（材料学专业论文）纳米feps及纳米feni3ps复合材料的制备及热力学性能的研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 在激光惯性约束聚变研究中，提高聚苯乙烯( p s ) 靶的激光吸收效率，降 低反常吸收，以及抑制超热电子对靶丸预热，实现高效率内爆是极其重要的 由于高z 金属放射的特征x - r a y 与驱动源不同，在打靶时并不会被共振吸收， 因而高z 金属的掺杂有利于实现对压缩氘氚燃料气体的诊断同时，磁性靶 丸材料有利于实现靶丸的无接触点支撑，达到靶丸对称均匀聚爆为此，我 们提出采用高z 金属的f e 和f e n i ，纳米粒子进行对p s 掺杂，制备磁性靶丸材 料 本文采用微乳液法、固一液反应法制备了纳米f e 粉体；采用固一液反应法 制备了纳米f e n i ，粉体，通过本体聚合和原位聚合工艺制备了纳米f e p s 和纳 米f e n i ，p s 复合材料，并研究了复合材料熟力学行为。借助x r d 、f t i r 、t g d s c 、 s e m 、t e m 、v s m 、b e t 、激光粒度等手段对制备的粉体和复合材料进行了分析 表征，获得以下结果： ( 1 ) 实验采用油包水( w o ) 的微乳液体系制备纳米a f e x r d 、t e m 分析 表明纳米d - f e 被f e ：b 包覆，其粒度为2 0 l o o n m ，纳米d f e 在大于8 0 0 时发生吸热的d y 相变。其饱和磁化强度为1 1 4 e m u g ，剩余磁化强度为 0 0 8 e m u g ，矫顽力为2 8 0 0 e ；固一液反应法制备的纳米d f e 为球形粒子，其 粒度约为7 5 n m ，在5 8 0 时a - f e 转化成y - f e 而放热。其饱和磁化强度( m ) 、 剩余磁化强度( m r ) 、矫顽力( h 。) 分别为0 5 8 4 e m u g ，0 0 8 4 e m u g 和l l o o e ； ( 2 ) 采用固一液反应法制各了纳米f e n i ，合金，在1 2 0 时反应2 4 小时制 备的纳米f e n i ，合金为球形粒子，其粒度为6 5 1 2 5 n m ，在1 6 0 时制备的纳米 f e n i ，合金呈球状、针状和片状纤维结构，并存在介孔，纳米f e n i ，合金在4 2 5 后发生体心立方晶格向面心立方晶格的晶型转变 ( 3 ) 采用本体聚合和原位聚合的方法制备了纳米f e p s 和纳米f e n i s p s 复合材料，所得试样的红外光谱吸收分析表明：纳米f e 和纳米f e n i ，合金均 通过p s 中的苯环对p s 起作用，随着掺杂量的增加，纳米f e p s 和纳米f e n i a p s 复合材料中对应苯环的红外振动吸收与苯环上氢原子的面外变形红外振动吸 收峰的强度变弱 ( 4 ) 纳米f e p s 复合材料的热分析表明：增加纳米f e 的掺杂量能提高p s 的降解率，降低降解温度，纳米f e 的掺杂可以增大p s 热分解焓变，纳米f e 的掺杂量不同可以使得p s 的比热振荡变化：纳米f e n i ，合金在相对低的温度 下，提高了p s 的热力学稳定性，提高了热分解峰温度和玻璃转变温度；在相 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 对高的温度下，纳米f e n i ，合金对p s 有热催化降解作用，掺杂量的增大提高 了热分解率：掺杂量为1 和3 时，纳米f e n i ，i p s 复合材料热分解的h 增 大，而掺杂5 时，p s 热分解的a h 减小；随着掺杂量的增大，纳米f e n i ，p s 复合材料热分解的c ，减小，并最终不再变化 关键词：惯性约束核聚变聚苯乙烯纳米f e 纳米f e n i ，合金靶丸材料 西南科技大学硕士研究生学位论文第l li 页 a b s t r a c t i ti sh i g l d yi m p o r t a n tt oe n h a n c ed r i v ei m p l o s i o ne n e r g yb yi n c r e a s i n gt h e l a s e ra b s o r p t i o ne f f i c i e n c yo fp st a r g e t s 。r e d u c i n gt h ea b n o r m a la b s o r p t i o n ，鹤 w e l la sr e s t r a i n i n gp st a r g e t sw a r m u pf r o me x - t h e r m i o ni ni n e r t i a lc o n f i n e m e n t f u s i o n ( i c f ) s t u d y i ti sk n o w nt h a tt h ed i a g n o s t i cx - r a yo fh i g h zm e t a li s d i f f e r e n tf r o mt h a to fd r i v e ne n e r g y , w h i c hr e s u l t si nt h ed i a g n o s t i cx r a y 啪n o t b ea b s o r b e df o rs y m p a t h e t i cv i b r a t i o ni ni c ft a r g e t si m p l o s i o n t h em a g n e t i c t a r g e ti sa l s op r o p i t i o u st or e a l i z et h es y m m e t r i c a lf u s i o nb yt h en o n c o n t a c t e d h o l d i gm e t h o d s f r o mt h i sp o i n to fv i e w , i tw i l l r e a l i z et od i a g n o s et h e c o m p r e s s e dd t f u e l sw i t hh i s hzm e t a ld o p i n g s o ，w eb r i n gf o r w a r db yu s i n gf e a n df e n i 3h i g hzm e t a ln a n o p a r t i c l e st ob ea sd o p i n gm a t e r i a l sa n dt of a b r i c a t e m a g n e t i ct a r g e t sm a t e r i a l s i nt h ep r e s e n ts t u d y , i r o nn a n o p a r t i c l e s ( n a n o - v e ) w e r es y n t h e s i z e db y m i c r o e m u l s i o nm e t h o da n ds o l i d 1 i q u i dr e a c t i o nm e t h o dr e s p e c t i v e l y i r o n - n i c k e l a l l o yn a n o p a r t i c l e s ( n a n o - f e n i 3 ) w e r ep r e p a r e db yu s i n gt h es o l i d l i q u i dr e a c t i o n m e t h o d n a n o - f e p sa n dn a n o - f e n i 3 p sc o m p o s i t e sw e r es y n t h e s i z e dv i a b u l k p o l y m e r i z a t i o n m e t h o da n di ns i t u p o l y m e r i z a t i o n m e t h o d t h e t h e r m o d y n a m i cp a r a m e t e r so fa s - p r e p a r e dc o m p o s i t e sw e r es t u d i e db yu s i n go f x r d 、f r i r 、t g - d s c 、s e m 、t e m 、v s m 、b e ta n dl a s e rd i f f r a c t i o ng r a n u l a r i t y m e t h o d sr e s p e c t i v e l y t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ed e s c r i b e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) i r o nn a n o p a r t i c l e s ( a f e ) c o a t e d w i t hf e 2 bw e r es u c c e s s f u l l y s y n t h e s i z e di nw om i c r o e m u l s i o ns y s t e m x r da n dt e mi l l u s t r a t et h a tf e 2 b c o a t so nt h es u r f a c eo fa f en a n o p a r t i c l e s w h i c ha r ea b o u t2 0 - 1 0 0 n t o a o f ew i l l d e c a l e s c c n c ea n dt r a n s f o r mt o r f ea tt e m p e r a t u r e sa b o v e8 0 0 t h ev i b r a t i n g s a m p l em a g n e t o m e t e r ( v s m ) t e s t i n gr e s u l t s h o w st h a ti r o nn a n o p a r t i c l e sa r e f e r r o m a g n e t i cw i t h1 1 4 e m u g ，0 0 8 e m u ga n d2 8 0 0 e i ns a t u r a t i o nm a g n e t i z a t i o n ( m s ) ，r e m n a n tm a g n e t i z a t i o n ( m r ) a n dc o e r c i v i t y ( h c ) r e s p e c t i v e l y ar e l a t i v e l y s i m p l et w o s t e pm e t h o dw a sd e s c r i b e dt os y n t h e s i z ei r o nn a n o p a r t i c l e s u n i f o r m s p h e r i c a la f en a n o p a r t i c l e sw i t h7 5n mi nd i a m e t e r sa n dc o a t e dw i t hf e z bc a n o b t a i n e db yt h i sm e t h o d a - f et r a n s f o r m st o _ r - f ea tt h et e m p e r a t u r er a n g eo f4 5 0 t o6 5 0 w i t he x o t h e r m i ce f f e c t t h em s m ra n dh ca r ee s t i m a t e db yt h ev s m m e a s u r e m e n tt ob e0 ，5 8 4 e m u g ，0 0 8 4 e m u ga n d1 1 0 0 er e s p e c t i v e l y 西南科技大学硕士研究生学位论文第l v 页 ( 2 ) f e n i 3a l l o y e dn a n o p a r t i c l e sw e r ep r e p a r e dv i aas i m p l es o l i d l i q u i d r e a c t i o nm e t h o d t h ea s p r e p a r e ds a m p l es y n t h e s i z e da t1 2 0 f o r2 4 ha g e u n i f o r ms p h e r i c a ln a n o p a r t i c l e sw i t h6 5 1 2 5 n mi nd i a m e t e r s h o w e v e r , i ti s s p h e r i c a l ，n e e d l e l i k ea n df l a k e - l i k ea sf i b e r sw i t hh o l l o w sw h i l es y n t h e s i z e da t 1 6 0 f o r2 4 h f e n i 3a l l o y e dn a n o p a r t i c l e sw i l lt r a n s f o r mf r o mb o d yc e n t e r e d c u b i cl a t t i c et of a c ec e n t e r e dc u b i cl a t t i c ea t4 2 5 ( 3 ) t h ed a n e - f e p sa n dl l a n o f e n i 3 p sc o m p o s i t e sw e r es y n t h e s i z e d t h r o u g hab u l k - p o l y m e r i z a t i o nm e t h o d i r o na n di r o n - n i c k e la l l o y sn a n o p a r t i c l e s a f f e c tp st h o u t hp h e n y l t h ev i b r a t i n ga b s o r p t i o no fp h e n y la n dh y d r o g e no n t h e s ec o m p o s i t e sd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s i n go fd o p i n gd o s eo fa l p h ai r o no r i r o n n i c k e la l l o yn a n o p a r t i c l e s ( 4 ) w h e nt h ed o p i n gd o s eo fa l p h ai r o nn a n o p a r t i c l e si n c r e a s e s ，t h e d e g r a d a t i o na n dt h ee n t h a l p yc h a n g eo fl l a n o - f e p sc o m p o s i t e sw i l li n c r c a s c ，b u t t h et e m p e r a t u r eo fd e g r a d a t i o no fc o m p o s i t e sw i l lr e d u c e a d d i t i o n a l l y , t h ed e l t a s p e c i f i ch e a tw i l lv i b r a t ew i t ht h ei n c r e a s i n go fd o p i n gd o s eo fa l p h ai r o n n a n o p a r t i c l e s i r o n - n i c k e la l l o yn a n o p a r t i c l e sc a ne n h a n c et h et h e r m a ls t a b i l i t yo f p s ，a sw e l la st h et h e r m a ld e g r a d a t i o np e a kt e m p e r a t u r ea n dg l a s st r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e i nr e l a t i v e t e m p e r a t u r er e g i o n h o w e v e r , i r o n n i c k e la l l o y n a n o p a r t i c l e sc a l la c c e l e r a t et h e r m a ld e g r a d a t i o na n dc a ni n c r e a s et h et h e r m a l d e g r a d a t i o nd e g r e ew h e nt e m p e r a t u r ei n c r e a s e s t h ed e l t ae n t h a l p yo ft h e c o m p o s i t e si sh e i g h t c n e dw i t hl a n d3 d o p i n gd o s eo fi r o n n i c k e la l l o y n a n o p a r t i c l e s w h e r e a si tw i l lb er e d u c e dw i t h5 d o p i n gd o s e t h ed e l t as p e c i f i c h e a to ft h e c o m p o s i t e sw i l lr e d u c ew i t ht h ei n c r e a s i n go fd o p i n gd o s eo f i r o n - n i c k e ln a n o p a r t i c l c sa n dw i i ir e a c hac o n s t a n tv a l eu l t i m a t e l y k e y w o r d s ：i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ；p o l y s t y r e n e ；i r o nn a n o p a r t i c l e s ； i r o n - n i c k e la l l o yn a n o p a r t i c l e s ；t a r g e t sm a t e r i a l s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意 签名： 丁童似 e l 期：7 易- 7 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文( 保密 的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名。吖勘导师签 e t 期：矽 l妒 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 引言 人类的生存和发展，都离不开能源的供给而随着人类社会的不断发展， 能源问题已逐渐成为制约人类发展的瓶颈目前人类社会运转所需的能源主 要依赖于煤、石油和天然气等这些化石能源，而它们都是不可再生的根据 统计，人类已经用掉了地球上几乎一半的化石能源按目前人类对能源的要 求来推算，到2 3 世纪，化石能源将会出现供不应求的现象；而到2 4 世纪中 叶，地球上的化石能源将会枯竭因此，寻求新的能源解决这一困境，已经 成为人类社会的迫切需求 为了解决能源危机问题，从2 0 世纪4 0 年代至今，世界上许多国家一直 在以产生核聚变动力为目标的研究开发工作核聚变动力的产生依赖于核聚 变反应，而这种反应是在特定条件下发生的，温度高达1 1 6 1 0 8 k 要让高 温燃料气体根据人们的需要有控制的发生聚变，产生能量，就必须对其进行 约束。要实现受控核聚变，必须满足两个基本条件，一是必须将燃料加热到 很高的热核反应温度，二是必须在足够长的时间内将高温高密度等离子体约 束在一起。 对造成一个稳定的高温等离子体，使之有足够的时间发生反应为了使 具有一定密度的高温等离子体实现受控热核聚变，通常有三条途径：引力场 约束、磁场约束及惯性约束。其中，惯性约束是2 0 世纪7 0 年代发展起来 的用高密度换取磁场约束的长时间约束方法，它要求高密度等离子体能够阻 挡反应中的h e ( d 粒子) ，从而提高温度和反应速率，反应堆一旦点火，可 快速释放能量，而不像磁场约束那样经历一个缓慢的过程。惯性约束分三种 方式：相干激光束、相对电子束、高能重离子束。三种方式中，相干激光束 惯性约束不仅功率高，而且容易聚焦，故在目前以达到点火条件为目标的聚 爆研究中，激光核聚变成为当前核能利用的主要发展方向 1 1 1i c f 研究进展 以高功率激光为驱动源的惯性约束聚变( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ， 简称i c f ) 是可控热核聚变研究领域最具应用前景的研究方向之一世界许多 国家都对i c f 实验研究投入了大量的人力和物力，研究取得了巨大的进展， 惯性约束核聚变的研究目标是实现干净的聚变能源和军事应用，在国防和科 学研究方面有着重要的研究价值目前以高功率激光驱动的惯性约束聚变的 研究水平已和传统的磁约束聚变并驾齐驱i c f 是利用激光或离子束作驱动 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 源，脉冲式的提供高强度能量，均匀地作用于装填氘氚( d t ) 燃料的微型球状 靶丸外壳表面，形成高温高压等离子体，利用反冲压力，使靶的外壳极快地 向心运动，压缩氘氚主燃料层到每立方厘米几百克质量的极高密度，并使局 部氘氚区域形成高温高密度热斑，达到点火条件，驱动脉冲宽度为纳米级， 在高温高密度热核来不及驱散之前进行充分热核燃烧，放出大量聚变能。 目前i c f 以及高功率固体激光技术进入了发展高潮时期，激光聚变驱动 技术的研究得到了世界上许多国家的极大重视和投入在这方面，美国处在 领先的地位。1 9 9 8 年1 0 月2 1 日，美国能源部批准了“国家点火装置”( n a t i o n a l i g n i t i o nf a c i l i t y ，n i f ) 计划，希望在2 0 1 0 年左右实现热核点火，总投资 1 8 亿美元。从现有报道来看，研制经费还在继续追加，目前n i f 已进入工程 施工阶段乜1 在国家点火装置进行工程化建造前，美国l l n l 已按n i f 设计参 数完成了全尺寸的单路原型样机( b e a m l e t ) 的建造并在上面完成了大部分关 键单元技术的实验研究，为n i f 的建造打下了良好的基础美国n i f 计划的 实施及b e a m l e t 的建成和取得的成功经验更加明确的为i c f 的研究指明了方 向。1 9 9 3 年，法国原子能委员会批准了l m j 计划d 1 ；英国基于美国l l n l 的技 术支持，亦开展了建造功率为i o o t w 的激光系统的研究工作“；日本大阪大 学激光工程研究所于1 9 9 2 年利用g e k k o 激光装置开展了靶丸压缩的实验； 俄罗斯在经过数1 0 年发展碘激光技术之后，也转向发展圃体激光技术的研究 【5 】 o 我国在1 9 8 3 年，建成星光一i 激光装置拍1 ，并在1 9 9 5 年升级为星光 一i i ( 3 0 0 j ) ，1 9 8 5 年建成神光一i 装置，在2 0 0 0 年升级为神光一i i ( 6 k j ) 。1 9 9 3 年我国i c f 研究进入8 6 3 计划，形成千人会战的局面。陶祖聪研究员和贺贤 士院士等著名科学家多年来孜孜不倦地努力，冲破了发达国家对我国资料的 封锁，发扬两弹精神，克服重重困难，多方合作，在驱动器( 高功率、高能量 激光器) 、靶物理理论和实验、精密诊断设备以及靶的制造5 个方面协调研究， 取得了重要进展，同年成立了国家高科技惯性约束聚变委员会，制定了神光 一的发展计划并已着手进行前期的原形样机t i l 的研制，预计将在2 1 世纪 前十年建成神光一激光装置n ， 1 1 2i c f 靶丸材料研究现状 激光聚变研究的一个极其重要的组成部分就是激光聚变靶的设计翻制 造，靶的参数、结构和材料成分密切关系到激光的吸收、激光的耦合、爆聚 的均匀性和对称性以及爆聚效率等阳1 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 i 1 2 1 靶丸材料的种类 i c f 固体靶丸材料主要有空心玻璃微球( h o l l o wg l a s sm i c r o s p h e r e ，缩 写为h g m ) 和空心聚合物微球( h o l l o wp o l y m e rm i c r o s p h e r e ，缩写为h p m ) 。 ( 1 )空心聚合物微球 制各空心聚合物微球常用的聚合物主要有聚苯乙烯( p s ) 、聚乙烯醇 ( p v a ) 、聚丙烯( p p ) 、聚已二醇和对苯二甲酸( p e e p ) 、聚酸乙烯脂( p v a c ) 及聚 酰亚胺等 聚合物材料具有低密度、低原予序数( z ) 的特性，可以减少内爆过程中对 辐射能的消耗量，可降低瑞利一泰勒不稳定性，降低辐射驱动内爆实验过程中 燃料预热及流体力学不稳定性，提高实验增益，有利于实验过程中的诊断， 提高流体力学的效率，抑制爆聚过程中超导热电子的产生和防止氘氚( d t ) 燃 料预热，最终实现较高的增益，同时聚合物球壳对诊断元素产生的软x 射线 较易透过，有助于燃料核心的实验诊断，因此h p m 是一种颇具前途的靶丸， 在世界各国的i c f 实验中已经得到越来越多的应用。 空心p s 微球的物理化学性能稳定，成球性能好，但在激光i c f 靶材料研 究中，为了满足工程技术上的要求以及不同的实验条件，例如，防止内层燃 料透过p s 渗透，通常将i c f 用p s 靶丸制成多层结构，其中最典型的是内层 是高机械强度，低辐射损伤的聚苯乙烯( p s ) ，中间层是p v a 阻氢渗透层，外 层是c ：h 烧蚀层 ( 2 )空心金属微球 常用于制靶的金属材料是镀，该金属具有原子系数低、强度高、导热系 数大等优点。铍制的靶丸直径在2 - s m m ，其内壁覆有厚约几百微米的氘层或氘 氖混合层。 ( 3 ) 空心玻璃微球 用于制靶的材料主要是水玻璃，微球的直径一般在5 0 4 0 0 um 之间玻 璃微球作为氘氚( d t ) 燃料容器，具有强度高、气体渗透率低、掺杂诊断容易、 球形度和表面光洁度优良等一系列优点，但空心玻璃微球作为燃料容器，其 自身的高密度使得瑞利一泰勒不稳定性更加明显，玻璃材料中所含的高原子序 数元素，在内爆压缩过程中产生预热电子，这会导致内爆效率的降低。 由此可知在以上三种制靶材料中，金属靶丸主要的制备材料以低原子序 数金属材料为主，以避免流体力学的不稳定性，玻璃靶丸若能克服瑞利一泰勒 不稳定性，将拓宽其在i c f 实验中的应用范围，并推动i c f 实验研究的进一 步发展聚合物靶丸还应在提高强度、球形度、同心度和表面光洁度等方面 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 多加研究，以很好的满足i c f 内爆实验的要求。 1 1 2 2 聚苯乙烯靶材料的掺杂 在激光i c f 研究中，聚苯乙烯( p s ) 因为具有良好的性能，因而一直作为靶 的内层材料的最佳选择之一而靶材料的掺杂又是靶材料研制的一项重要内 容。掺杂通常有物理掺杂和化学掺杂，这两种方法都要求掺杂后的p s 靶材料 具有特殊功能和作用，比如在内爆过程中提供烧蚀压、内爆温度、内爆密度， 以及屏蔽超热电子、增加外推进层惯性和有利于进行压缩对称性等，这些特 殊功能和作用是通过掺杂物提供数据来对靶壳做出诊断的因此，研究靶壳 诊断元素掺杂技术来保证示踪元素掺杂后均匀、掺杂后材料的物理化学性能 保持在掺杂前的水平，确保靶丸质量不受影响，是掺杂的重要内容 ( 1 ) p s 靶掺杂过渡金属元素 p s 靶内壳材料中掺入过渡金属元素之后，在靶丸内爆压缩过程中，这些 元素将产生特定的谱线，然后来诊断靶丸的压缩状态由于p s 中的c 键的饱和 性，使得c 与过渡金属m 难以实现共价键结合，因而，p s 掺过渡金属m 的难度较 大。p s 掺杂过渡金属元素可以通过先将p s 卤代化，然后将卤素原予转变为 c 0 0 h ，再以c 0 0 h 为桥制备金属化合物，并通过控制卤素原子的量来控制掺杂 的过渡金属元素的量0 1 ；另外通过过渡金属的茂合物也可以实现掺杂过渡金 属，茂金属是指过渡金属与两个反向环戊二烯( c p ) ，通过共轭作用形成的稳 定的配合物，通过反向环戊二烯环引入双键达到与p s 共聚的目的，从而实现 掺杂过渡金属m “”。蔡佩君等嘲通过p s 与三羰基铬聚合得到( i i 一苯乙烯) 三羰 基铬而制备掺铬聚合物，在产物中，每一个苯乙烯单体都享有一个c r ( c o ) ， n 电子在羰基和苯环之间共轭，因此能锝到比较稳定的结构。刘才林等”1 利 用p s 与乙基二茂铁的共聚反应来合成掺杂物，实现p s 中掺铁，并报道了p s 掺 铁量受到反应物配比、反应温度、反应时间以及程序操作的影响，同时，该 报道说明了其反应如下： c h - c h f c h - c h z c h c h ，一c h c h l c h 一( ：h 。一c h c h 。一c h - c h ， + 客 人 簧由 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 ( 2 ) p s 靶掺杂非金属元素 目前，非金属掺杂已经主要集中在氘一氚掺杂。氘一氚掺杂，就是指以氘 ( d ) 或氚( t ) 替代聚苯乙烯中部分或全部的氢( h ) 。用这样的聚合物做成靶球是 i c f 实验中一种很有前途的高压缩比、高增益靶型，同时它也是快点火途径的 一种极具潜在优势的新型。日本在八十年代中期及九十年代初率先开发出可 直接用于i c e 打靶实验的全氘代聚苯乙烯空心固体靶球“”；国内于上世纪末成 功制备了氘代p s 靶张林“钉采用反相乳液法，以全氘代苯乙烯为聚合单体、 二乙烯苯为交联剂，成功地制得了密度为2 5 - 1 0 0 m g c m 。、蜂窝直径2 - 6 l im 、 微乳直径0 5 - 1 2 pm 的氘代聚苯乙烯特种泡沫材料张继成等“钔在6 - 3 1 g 基组 水平上，优化了聚苯乙烯单体基态的平衡几何构型主要用b l y p6 - 3 1 方法研 究了氘、氚代聚苯乙烯单体( d p s ，p s t ) 的正则振动频率，红外光谱强度、c d 键键能，并对正则振动，在理论上给氘代聚苯乙烯提供了指导 1 1 3i c f 研究中面临的难题 用大功率长波长激光打靶时，等离子体中各种非线性效应严重，由此产 生的超热电子份额较大。众所周知，超热电子是特别有害的，超热电子温度 高、射程长、易进入靶丸预热氘氚燃料气体，使x 射线烧蚀压缩靶丸更加困 难。压缩热气体比压缩冷气体困难，导致靶丸压缩度降低“”因此，在激光 聚变研究中，为了提高靶的激光吸收效率，降低反常吸收，以及抑制超热电 子对靶丸预热，实现高效率内爆，研究超热电子产生和抑制，并寻找抑制超 热电子的有效途径，是i c f 基础研究的重要课题“”另外，高温高密度等离 子体的不透明度的研究也是非常重要的，无论天体物理还是i c f 研究所有有 关辐射输运问题都必须涉及高温高密度等离子体的不透明度“”。在内爆过程 中，要实现在塑料靶丸的烧蚀内爆中阻挡超热电子、增加辐射不透明度。i c f 研究中，压缩氘氚燃料气体的半径及密度是靠x r a y 诊断的，但用大功率长 波长激光打靶时，因而如何实现打靶过程中对压缩氘氚燃料气体的半径及密 度的诊断是一项关键的技术。而高z 金属放射的特征x - r a y 与驱动源不同， 在打靶时并不会被共振吸收，因而高z 金属的掺杂有利于实现对压缩氘氚燃 料气体的诊断。 1 2 课题的提出与研究思路 针对上面谈到的主要问题和国内外研究现状，本文提出了通过将铁、镍 等高z 金属元素掺入到p s 微球中。来实现阻挡超热电子、改善d t 气体扩散 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 性能和增加辐射不透明度。而高z 金属放射的特征x - r a y 与驱动源不同，在 打靶时并不会被共振吸收，因而高z 金属的掺杂有利于实现对压缩氘氚燃料 气体的诊断。关于这一方面的研究在国内外还没有相关的报道。 1 3 纳米f e 聚合物复合材料的研究现状 聚合物与纳米f e 粒子进行复合的机理是聚合物在纳米f e 粒子表面形成 包裹层，而形成纳米铁核一聚合物壳结构，使纳米f e 粒子具有热力学稳定的 性质，从根本上防止了纳米f e 粒子的氧化。聚合物包覆纳米f e 粒子的关键 是选择合适的聚合物材料进行复合选择不同的聚合物，在聚合物包覆纳米 f e 粒子在制备工艺上有许多区别，根据高聚合物物化性质的不同，有的聚合 物与纳米f e 粒子在制各过程中通常都是在一定的有机分散剂里进行有机分 散剂通过在纳米f e 粒子表面的一系列物理化学作用，控制纳米f e 粒子的尺 寸分布、形貌以及聚合物层的厚度。 1 3 1 纳米f e 粒子制备方法研究进展 超细铁粉具有独特的光学、催化、吸附和化学反应性等性质，尤其是磁 学性质更是长期以来人们十分感兴趣的课题“嘲，因为它的颗粒尺寸己处于 磁性发生剧烈变化范围，粉体具有单磁畴结构，矫顽力很高，粉体的磁性能 会在铁磁性和顺铁磁性之间相互转化，可做磁记录材料提高信噪比和改善图 像性能。例如大块软铁一般表现为软磁性，但对1 6 n m 的铁粉，其矫顽力非常 高，因而可作为永磁材料使用o ”。此外，对超微磁性铁粉体的表面氧化膜 结构的研究是推断铁磁性粉体结构及其磁性能的手段之一，有人胁1 对微米尺 寸的针形a 一髓或近似球形的超细a - f e 微粒研究，认为铁微粒表面的氧化 物为晶体f e 。o | ( 或q f e ：0 3 ) ，而有的研究者认为是f e 。0 。和a - f e 。0 3 的混合 物，也有研究者认为表面的氧化物为非晶态结构。由于a - f e 具有铁磁性， 直接观察其表层结构比较困难，也难以精确测量其表面氧化物的磁性；y - f e 呈顺磁性，并且它具有面心立方结构。如果采用y - f e 纳米微粒研究其表层 氧化物的结构和磁性能将非常方便不过，利用传统的制备方法，很难在室 温下获得y - f e 纳米微粒】 1 3 1 1 流动液体冷凝法 流动液面上的真空蒸发法实际上是真空蒸发冷凝法的改进，为了更容易 收集超微粉体，在相当于冷凝器的转动圆盘上保持油的流动，当金属蒸气降 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 落在流动的油液面上时，冷凝形成纳米粒子，然后采用真空蒸馏浓缩产物， 既可以方便地获得悬浮有铁的磁性液体，又可以通过添加表面活性剂减少粉 体粒子团聚幢”。这种方法制备的f e 的粒径在3 - 8 n m 之间变化，粒径均匀，分 布窄；另外这种方法的优点还在于可以控制粒径的尺寸乜” 1 3 1 2 惰性气体冷凝法 惰性气体冷凝法是采用电弧放电等方式以产生高温等离子体对金属真空 加热、气化、蒸发。产生原子雾，然后在真空蒸发室内通入高纯度惰性气体 ( a r 或h e ) ，原子雾与惰性气体原子碰撞而失去能量，凝聚形成纳米尺寸的团 簇，并在液氮冷却棒上聚集起来。由于高温等离子体能量较高，所以得到的 粒子的粒度比较小，一般用来制备团簇级的粉体y u d a s a k am 等”1 采用直流 放电使铁产生烟雾，烟雾中几乎都是q - f o ，舍有极少量的y f e 难以分离， 该研究将烟雾引入到加热炉中，由于加热炉的温度正好处于y - f e 热力学稳定 区域( 9 1 1 - 1 3 9 3 ) ，a - f e 就转变为y - f e y - f e 最后由液氮冷却而收集，该 报道同时报道了制各的y - f e 由于粒子的边角圆滑，失去粒子链型结构，最终 没有铁磁性。赵新清等研1 用激光气相热解法制备了o - f e 和y - f e 纳米微粒。 惰性气体冷凝法与流动液体冷凝法相比，它是惰性气体吸收原子雾的能 量，得到的粉体的粒度相对集中且可以通过惰性气体的压力对粉体的粒度进 行控制。由于压力的控制相对容易，所以惰性气体冷凝法的粒度控制相对更 简便。g r a n q u j s t c g 等啪1 认为随着惰性气体压强的增大，粒子尺寸近似地 线性增大，较大原子质量的惰性气体得到较大尺寸的团簇；而张立德等“町认 为惰性气体的压力越大，可能制备相对较小的超微粉体 1 3 1 3 羰基法 羰基法通常为热分解法，即采用一定的加热方式对羰基铁进行热分解。 由于这个方法采用一定的加热方式，所以通常是在气相中进行的分解但该 法区别于化学气相合成的根本在于羰基法是直接对羰基铁进行了分解反应， 而化学气相合成则通常有着复杂的化学反应。并且羰基法采用的加热方式也 很多，通常有一般热解、激光和超声激活。热解的关键是形成化合物后应是 挥发性的金属，即让f e ( c 0 ) 。在一定温度下直接分解制取铁粉。其原理是： f e c o ) s _ f e ( s ) + 5 c oc g ) 由于采用不同的热分解方式，所以熟分解过程 中的温度、时间、压强、气氛等因素会对影响到铁粉体的各种性质，如晶型， 结构、粒废、甚至影响到磁性能。柳学全等m 1 成功地热解制取了粒径在6 - 2 6 n m 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 之闻的纳米级球形铁微粒。z h a o 等m 1 采用c w c o ：激光激活分解，制备出纯 y f e 纳米粉末，粒径在3 0 - 8 0 n m 之间南韩机械与材料学院和中国沈阳工业 大学的研究人员o ”结合化学气相合成法，由f e ( c o ) 。合成了心部是晶态铁，其 壳层是由晶态的f e 。0 或非晶态物质所组成纳米铁粉粒。并且对制备的纳米铁 粒子的磁性能进行了研究：纳米铁由超顺磁性到铁磁性；纳米铁微粒的饱和 磁化强度是其颗粒尺寸的函数；纳米铁微粒的矫顽力与颗粒尺寸并无明显的 依赖关系另外，利用红外光作为热源，照射f e ( c o ) 。使得金属羰基分子团之 问的键打破，从而使金属原子缓慢地聚集成核、长大以至形成非晶态纳米铁 颗粒。在热解过程中充入惰性气体，可制备出金属纳米颗粒 1 3 1 4 徽乳液法 微乳液一般是由表面活性剂、助表面活性剂、有机溶剂和水组成的热力 学稳定体系。它包括油包水型( 0 ) 、水包油型( o - ) 以及双连续相三种。微 乳液将连续介质分散成为微小空间，这种微小空间粒度细小，大小均一，稳 定性高。微乳液结构中质点大小或聚集分子层的厚度接近纳米级，从而为纳 米材料的制备提供了有效反应器。微乳液法将金属盐和一定的沉淀剂制备成 微乳液，控制乳液中粒子的成核和生长，进一步得到超微粒子。微乳液制备 纳米材料的关键是水核的半径，因为水核的半径直接决定了纳米粒子的尺寸。 由于水核的半径受水和表面活性剂的相对比例的控制，所以微乳液法的关键 是控制水和表面活性剂的相对比例该方法制得的粒子单分散性好啪1 。 l u f i m p a d i o 等m 用水包油型微乳液以n a b h 。还原f e ”成功制备了p e b 复合物。 张朝平等汹1 用微乳液法制备了纳米包裹型铁粉及超细n i - f e 复合物微粒。l i u 等m 1 曾在a o t 庚烷h ：0 的反胶团体系中，用n a b l h 作还原剂还原f e c l ：制备出了 纳米f e 微粒，发现体系中随水核半径的增大，制备的f e 粒子粒径也增大当 r ( r = 0 a o t ) = 3 4 n m 时，所得f e 粒子半径为4 n m ；当r 为4 4 4 n m 时，f e 粒子 半径为1 9 n m 1 3 2聚合物包覆纳米f e 粒子 聚合物包覆纳米铁粒子有两个关键：一是纳米铁粒子的产生；二是选择 合适的聚合物材料进行包覆。选择不同的聚合物，在聚合物包覆纳米铁粒子 在制备工艺上有许多区别，根据高聚合物物化性质的不同，有的聚合物包覆 纳米铁粒子在制备过程中通常都是在一定的有机分散剂里进行。有机分散剂 通过在纳米铁粒子表面的一系列物理化学作用，控制纳米铁粒子的尺寸分布、 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 形貌以及聚合物层的厚度。 1 3 2 1 聚苯乙烯( p s ) 一聚异丁烯一四乙烯基五胺( t e p a ) 包覆纳米铁粒子 田1 - 1p s t e p a 分散剂的两种结构臼钉 f i g 1 1t w os t r u o t u r e so f p s t e p ad i s p e r s a n t s p s 的玻璃化温度为1 0 0 ，在常温下为硬度较大的固体基体材料采用 t