粉碎法、电爆法、金属喷雾燃烧法等。
机械粉碎法是将大块物料放入微粉粉碎机中，利用介质和物料之间相互研磨和冲击使物料细化。该方法工艺简单，制备效率高，但是晶粒尺寸不均匀，且易引入杂质，使颗粒表面和界面发生污染，纯度不高。
电爆法是利用高压放电使金属丝熔融汽化，金属蒸汽在惰性气体碰撞下形成纳米金属离子。这种方法虽然生产效率高，成本低廉，但是纳米颗粒直径偏差较大，会存在微米量级大颗粒，另外电极的腐蚀会降低纳米颗粒的纯度。
金属喷雾燃烧法是将金属熔体直接雾化燃烧以获得纳米颗粒，由于是金属原子与氧原子键的化合反应，最终获得是复合的金属氧化物纳米颗粒。该方法显著特点是反应速度快，生产效率高，并且没有任何酸碱盐及水等物质参与反应，对环境不造成任何污染，但是由于金属熔体要求过热度较高，仅限于制备低熔点金属的氧化物粉体，且对高压氧气加热的操作存在一定的危险性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米粉末合金制备方法，以解决上述存在的技术问题。
本发明是这样实现的：
本发明实施例提供一种纳米粉末合金制备方法，包括以下步骤：
将合金材料置于真空腔室内；
采用皮秒激光器照射所述真空腔室内的所述合金材料；
控制所述皮秒激光器发出的皮秒激光的焦点位于所述合金材料上，所述合金材料直接由固态转变为等离子状态，且生成的等离子体为纳米颗粒；
收集所述真空腔室内的纳米颗粒。
进一步地，所述皮秒激光器的平均功率不小于50w，且脉冲宽度不大于15皮秒。
进一步地，所述皮秒激光器发出的皮秒激光经扫描振镜后通过长焦聚焦镜将光斑聚焦于所述合金材料的表面，且所述扫描振镜通过控制板卡控制移动。
本发明实施例还提供一种纳米粉末合金制备装置，包括座体，还包括真空腔室以及皮秒激光器，所述皮秒激光器安设于所述座体上，所述真空腔室内设置有可存放合金材料的样品台，所述皮秒激光器发出的皮秒激光依次经过扩束镜、扫描振镜、物镜以及聚焦镜聚焦于所述样品台的合金材料表面，且整个皮秒激光的光路均处于密封状态。
进一步地，所述聚焦镜为长焦聚焦镜。
进一步地，还包括用于调节聚焦镜的焦点位于合金材料表面的调节机构。
进一步地，所述真空腔室设置有观察窗，所述皮秒激光器发出的皮秒激光透射所述观察窗聚焦于合金材料表面。
进一步地，还包括爬高器，所述扫描振镜与所述物镜均安设于所述爬高器上。
进一步地，于所述爬高器上还设置有十字运动平台，所述扫描振镜与所述物镜均安设于所述十字运动平台上。
进一步地，所述座体包括钢架以及水平安设于所述钢架上的大理石安装面板，所述皮秒激光器安设于所述大理石安装面板上。
本发明具有以下有益效果：
本发明的制备方法中，将合金材料置于真空腔室内，然后采用皮秒激光器发出的皮秒激光对真空环境中的合金材料进行照射，通过多光子吸收来激发合金材料中的电子并且直接破坏原子键，电子与晶格间的热传导基本可以忽略不计，避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响，无熔融过程，材料直接从固态转变为等离子状态，收集这种等离子体即可获得纳米颗粒，比较方便快捷，且通过这种方法获取的纳米颗粒纯度高，其处于真空腔室内也不会造成任何环境污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的纳米粉末合金制备装置的光路示意图；
图2为图1的纳米粉末合金制备装置的结构示意图。
具体实施方式
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实施例，而不是全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，本发明实施例提供一种纳米粉末合金制备方法，主要是用于将合金材料制备为纳米粉末合金，具体包括以下步骤：
先将合金材料置于一真空腔室1内，且该真空腔室1的真空度应比较高；
采用皮秒激光器2照射上述真空腔室1内的合金材料，该皮秒激光器2应具有高峰值功率(兆瓦级以上)以及高能量密度的特性，具体地，其平均功率应不小于50w，且脉冲宽度不大于15皮秒；
控制皮秒激光器2发出的皮秒激光的焦点位于合金材料上，合金材料直接由固态转变为等离子状态，且生成的等离子体为纳米颗粒，当然在皮秒激光射至合金材料的光路7上还应设置有另外的光学器件，比如扩束镜3、扫描振镜4、物镜5以及聚焦镜6，皮秒激光依次经过上述的光学器件以使光斑焦点位于合金材料表面；
收集真空腔室1内的纳米颗粒。
在上述制备方法过程中，整个光路7均处于密封状态下，其中扫描振镜4主要是通过驱动软件以及控制卡板移动，而聚焦镜6在控制皮秒激光的焦点位于合金材料表面时，可以采用两种方式，其中一种是调节机构，该调节机构为位移调节结构，其可以控制聚焦镜6与真空腔室1内的合金材料之间产生相对移动，进而使得聚焦镜6的焦点位于合金材料表面，由此调节机构既可以调节聚焦镜6移动，也可以调节真空腔室1内的合金材料移动。而在另一种优选方案中，聚焦镜6直接采用长焦聚焦镜6，此时物镜5配套为F-THETA物镜5，长焦聚焦镜6的为700mm，其焦深范围达几十毫米，通过这种聚焦镜6可以使得皮秒激光的光斑聚焦为0.1mm，且作用范围为50毫米×50毫米，由此无需设置前述的调节机构来调节皮秒激光的焦点位于合金材料表面。在上述制备方法中，当皮秒激光的焦点位于合金材料表面时，通过多光子吸收来激发材料中的电子并且直接破坏原子键，在该过程中避免了激光线性吸收、能量转移和扩散等影响，且无熔融过程，合金材料直接从固态转变为等离子状态，且该等离子体均为纳米尺寸颗粒，对此只需通过收集即可获得纳米粉末合金，非常方便快捷，且通过这种方法获取的纳米颗粒纯度高，其处于真空腔室1内也不会造成任何环境污染，且由于整个光路7均处于密封状态，也保证了制备方法的安全系数。
参见图1以及图2，本发明实施例还提供一种纳米粉末合金制备装置，可以应用于上述的制备方法中，以获得纳米粉末合金，其包括座体8、真空腔室1以及皮秒激光器2，其中真空腔室1与皮秒激光器2为分离式安装，皮秒激光器2安设于座体8上，座体8分为两个部分，包括钢架81以及水平安设于钢架81上的大理石安装面板82，皮秒激光器2安设于该大理石安装面板82上，真空腔室1内设置有样品台，用于制备的合金材料可安放于该样品台上；合金材料为棒状，其直径为几毫米，针对这种合金材料在一种实施例中，真空腔室1的直径为800毫米左右，而样品台应位于偏离真空腔室1的中心100-200毫米处，且离皮秒激光透射真空腔室1处为600毫米，一般来说，真空腔室1上应设置有观察窗，观察窗的直径为80mm，皮秒激光器2发出的皮秒激光透射该观察窗聚焦于合金材料表面，由此表明样品台离观察窗的距离为600毫米；皮秒激光器2发出的皮秒激光依次经过扩束镜3、扫描振镜4、物镜5以及聚焦镜6聚焦于样品台的合金材料表面，且整个皮秒激光的光路7均处于密封状态，具体是将光路7罩设于激光防护罩9内，当然激光防护罩9应主要是设置于两个光器件之间或者外露的光器件处，比如扫描振镜4对应的飞行光路71以及飞行光路71与皮秒激光器2之间均罩设有激光防护罩9，而在控制聚焦镜6的焦点位于合金材料表面时，制备装置采用上述制备方法的两种实施方式，其中一种为调节机构，另外一种则是聚焦镜6为长焦聚焦镜6，在此不再赘述。本实施例提供的制备装置在启动皮秒激光器2后可以直接将合金材料由固态转换为等离子状态，收集真空腔室1内的等离子即可获得纳米粉末合金，方便快捷，安全系数高，且不会对周围环境造成任何污染。
优化上述实施例，制备装置还包括有爬高器10，扫描振镜4与物镜5均安设于爬高器10上，具体是扫描振镜4与物镜5在爬高器10上可快速拆装与旋转，比较方便。爬高器10主要是用于实现竖直高度的调节，由此通过爬高器10可以调节扫描振镜4与物镜5在竖直高度的调节，爬高器10是安设于座体8上，即其对应皮秒激光器2一侧，而真空腔室1与皮秒激光器2为分离式安装，由此通过爬高器10可以使得扫描振镜4与物镜5能够与真空腔室1的竖直高度匹配。对于爬高器10可以采用手动调节，也可以为电动调节，具体结构可以包括竖直设置的螺纹杆，螺纹杆的上端设置有旋转盘，可以控制螺纹杆绕自身轴线旋转，扫描振镜4与物镜5整体与螺纹杆螺纹连接，由此当旋转螺纹杆后，扫描振镜4与物镜5可沿螺纹杆竖直方向移动。优选方案中，在爬高器10上还可以增设有十字运动平台，扫描振镜4与物镜5均安设于该十字运动平台上，十字运动平台与爬高器10的螺纹杆螺纹连接，由此扫描振镜4与物镜5通过十字运动平台实现与爬高器10之间的螺纹连接，而十字运动平台可以控制扫描振镜4与物镜5在水平方向的直线移动，该调节方式既可以手动，也可以电动。对此，通过爬高器10与十字运动平台可以实现皮秒激光器2与真空腔室1内合金材料之间相对位置的XYZ三轴方向的调节，比较方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种纳米粉末合金制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将合金材料置于真空腔室内；
采用皮秒激光器照射所述真空腔室内的所述合金材料；
控制所述皮秒激光器发出的皮秒激光的焦点位于所述合金材料上，所述合金材料直接由固态转变为等离子状态，且生成的等离子体为纳米颗粒；
收集所述真空腔室内的纳米颗粒。
2.如权利要求1所述的纳米粉末合金制备方法，其特征在于：所述皮秒激光器的平均功率不小于50w，且脉冲宽度不大于15皮秒。
3.如权利要求1所述的纳米粉末合金制备方法，其特征在于：所述皮秒激光器发出的皮秒激光经扫描振镜后通过长焦聚焦镜将光斑聚焦于所述合金材料的表面，且所述扫描振镜通过控制板卡控制移动。
4.一种纳米粉末合金制备装置，包括座体，其特征在于：还包括真空腔室以及皮秒激光器，所述皮秒激光器安设于所述座体上，所述真空腔室内设置有可存放合金材料的样品台，所述皮秒激光器发出的皮秒激光依次经过扩束镜、扫描振镜、物镜以及聚焦镜聚焦于所述样品台的合金材料表面，且整个皮秒激光的光路均处于密封状态。
5.如权利要求4所述的纳米粉末合金制备装置，其特征在于：所述聚焦镜为长焦聚焦镜。
6.如权利要求4所述的纳米粉末合金制备装置，其特征在于：还包括用于调节聚焦镜的焦点位于合金材料表面的调节机构。
7.如权利要求4所述的纳米粉末合金制备装置，其特征在于：所述真空腔室设置有观察窗，所述皮秒激光器发出的皮秒激光透射所述观察窗聚焦于合金材料表面。
8.如权利要求4所述的纳米粉末合金制备装置，其特征在于：还包括爬高器，所述扫描振镜与所述物镜均安设于所述爬高器上。
9.如权利要求8所述的纳米粉末合金制备装置，其特征在于：于所述爬高器上还设置有十字运动平台，所述扫描振镜与所述物镜均安设于所述十字运动平台上。
10.如权利要求4所述的纳米粉末合金制备装置，其特征在于：所述座体包括钢架以及水平安设于所述钢架上的大理石安装面板，所述皮秒激光器安设于所述大理石安装面板上。
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