电弧法制备金属纳米粉研究设计【11张CAD图纸和毕业论文】【答辩通过】

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电弧法制备金属纳米粉研究

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摘要

纳米科技是二十世纪八十年代发展起来的一门新兴交叉、前沿学科。在二十一世纪纳米科技是三大重要技术之一，属于前沿性课题之一。其中纳米粉体的制备是纳米科技的重要研究内容之一。蒸发冷凝法制备纳米粉体是一种较早的物理方法，本文用电弧法制备，也是属于蒸发冷凝法的一种。
本文首先介绍了纳米科技的基本知识及其发展状况和应用前景。然后设计了一套电弧加热法制备纳米粉体的实验装置。该装置的工作原理是在一定压力的惰性气氛或反应气氛中，将金属等材料作为电弧的电极，使其在高温电弧等离子的作用下被溶化、蒸发。蒸汽遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成超微粉。该系统共有加热系统、真空系统、生成室、收集室等几部分组成。首先针对纳米颗粒的生产条件设计了生成室和真空系统。然后用电弧加热制备生成纳米蒸汽。冷阱采用了不断输入液氮实现了急速冷却，使蒸汽快速成核以保证纳米尺度。最后通过采用手套箱结构的收集装置实现真空室中粉体的包装从而避免了氧化。整个系统易于加工实现，能够满足制备纳米微粒的实验需求。

关键词：纳米粉体；电弧加热；制备；冷阱

Abstract

Nanotechnology is developing a newcross-cutting, cutting-edge disciplines in the eighties of the twentieth century. Nanotechnology in the twenty-first century technology is one of the three most important are the forefront of one of the topics. Preparation of nano-powder of which is an important research nanotechnology one. Prepared by evaporation condensation nanopowder is a physical method earlier in this paper was prepared by arc, but also belong to a kind of evaporation condensation method.
This article introduces the basic knowledge of nanotechnology and its development and application prospects. Arc and then designed a nano-powders prepared by heating of the experimental apparatus. The working principle of the device is in a certain atmosphere of pressure of inert or reactive atmosphere, such materials as metal arc electrodes, so that at a high temperature arc plasma melting under the role of evaporation. Encountered in the surrounding gas steam will be cooled or the formation of ultrafine reaction. The system total heating system, vacuum system, to generate room, the collection consists of several rooms. First of all, for the production of nanoparticles designed to generate conditions of rooms and vacuum system. Preparation of arc and then use to generate nano-steam heating. Cold trap using liquid nitrogen to achieve a constant input of rapid cooling, so that rapid nucleation of steam to ensure that the nanometer scale. Finally, through the use of glove-box structure of the collection device to achieve a vacuum packed powder chamber to avoid oxidation. The realization of the entire system is easy to process, prepare to meet the experimental needs of nanoparticles.

Key words: nano-powder; arc heating; Preparation; cold trap

第一章绪论 1
第1.1节引言 1
第1.2节金属纳米粉的制备方法概述 4
1.2.1机械法 4
1.2.2物理法 5
1.2.3化学法 6
第1.3节纳米粉体制备及应用国内外现状 7
1.3.1纳米粉体制备及应用的国内现状 7
1.3.2纳米粉体制备及应用的国外现状 9
第1.4节本文研究的主要内容 11
第二章电弧法制备金属纳米粉研究 13
第2.1节电弧 13
2.1.1电弧物理 13
2.1.2弧柱中的气体电离 14
2.1.3电极的电子发射 16
2.1.4电弧的物理特性 18
第2.2节电弧的应用 23
第2.3节电弧制取金属纳米粉体 24
2.3.1电弧法制备金属纳米粉体的原理 25
2.3.2金属纳米粉成核机理 26
第三章真空系统的设计 28
第3.1节实验装置的整体结构设计 28
第3.2节真空系统的设计 29
3.2.1真空获得设备——真空机组及其选用 30
3.2.2真空容器的设计 33
3.2.3真空测量系统 44
第3.3节真空系统设计中的注意点 46
第3.4节真空管路 48
第3.5节真空材料 48
第3.6节本章小结 49
第四章加热装置的设计 50
第4.1节电弧加热原理 50
第4.2节水冷电极 51
4.2.1水冷电极的设计要点 51
4.2.2 加热阴极的设计 52
4.2.3加热阳极的设计 53
4.2.4引弧装置的简介 54
第4.3节本章小结 56
第五章粉体的生成与收集 57
第5.1节粉体获得装置 57
5.1.1冷阱装置 57
5.1.2刮刀 58
第5.2节收集室 59
第5.3节其它系统 60
5.3.1气路保护 60
5.3.2过滤膜 61
第5.4节本章小结 61
第六章结论与展望 62
英文原文……………………………………………………….66
中文译文…………………………………………………………………81
第一章绪论

第1.1节引言

“振兴东北老工业基地高技术产业化项目—金属纳米粉制取设备技术与产业化”，是国务院为建设全面小康社会的重大举措，本项目的研究具有重要的应用前景。科学技术已发展进入知识爆炸时代，材料科学仍是科技三大支柱之一。在材料科学领域中纳米技术正愈来愈受到广泛关注，它将能引发下一场新的技术革命和产业革命，成为本世纪科学技术发展的前沿。将材料尺寸减少到纳米数量级时，材料颗粒表面特征突出，且颗粒中原子排列及电子云分布发生变化，导致一些特别性能出现，这就是纳米材料。纳米材料具有常规材料不具有的特殊性质，这些特殊的性质使纳米材料在许多领域有着广泛的应用。
纳米材料主要从表面效应、体积效应、量子尺寸效应进行分析。纳米材料的表面效应主要是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例；当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。体积效应是指由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小，随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米能级附近电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽的现象均称为纳米材料的量子尺寸效应。表面效应、体积效应、量子尺寸效应使得纳米材料表现出很多异常的特性，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质，金属熔点降低，增强微波吸收，强度、韧性和超塑性大为提高。纳米材料从根本上改变了材料的结构，可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径。
纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材料科学、纳机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。
在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术、新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器、价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。
研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100nm）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题。纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合，纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物理特性、新原理、新方法设计纳米结构器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。
金属纳米粉作为纳米材料中的一员，有着其独特的材料特性，常用来制备金属纳米粉的材料有钴、铜、铁、镍、锌，另外还有它们的合金以及氧化物等等。钴粉具有记录密度高、矫顽力高（可达119.4KA/m）、信噪比高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。用铁、钴、镍及其合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等。金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用，铁、钴、氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军事用高性能毫米波隐形材料、可见光－红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。纳米铝、铜、镍粉体有高活化表面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施涂层，铜及其合金纳米粉体用作催化剂，效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂，同样的铁，锌等金属有着自己的特性，这些特性为材料科学的发展打开了另外一扇窗。

第1.2节金属纳米粉的制备方法概述

金属纳米粉末的制备涉及到物理、化学、材料等学科的交叉，所以制备方法的分类目前有不同的观点。一般分为机械法、物理法和化学法等。
1.2.1机械法
机械法就是指用机械力将大块固体破碎成所需粒径的加工方法。机械法制备纳米粉通常用研磨、冲击、气流、液流、超声作为加工手段。按机械力的不同可分为机械冲击式粉碎法、气流粉碎法、球磨法和超声波粉碎法等。但目前用于制备金属纳米粉末的主要采用球磨法和超声波
粉碎法。
球磨法是制备金属纳米粉末最常用的方法，其制备机理是在中低应变速率下，塑性变形由滑移及孪生产生。而在高应变速率下，产生剪切带，由高密度错网构成。超声波粉碎

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内容简介：: 摘要纳米科技是二十世纪八十年代发展起来的一门新兴交叉、前沿学科。在二十一世纪纳米科技是三大重要技术之一，属于前沿性课题之一。其中纳米粉体的制备是纳米科技的重要研究内容之一。蒸发冷凝法制备纳米粉体是一种较早的物理方法，本文用电弧法制备，也是属于蒸发冷凝法的一种。本文首先介绍了纳米科技的基本知识及其发展状况和应用前景。然后设计了一套电弧加热法制备纳米粉体的实验装置。该装置的工作原理是在一定压力的惰性气氛或反应气氛中，将金属等材料作为电弧的电极，使其在高温电弧等离子的作用下被溶化、蒸发。蒸汽遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成超微粉。该系统共有加热系统、真空系统、生成室、收集室等几部分组成。首先针对纳米颗粒的生产条件设计了生成室和真空系统。然后用电弧加热制备生成纳米蒸汽。冷阱采用了不断输入液氮实现了急速冷却，使蒸汽快速成核以保证纳米尺度。最后通过采用手套箱结构的收集装置实现真空室中粉体的包装从而避免了氧化。整个系统易于加工实现，能够满足制备纳米微粒的实验需求。关键词：纳米粉体；电弧加热；制备；冷阱AbstractNanotechnology is developing a newcross-cutting, cutting-edge disciplines in the eighties of the twentieth century. Nanotechnology in the twenty-first century technology is one of the three most important are the forefront of one of the topics. Preparation of nano-powder of which is an important research nanotechnology one. Prepared by evaporation condensation nanopowder is a physical method earlier in this paper was prepared by arc, but also belong to a kind of evaporation condensation method. This article introduces the basic knowledge of nanotechnology and its development and application prospects. Arc and then designed a nano-powders prepared by heating of the experimental apparatus. The working principle of the device is in a certain atmosphere of pressure of inert or reactive atmosphere, such materials as metal arc electrodes, so that at a high temperature arc plasma melting under the role of evaporation. Encountered in the surrounding gas steam will be cooled or the formation of ultrafine reaction. The system total heating system, vacuum system, to generate room, the collection consists of several rooms. First of all, for the production of nanoparticles designed to generate conditions of rooms and vacuum system. Preparation of arc and then use to generate nano-steam heating. Cold trap using liquid nitrogen to achieve a constant input of rapid cooling, so that rapid nucleation of steam to ensure that the nanometer scale. Finally, through the use of glove-box structure of the collection device to achieve a vacuum packed powder chamber to avoid oxidation. The realization of the entire system is easy to process, prepare to meet the experimental needs of nanoparticles.Key words: nano-powder; arc heating; Preparation; cold trap目录第一章绪论1第1.1节引言1第1.2节金属纳米粉的制备方法概述41.2.1机械法41.2.2物理法51.2.3化学法6第1.3节纳米粉体制备及应用国内外现状71.3.1纳米粉体制备及应用的国内现状71.3.2纳米粉体制备及应用的国外现状9第1.4节本文研究的主要内容11第二章电弧法制备金属纳米粉研究13第2.1节电弧132.1.1电弧物理132.1.2弧柱中的气体电离142.1.3电极的电子发射162.1.4电弧的物理特性18第2.2节电弧的应用23第2.3节电弧制取金属纳米粉体242.3.1电弧法制备金属纳米粉体的原理252.3.2金属纳米粉成核机理26第三章真空系统的设计28第3.1节实验装置的整体结构设计28第3.2节真空系统的设计293.2.1真空获得设备真空机组及其选用303.2.2真空容器的设计333.2.3真空测量系统44第3.3节真空系统设计中的注意点46第3.4节真空管路48第3.5节真空材料48第3.6节本章小结49第四章加热装置的设计50第4.1节电弧加热原理50第4.2节水冷电极514.2.1水冷电极的设计要点514.2.2 加热阴极的设计524.2.3加热阳极的设计534.2.4引弧装置的简介54第4.3节本章小结56第五章粉体的生成与收集57第5.1节粉体获得装置575.1.1冷阱装置575.1.2刮刀58第5.2节收集室59第5.3节其它系统605.3.1气路保护605.3.2过滤膜61第5.4节本章小结61第六章结论与展望62英文原文.66中文译文8193第一章绪论第1.1节引言 “振兴东北老工业基地高技术产业化项目金属纳米粉制取设备技术与产业化”，是国务院为建设全面小康社会的重大举措，本项目的研究具有重要的应用前景。科学技术已发展进入知识爆炸时代，材料科学仍是科技三大支柱之一。在材料科学领域中纳米技术正愈来愈受到广泛关注，它将能引发下一场新的技术革命和产业革命，成为本世纪科学技术发展的前沿。将材料尺寸减少到纳米数量级时，材料颗粒表面特征突出，且颗粒中原子排列及电子云分布发生变化，导致一些特别性能出现，这就是纳米材料。纳米材料具有常规材料不具有的特殊性质，这些特殊的性质使纳米材料在许多领域有着广泛的应用。纳米材料主要从表面效应、体积效应、量子尺寸效应进行分析。纳米材料的表面效应主要是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例；当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。体积效应是指由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小，随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米能级附近电子能级由准连续变为离散能级的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，这些能隙变宽的现象均称为纳米材料的量子尺寸效应。表面效应、体积效应、量子尺寸效应使得纳米材料表现出很多异常的特性，如高的光学非线性，特异的催化和光催化性质，金属熔点降低，增强微波吸收，强度、韧性和超塑性大为提高。纳米材料从根本上改变了材料的结构，可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径。纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材料科学、纳机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术、新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400G的磁性纳米棒阵列的量子磁盘、成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器、价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件、用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1100nm）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题。纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合，纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物理特性、新原理、新方法设计纳米结构器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。金属纳米粉作为纳米材料中的一员，有着其独特的材料特性，常用来制备金属纳米粉的材料有钴、铜、铁、镍、锌，另外还有它们的合金以及氧化物等等。钴粉具有记录密度高、矫顽力高（可达119.4KA/m）、信噪比高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。用铁、钴、镍及其合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于密封减震、医疗器械、声音调节、光显示等。金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用，铁、钴、氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军事用高性能毫米波隐形材料、可见光红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。纳米铝、铜、镍粉体有高活化表面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施涂层，铜及其合金纳米粉体用作催化剂，效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂，同样的铁，锌等金属有着自己的特性，这些特性为材料科学的发展打开了另外一扇窗。第1.2节金属纳米粉的制备方法概述金属纳米粉末的制备涉及到物理、化学、材料等学科的交叉，所以制备方法的分类目前有不同的观点。一般分为机械法、物理法和化学法等。 1.2.1机械法机械法就是指用机械力将大块固体破碎成所需粒径的加工方法。机械法制备纳米粉通常用研磨、冲击、气流、液流、超声作为加工手段。按机械力的不同可分为机械冲击式粉碎法、气流粉碎法、球磨法和超声波粉碎法等。但目前用于制备金属纳米粉末的主要采用球磨法和超声波粉碎法。球磨法是制备金属纳米粉末最常用的方法，其制备机理是在中低应变速率下，塑性变形由滑移及孪生产生。而在高应变速率下，产生剪切带，由高密度错网构成。超声波粉碎法用于制备脆性金属材料比较有效，它是将几十微米的细粉装入盛有有机溶液的不锈钢容器里，通入几十个大气压的惰性气体，以一定功率和频率的超声波进行粉碎得到。1.2.2物理法物理法是指在粉末的制备过程中不发生化学变化,通过高压、高热的方式使块状材料蒸发形成细微颗粒的气态粒子，冷凝在收集器上而得到纳米粉末。使用该法可以制备高纯纳米金属粉末。（1）低压气体中蒸发法低压气体中蒸发法是在低压的惰性气体(如氩气、氮气)中加热金属，使其蒸发后形成纳米粉末，加热源一般有以下几种，电阻加热、等离子喷射加热、高频感应加热、电子束加热、激光和辉光等。电阻加热蒸发法是比较传统的方法，适用于熔点不太高的金属，目前有人采用石墨电阻加热器，在661753313Pa的氩气中蒸发了Al、Mg、Zn、Fe、Ni、Ca等金属，可以得到10nm左右的金属粉末。等离子喷射加热法根据不同工艺方法可以又分为熔融蒸发法、粉末蒸发法和活性等离子弧蒸发法。运用粉末蒸发法可以制备几乎所有的金属纳米粉末。现在有人用活性等离子弧蒸发法制备了粒径在880nm范围内变化的高纯TiN纳米粉末。清华大学的王加龙等人用直流等离子法，采用2540m的Zn粉作为原料制备了粒径小于50nm的ZnO粉末。激光加热法是由日本人提出的，该法是将连续的高能量密度激光通过窗户照射到金属样品上使其蒸发来制备纳米粉末，在0.5487kPa的He、Ar、X气氛中，用100W的激光束，就可以制得金属氧化物的纳米粉末。（2）溅射法溅射法是用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两极间充入氩气，在一定的电压下，两极间的辉光放电形成氩离子，在电场作用下氩离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成纳米粒子。用这种方法可以制备多种纳米金属，而且可以通过加大被溅射的阴极表面来提高纳米微粒的获得量，缺点就是投资比较大。（3）雾化法雾化法分为普通雾化法和快速凝固雾化法，前者主要用于传统工业中生产一些普通铁钢粉，而采用快速凝固工艺是由金属熔体直接雾化获得金属粉末来制备金属纳米粉末，尤其适用于不锈钢纳米粉末的制备。该制备方法分为三个阶段：首先将金属熔融成为液态，然后使液态金属在雾化室里雾化分散为微小的液滴，再将液滴迅速冷凝形成固体粉末。1.2.3化学法化学法是指在粉末的制备过程中要发生化学变化，一般是通过氧化还原、水解等方式获得纳米粉末。使用该方法可制备出高纯纳米金属粉末，但粉末收集难度较大。应用于制备纳米金属粉末的化学法很多，对常用的作简单的介绍。（1）溶胶凝胶法溶胶凝胶法是20世纪60年代发展起来的一种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺，近年来许多人用来制备纳米粉末。其基本原理是将金属醇盐或无机盐在一定条件下控制水解，不产生沉淀而形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到金属纳米粉末。该法的优点是化学均匀性好、纯度高、粉末细、可容纳不溶性组分或不沉淀组分。缺点是粉末之间的烧结性差、干燥时收缩大。（2）激光诱导化学气相沉积（LICVD）LICVD制备金属纳米粉末是近几年来兴起来的一种制备金属纳米粉方法。以激光为加热热源，诱发气相反应来合成纳米粉末，主要用于合成一些用常规办法难以获得的化合物纳米粉末,如：SiC,等，但也可以用来制备单质金属粉末，如银粉和铜粉等。激光制备纳米粉的基本原理是利用反应气体分子(或光敏剂分子)对特定波长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解(紫外光解或红外光子光解)、激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应，在一定工艺条件下(激光功率密度、反应池压力反应气体配比和流速、反应温度等)，获得纳米粉末，该制备方法具有清洁表面、粒子大小可精确控制、无粘结，粒度分布均匀等优点，并容易制备出粒径几纳米至几十微米的非晶态或晶态粉末，缺点是制备成本高，产率低。（3）水热法（高温水解法）水热法是指在高温高压下，在水(水溶液)或水蒸汽等流体中进行有关化学反应来达到制备纳米粉末的方法。用该方法制备的超细粉末已经达到几个纳米的水平。根据反应类型的不同可以分为水解氧化、水热沉淀、水热合成、水热还原、水热分解、水热结晶。该法工艺简单，易于控制且纯度高、粒度细，近年来备受关注。目前用此法制备纳米粉末的实际例子很多，有报道说,用碱式碳酸镍及氢氧化镍水热还原工艺，可以成功的制备出最小粒径30nm的镍粉。（4）液相化学还原法液相化学还原法是制备金属纳米粉的常用方法，它主要通过液相氧化还原反应来制备金属纳米材料。该法具有制粉成本低、设备要求不高、工艺参数容易控制等优点，易于实现工业化大生产。第1.3节纳米粉体制备及应用国内外现状1.3.1纳米粉体制备及应用的国内现状我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目37。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其中，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学、中国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、中国科技大学、中国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学、东北大学、西安交通大学、天津大学。青岛化工学院、华东师范大学、华东理工大学、浙江大学、中科院大连化学物理研究所、长春应用化学研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也相继开展了纳米材料的基础研究和应用研究。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。另外陕西太和科技有限公司与美国高博资产控股集团正式签约，双方就纳米粉体项目展开技术、资金和管理上的全面合作。美国高博集团将首批注入3000万元人民币，用于两条纳米粉体生产线的建设。该项目2006年6月份建成投产，年产值可达10亿元人民币，成为全球最大的纳米粉体工程生产基地。金属纳米粉体可以分为纯金属纳米粉体和金属氧化物纳米粉体。纳米氧化钛、纳米氧化铁、纳米氧化锌在国内已经形成产业化。主要的生产厂家有江苏泰兴纳米材料厂、深圳成殷高新技术有限公司、舟山明日纳米材料有限公司、河北茂源化工有限公司、上东正元纳米材料工程有限公司、石家庄华泰纳米材料公司、江苏五菱常泰纳米材料有限公司；浙江省上虞市正奇化工有限公司、尊业纳米材料科技有限公等很多的厂家。而纯金属纳米粉体国内的生长厂家就有尊业纳米材料有限公司、长春铁鑫金属材料有限责任公司、四平市高斯达纳米材料设备有限公司。而长春铁鑫金属材料有限公司的设备是从高斯达纳米材料设备有限公司购进。1.3.2纳米粉体制备及应用的国外现状当今世界纳米技术研发最强劲的国家分别为美国、日本和德国。1997年美国国防部把纳米技术提高到战略研究高度,1998年推出国家纳米技术主导权计划(NINI),并成立全国领导机构。2000年美国政府发表关于纳米技术报告,标题为“面对第二次产业革命”，将纳米科技提高到二次产业革命的高度,使世界震惊。日本接受了信息时代落后于美国的教训,早在上世纪80年代就投资纳米技术,其投入不低于美国,并于2000年以后分别成立了全国研究机构,将纳米技术列为重点研究项目,以望重整昔日辉煌。德国把纳米技术作为21世纪科研创新的领域争取世界领先地位。法国投资10亿法郎建立微纳米发展中心。英国在机械、光学、电子学等领域选取了8个纳米技术项目进行研发。纳米科技已经成为世界科技的潮流与新经济的希望，身为世界科技龙头的美国于2001年制定了“国家纳米技术创新计划”，并投资4.97亿美元，2002年美国政府将“国家纳米技术创新计划”实施机构改为政府的一个部门，且继续投资5.19亿美元用于纳米科技的发展8。美国总统布什提出2003年“国家纳米技术创新计划”预算书，投资金额再创新高，达到6.79亿美元，投资分布于各部门的情况，如表1.1所示。从预算书来看，美国的纳米科技的投资主要还是在基础科研部分，国家科学基金会就占了2.21亿美元。优先发展的课题有：发展有效的纳米产业；生化放射、易爆物质的侦测与防护；新一代工业劳工的教育与训练；纳米科技产业革命的劳资关系与政策。美国纳米科技的投入不断加大，是对纳米技术未来发展的潜力和影响力的高度认识、正确判断与选择，为美国在本世纪前几十年社会经济的快速发展奠定了基础。由于美国积极发展纳米科技，让欧洲各国深感压力，2000年12月18日欧美高峰会谈，加强欧美科技合作是其议题，而纳米科技为双方共同认定的重点发展科技。欧盟发展纳米科技主要是通过“欧盟研发基金会”的第五、第六框架来加快发展的。“第五框架专案”计划从1998年至2002年，投资金额高达149.6亿欧元（约128亿美金）。第五框架专案的目的是发展自己的纳米科技，并且重点是发展纳米生物科技、纳米电子元件等项目。欧盟为了加强与美国的竞争，成立“国际协会”并结合独联体的科技力量，重点发展纳米科技。2001年2月21日“欧盟研发基金会”于“第六框架”计划中，决定2002年至2006年投资纳米科技的经费为13亿欧元。欧盟通过第五、第六框架确定了纳米科技发展目标。资金上加大投入，技术上联合俄罗斯逐步地壮大自己的纳米科技研发力量，以达到和美国抗衡的地步。日本发展纳米科技的时间，几乎与纳米发展史同步，并已经取得了良好的成绩。日本第一个超微细粒子的五年研究计划是在1981年由尖端技术探索研究计划启动的，1992年日本又启动了与纳米技术相关的“原子与分子终极利用技术计划”，从2001年起实施了为期7年的“纳米材料工程”计划，预计每年的计划投资额为50亿日元。日本政府资助纳米科技主要通过“通产省”、“科技厅”、“文部省”3个机构。其中“科技厅”和“文部省”主要资助各大学与国立研究所的纳米科技发展计划。日本政府很早成立“科学促进会”，10年预算中就有4.5亿美元用于纳米科技研究。最近日本又加快了发展纳米科技的步伐，2002年日本政府用于纳米科技的研究经费达到了2.6亿美元，建立了“纳米材料中心”，该中心集中了数百位专家进行纳米材料的开发应用研究，并与企业和大学合作推广应用。美国科学技术委员会曾对美、日、欧三方的纳米技术进行比较,得出:美国在合成技术、化学技术、生物技术和信息技术等方面有优势；日本在电子元器件、设备装置开发、微纳米复合材料及其强化材料的制备及微加工技术等方面有优势；欧洲在纳米材料弥散、材料设计与生物工程结合的程序编制及尖端设备的制造等方面有优势。WTE对日本、美国、欧洲在金、银、青铜三种纳米材料上比较也得出相似结论。日本在纳米半导体和纳米复合材料及纳米强化材料上有极大的优势,在微粒弥散、稳定性及涂层等方面低于欧美。总体来说,日本在基础研究上占有优势。第1.4节本文研究的主要内容根据国内外的研究现状，纳米材料的研制多以非金属和金属氧化物纳米粉为主，而对于纯金属纳米粉国内外形成产业化的企业屈指可数。并且都停留在实验阶段，产量大一点的也只有班产0.5-1.0公斤。国内电弧法制备金属纳米粉现产业化生产具有一定规模，四平市高斯达纳米材料设备有限公司镍纳米粉为例，班产量已达到近3公斤，而新一代产品班产量有望将达到57公斤。从技术发展趋势分析，金属纳米粉制取设备将向着节能、高产量、粉体粒度尺寸可控、粒度分布范围更窄及粒度范围可分选的方向发展，拥有这样的技术和设备，就将在金属纳米材料领域占据主导地位。本文的主要就是研制一套蒸发冷凝法（电弧加热）制备纳米粉体的试验装置。电弧法制备金属纳米设备中，金属母材在反应过程中对单位电量的吸收率小，通过研究、改进反应室内的电极、母材放置装置以及室内结构，提高吸收率，从而提高金属纳米粉的单班生产率，同时进一步完善电弧法纯金属纳米粉生产设备的冷却装置。第二章电弧法制备金属纳米粉研究金属纳米粉的制备涉及到物理、化学、材料等学科的交叉。制备方法也是多种多样，最熟悉的应该是机械球磨法，工艺简单，设备投资比较小，且能大量生产，可以制备一些常规方法难已获得的高熔点金属，但分级太难，而且制备的纳米粉末的表面和界面容易污染。通过氧化还原反应、水解等方式可以获得高纯度的纳米金属粉末，但是这种方法也面临着收集较难的问题。电弧法制备金属纳米粉是在密闭的惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成纳米粉末。由于电弧理论比较成熟，改变电流，电极直径，惰性气体气氛，几乎可以制备所有的金属纳米粉。且该方法产生的粉末颗粒直径分布窄，无污染，便于收集。第2.1节电弧电弧法制备金属纳米粉的原理是在低压的惰性气体中加热金属，使其气化，然后结晶形成纳米颗粒。加热源就是电弧，电弧温度高（最高达到50000K），产生容易（工业用电直接降压，整流），且易于控制。2.1.1电弧物理两个电极相对放置，串连一个电阻，再接一个适当的直流电源，两个电极接触一下，然后再拉开，在两个电极之间就产生了电弧（Electric Arc）。通常把接电源正极的一端叫阳极（Anode），接于负极的叫阴极（Cathode）。阴极和阳极之间的部分一般称为弧柱（Arc Cloumn）或电弧等离子体（ArcPlasma）。电弧是通过两电极之间的气体所产生的强力的自持放电现象，具有电压低,电流大,温度高,发光强等特性。要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件：两电极之间有带电粒子；两电极之间有电场。气体放电分非自持放电和自持放电两种。非自持放电气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子(如加热，施加一定能量的光子。自持放电当电流大于一定值时，一旦放电开始，气体导电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子。辉光放电和电弧放电都是自持放电。在普通状态下，大气中也存在一些阴离子、阳离子和电子等。所以把一对电极正对着放在大气中，当加上直流电压V时，离子和电子会很快流向两电极形成回路电流I，I值将随外加电压作递增（非线性）。当电压增大到一定值时，电流很快达到饱和状态，只要再没有其它离子和电子的发生源，则无论怎样增大电压，电流却不再增大，但是实际上，电流还要增大，这是因为加于电极空间的高电场，使离子和电子受到加速，这些高速粒子撞击中性气体粒子将使之电离而产生出一对新的电子和阳离子的缘故。当再进一步提高电压上述新产生的电子和阳离子又会通过碰撞产生别的电子和离子。因此回路中的电流会迅速增大，最终会发生突然增大，这就是电弧放电、辉光放电。对金属导体导电，I=U/R,电流与电压之间满足线性关系，这是因为金属中有大量可以自由移动的带电粒子(电子)，增大电压，电子增多，电流就增大。对气体导电，气体中不含带电粒子(正离子、负离子、电子)，电弧中带电粒子，主要是由两电极空间的气体电离,电极的电子发射来产生。由于气体有最低电离电压、电极有最小逸出功，所以电流与电压之间为非线性关系。2.1.2弧柱中的气体电离电离是在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程。中性气体粒子失去第一个电子所需的最小外加能量称为第一电离能，失去第二个电子所需的能量称为第二电离能，依此类推。电离能通常以电子伏(eV)为单位。1电子伏是指1个电子通过电位差为1伏的两点间所需做的功，其数值为。为了便于计算，常把以电子伏为单位的能量转换为数值上相等的电离电压来表示。气体电离电压的高低说明了该种气体产生带电粒子的难易。例如H的电离电位是13.53I，He是24.46 I，Fe是7.83 I。电弧中的气体粒子电离现象主要是一次电离，当电弧空间同时存在电离电压不同的几种气体时，在外加能量的作用下，电离电压低的气体粒子将先电离；如果这种气体供应充足，则电弧空间的带电粒子将主要由该种气体产生。电离主要有三种形式，热电离、场电离和光电离。气体导电中，热电离是主要的（在弧柱区和两极区），这是因为在弧柱区的电场强度约为10V/cm；阴极区和阳极区为10e510e7V/cm，场电离是次要的，主要发生在阴极区和阳极区，光电离再次之。（1）热电离热电离是气体粒子受热的作用，发生非弹性碰撞而产生电离的过程。单位体积内电离的粒子数与气体电离前粒子总数的比值称为电离度，用X表示，具体计算我们可以从下面的公式中导出。式中：X为电离度；P气压；T温度；e电子电量；u气体电离电压；K玻尔兹曼常数。电弧中带电粒子数的多少对电弧的稳定起着重要作用。当气体为混合气体时，电离电压u应采用混合气体电离电压，理论和实际都证明，混合气体电离电压主要取决于电离电压低的气体，即使该种气体只占较小的比例。电弧弧柱温度一般在500030000K范围，因此,热电离是弧柱部分产生带电粒子最主要的途径。电弧中的多原子气体由于热的作用将分解成原子，这种现象称为热解离。热解离是吸热反应。因此热解离影响着带电粒子的产生，还影响着电弧的电和热性能。（2）电场作用下的电离两电极间电场作用下，气体中的带电粒子被加速，电能将转换为带电粒子的动能。当带电粒子的动能增加到一定数值时，则可能与中性粒子发生非弹性碰撞而使之产生电离。电场作用下的电离主要是电子与中性粒子的碰撞产生。这是由于电子自由行程比离子大4倍左右，因此获能多，速度大。电子与中性粒子碰撞，几乎可以把其全部能量传递给中性粒子。电场作用下的电离只有在阴极压降区和阳极压降区才显著，弧柱部分由于电场强度小，电子在平均的自由行程下所获得的动能小，因此在弧柱区热电离是主要形式。（3）光电离中性气体粒子受到光辐射的作用而产生的电离过程称为光电离。电弧的光辐射只能对K、Na、Ca、Al等金属蒸气直接引起光电离，而对电弧气氛中的其它气体则不能直接引起光电离.因此，光电离只是电弧中产生带电粒子的一种次要途径。2.1.3电极的电子发射电弧气氛中的带电粒子一方面由电离产生，另一方面则由电极电子发射获得，两者都是电弧产生和维持不可缺少的必要条件。在放电电弧中，电极只能发射电子，不能发射离子，从阴极和阳极都可发射电子，但只有阴极发射的电子才参与导电过程。因为阴极发射的电子在电场的加速下碰撞电弧导电空间的中性气体粒子而使之电离，这样就使阴极电子发射充当了维持电弧导电的“原电子之源”。因此，阴极电子发射在电弧导电过程中起着特别重要的作用。阴极中的自由电子受到一定的外加能量作用时，从阴极表面逸出的过程称为电子发射。1个电子从金属表面逸出所需要的最低外加能量称为逸出功(W)，单位是电子伏。因电子电量为常数e，故通常用逸出电压(U)来表示，UW/e，单位为V。逸出功的大小受电极材料种类及表面状态的影响。表2-1几种金属及其氧化物的逸出功表2-1是几种金属及其氧化物逸出功的对比。由表可见，金属与其氧化物相比，其氧化物的逸出功低，因此，当金属表面存在氧化物时逸出功都会减小。电子发射的主要类型有热发射、场致发射、光发射、粒子碰撞发射。阴极表面因受热的作用而使其内部的自由电子热运动速度加大，动能增加，一部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称为热发射。热发射必须满足以下条件：式中：电子动能 e 电子电量 u 逸出电压当电子动能大于等于电子逸出功的时候，热发射产生，发射电子带走能量而对金属表面产生冷却作用。场致发射是电极表面的电子受外电场的库仑力的作用而产生的电子发射现象，外电场的作用相当于降低了电子的逸出功。当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到一定程度而逸出阴极表面的现象称为光发射。粒子碰撞发射是指电弧中高速运动的粒子(主要是正离子)碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象。2.1.4电弧的物理特性电弧的物理特性对于我们进行设定电弧的电流、电压以及控制弧柱的温度都是很重要的。电弧的主要应用都是以电弧产生热量为基础的，对弧柱部分作深入的研究可以更好的应用电弧。（1）电弧的温度及电位分布电弧温度就是电弧中气体粒子做不规则运动的平均动能。弧柱中存在着电子、阳离子、中性分子、中性原子等各种粒子，因此它们可以具有不同的温度。可是，大气中的电弧，这些粒子之间几乎没有温度的差。Johnson.R.C，Tawde.N.R曾发表的文章中提到，对于氢气中的钨或碳极电弧，氢产生的巴子耳末系线光谱因发光源氢原子热运动引起的多普勒效应并没有集中于一处，利用这一特点，以光谱法测定线光谱的扩张，来决定弧柱的温度，其测定结果是49006300K。又L.S.奥恩斯坦等，测定了大气中碳极电弧产生CN带状光谱带中的相对强度分布，再把它与玻尔兹曼分布律相对照，确定出弧柱温度值为6500K。光谱遵循玻尔兹曼分布律标志着弧柱处于热平衡状态。根据现在的测定结果，弧柱的温度主要分布在300050000K。电弧各部分的温度分布受电弧产热特性的影响，电弧组成的三个区域产热特性不同，温度分布也有较大区别。电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较，电弧轴向分布，阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。原因是电极受材料沸点的限制，加热温度一般不能超过其沸点，而弧柱中的气体或金属蒸气不受这一限制，且气体介质的导热特性也不如金属电极的导热性好，热量不易散失，故有较高的温度。电弧径向分布，电弧径向温度分布弧柱轴线温度最高，沿径向由中心至周围温度逐渐降低。电弧的阴极前端温度与阳极近弧处的温度有差别，差别是因为阳极只靠导热和热辐射损失进行冷却，而阴极还要受相当于电子功函数热损失的影响。另外阳极温度取决于通过电弧的电流。图2-1是沿弧长的电位分布情况，在电极和弧柱的边界有陡的电压压降。一般来说，对于任何一种现象，在边界发生不同于其它部分的现象都是理所当然的。就像弧柱达到几千至几万的高温，而阴极和阳极的温度却处于比本身材料的熔点（或者沸点）还要低一些。因此，在这些边界区就发生了和弧柱不同的其它特殊现象，其结果产生了阴极压降和阳极压降。电子在阴极压降区具有较大的电压降，而弧柱中部则具有很小的电位降。电子在阴极压位降区受到加速而获得很大动能，该动能使电子在碰撞时电离中性原子，形成的阳离子向相反方向加速撞击阴极从而使阴极得到能量维持热辐射。阳极受到被电场加速的电子的强烈加热，从阳极蒸发出来的原子可以进入等离子体并在其中电离图2-1电弧电压分布图（2）电弧的静特性电弧的静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时，稳态的电流与电弧电压之间的变化关系，表示这两者关系的曲线叫电弧静特性曲线。图2-2是电弧的静特性曲线图，主要由三个区域组成，分别是下降特性区（负阻特性区）、平特性区、上升特性区。三个特性区的特点是由电弧自身性质所确定的，主要和电弧自身形态、所处环境、电弧产热与散热平衡有关。在小电流区，电弧电压随电流的增大而减小，呈现负阻特性。原因是电流较小时，电弧热量较低，其间粒子的电离度低，电弧的导电性较差，需要较高的电场来推动电荷运动；在电弧极区，由于电极温度较低，极区的电子提供能力较差，不能实现大量的热电子发射，会形成较强的极区电场，这样在小电流时表现出电弧有较高的电压值。当电流增加时，弧柱温度增加，电弧中的粒子电离度增加，电弧的导电性增强，电极温度提高，阴极发射电子能力增强，VC值降低，阳极蒸发量增加，VA值降低，两极区电场相对减弱；对于弧柱区，在小电流时，如果电流增大4倍，假定电流密度（电流/弧柱截面积）一定，即弧柱直径增大2倍，弧柱向周边区的热量损失增大2倍，而弧柱的产热量（电流VP）却是增大4倍，这时电弧电压仍然维持不变，那么产热量就超过了热损失量，而电弧自身性质具有保持热量动态平衡的能力，实际上电弧的产图2-2电弧的静态特性曲线热量没有增加4倍，弧柱压降VP不会维持原来的值不变，而是自动降低。从而使VP表现出负阻特性。综上原因，作为电弧电压的整体，Va（等于VA+VC+VP）表现出显著的负阻特性。当电流稍大时，电弧等离子体气流增强，除电弧表面积增加造成散热损失增加之外，等离子气流的流动对电弧产生附加的冷却作用，因此在一定区间内电弧电压自动维持一定的数值，保证产热量和散热量的平衡，在电弧静特性曲线上出现一定区间内的平特性特征。在大电流区，电弧中的等离子体气流更为强烈，而由于电弧自身磁场的作用，电弧截面积不能随电流的增加而同步增加，电弧的导电率减小，要保证较大的电流，需要有更高的极间电场强度来驱动，因此在大电流区间，电弧电压随电流的增加而增加，呈现上升特性。图2-3不同弧长的电弧静态特性曲线不同的电极材料、气体介质或电弧长度，对电弧静特性均有影响。图2-3是不同弧长的电弧静态曲线对比图，当其他条件不变的情况下，电弧长度增加，电弧电压升高，静特性曲线上升。当电流一定时，电弧电压与弧长成正比。另外，周围气体介质压力越大，冷却越强，曲线上升。（3）电弧的动特性当电弧电流以很快速度变化时，电弧电压瞬时值和电流瞬时值之间的关系称为电弧的动特性。表示这两者关系的曲线称电弧动特性曲线。图2-4是电弧的动特性图，图中abcd曲线为电弧静特性曲线，当电弧电流迅速从Ia增加到Id时，由于电弧温度有热惯性，它达不到相应电流时稳定状态的温度，为了要维持电弧燃烧，电弧电压就必须比静特性时高，于是沿着abd曲线变化，当电弧电流从Id迅速减到Ia时，亦因热惯性，电弧空间温度来不及下降，对应于每一瞬间电弧电流的电弧电压也将低于静特性曲线，而沿ab2c2d变化。图中ab1c1d和ab2c2d曲线即为电弧的动特性曲线。图2-4电弧的动特性曲线第2.2节电弧的应用我们生活中应用最广泛的就是焊接了，电弧是所有电弧焊方法的能源。到目前为止，电弧焊之所以能在焊接方法中占据主要地位，一个重要的原因就是电弧能有效而简便地把弧焊电源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。另外还有利用电弧等离子体来制备金属纳米粉、短电弧切削技术、电弧检测系统、电弧喷涂、电弧离子镀膜、电弧传感器、电弧喷射推力器和冷电弧杀灭微生物等等。短电弧切削技术是指在一定比例带压力水气混合物介质的作用下，利用两个电极之间产生的短电弧放电来蚀除金属或非金属导电材料的一种切削方法。包括短电弧切削工作电压、工作电流、工作介质混合比、工件线速度、工件材料、工具电极线速度、工具电极材料七大要素。电弧弓网检测系统作为一种非接触的先进的检测系统，在铁路技术发达的国家，如日本、意大利等国早就开始注意到这一点了。早在1984年，日本就有人提出了以硅光电二极管作为探测器检测离线电火花的检测系统。后来日本清水政利等人对光学法离线检测装置的开发做了大量的研究。意大利Pisa大学有人在90年代就开始对离线电弧进行研究，并开发了一套基于光电传感器的离线检测系统。另外，意大利V.Galdi，L.lppolito等人研究了交流铁路系统产生的离线电弧对机车电流和牵引动力的影响关系。虽然在电弧检测方面有许多研究者作了大量的研究，但时至今日，还没有出现一套完善的电弧检测系统。与检测车设备相比，电弧检测系统为非接触检测；成本低且安装方便，可以安装在机车窗口或机车顶部，不需要附加设备；可以实现对电弓与接触网间的接触状态进行实时监控，而不影响铁路系统的正常运行。第2.3节电弧制取金属纳米粉体电弧法制备金属纳米粉体属于低压气体中蒸发金属法的一种，它的加热源是电弧。一般的加热源采用电阻加热、高频感应加热、电子束加热、激光加热和辉光加热等。电阻加热蒸发法是比较传统的方法，适用于熔点不太高的金属；激光加热法是将连续的高能量密度CO2激光通过窗口照射到金属样品上使其蒸发而制备纳米粉末，一般用来制备氧化物纳米粉末；电弧法制备金属纳米粉，成本低、制备效率高，以Ni纳米粉为例，单班产量可达到2.0Kg，纯度高达99.99%。2.3.1电弧法制备金属纳米粉体的原理电弧法制备金属纳米粉的原理是先将整个设备抽真空，充氩气，用电弧弧柱部分作为加热源，将金属物料溶化、蒸发、气化、结晶成为纳米结构颗粒，然后再经冷却器冷凝、收集。电弧加热金属物料和电弧焊有很多相似，图2-5是电弧焊原理图，图2-6是反应室内电弧燃烧的照片。图2-6电弧是在惰性气体的氛围中生成，电弧的阳极为金属母材，蒸发阳极；而电弧焊蒸发阴极。生产金属纳米粉的原料称为母材，作为阳极，金属钨杆作为阴极，阴极接通直流电源，阳极接通电源正极，同时电源正极接地（把导线接设备外壳），通过升降电机把阴极钨杆调整到合适位置，离金属母材约为5mm时，接通电源，电源开启，移动电极接触金属母材，迅速拉开，电弧产生，弧柱稳定后，金属母材在电弧高温的作用下，开始熔化并蒸图2-5电弧焊原理图图 2-6反应室内电弧燃烧照片发，形成金属烟气。风机启动带动金属烟气进入管道，经冷却器冷却，成为金属纳米粉，落入分选装置中。待整个金属块反应完成，打开收集仓和分选仓的阀门，金属纳米粉进入到收集仓，在充有氩气的收集仓内包装成袋状制品。2.3.2金属纳米粉成核机理电弧法制备金属纳米粉的关键技术就是金属纳米粉的成核过程。采用直流电弧制备金属纳米粉时，在电极和母材之间具有高能量密度的电弧等离子体（就是弧柱部分）。利用等离子体的高温使金属母材熔化、蒸发，当母材蒸气与周围的惰性气体相遇后，相互之间的碰撞使得这些蒸气原子迅速失去自身能量，这样形成陡降的温度场使蒸气原子局域过饱和，导致均匀成核。这些混合离子就会以某种方式组合成各种相对稳定的结构，形成乳纳米颗粒或纳米线。通过改变反应室的气氛、阳极以及阴极材料可以得到不同的纳米颗粒。采用电弧放电制备纳米微粒的时候，纳米粒子的形成必须经历金属原子蒸发、气相粒子成核、晶核长大、凝聚等一系列基本过程。其中金属原子蒸发是发生在熔融态的阳电极上，其他的过程均在有惰性气体的空间中完成。气相粒子成核关键在于是否能在均匀气相中自发成核，因为粒子均处于空间中，没有可以提供结晶中心的杂质粒子存在。在气相成核情况下，有两种成核方式，直接从气态中析出固相核或者首先生成液滴核，再从液滴核中析出固核相。这两种成核方式区别在于第二种情况有更多的时间达到能量最低的状态，从而减少表面能。经过粒子成核过程所获得的固态核尺寸仅为团簇或者几个纳米大小，在空间中，固态核密度非常高，通过无规则运动相互碰撞，凝聚生长形成大颗粒粒子。粒子之间的碰撞速度对最终形成的纳米微粒尺寸有很大的影响。碰撞次数越多，纳米粒子尺寸就越大。在其它条件不变的情况下，气体气压越大，纳米粉体的粒径越大。这是因为气体气压越大，单位空间内的分子数越多，初生粒子受到的碰撞也就越多，在生长区停留时间长，导致获得的纳米粒子粒径变大。颗粒直径与原子质量、蒸气浓度、颗粒形成数目以及颗粒密度都有关系。为了控制颗粒尺寸，必须控制蒸气浓度和颗粒形成的数目。蒸气浓度和颗粒形成数目除与原材料有关外，还与气体分压、电弧的电流和电压大小、电极与母材的距离相关，可以通过这些参数的控制来调节颗粒大小。由于电弧法制备的纳米颗粒形成速度比真空蒸发法大几倍到几十倍，更适合工业化生产。气体的大量蒸发是电弧法合成速度快的原因，但是大量颗粒的形成也会促使颗粒长大，用电弧法合成的颗粒粒径大多集中在3080nm，但也有少量分布在80150nm。第三章真空系统的设计第3.1节实验装置的整体结构设计本文在蒸发冷凝法中的几种加热方法中选择了电弧法制备，这种方法比较简单。根据蒸发冷凝法制备纳米粉体的基本原理，本章研制了一套真空炉的实验装置，用于制备纳米粉体的制备，实验装置的示意图如图3-1所示。整个实验装置是由真空系统、真空容器、加热装置、粉体的收集装置等几个部分组成。各个部分的作用如下：（1）真空系统真空系统给真空容器提供了一个真空度，这样就有效的防止原料的氧化，而且可以在很大程度上降低了原料的熔点，使其在低于常压下熔点的时候就能够溶化蒸发，这降低了加热难度，也降低了对容器难热性的要求。它的设计主要是真空泵的选择。（2）真空容器真空容器的作用主要是提供一个场所。原料的溶化蒸发都在真空容器中进行，这就要求真空容器需要承受一定的外压，并且具有一定的难热性，这就要求我们要合理选择制备容器的金属材料。另外，真空容器的设计还要考虑到保温性、密封性、观察窗及室门的设计。（3）加热装置主要通过电阻加热给原料的溶化蒸发提供热量。它的设计主要包括电阻的选择，结构的设计以及可调性的设计。（4）粉体收集装置收集装置的作用是保障粉体的快速冷却，有效抑制纳米颗粒的生长。它的设计主要体现在冷却系统，但也要考虑到粉体的便于采集性。第3.2节真空系统的设计由于纳米粉体具有极高的表面活性，在空气中极易被氧化，因此整个纳米的制备都必须在高真空（含氧的真空度pa）环境下进行。同时，在高真空条件下，金属的熔点降低，也有利于将其溶化蒸发。真空炉的真空系统通常由获得真空的容器（真空炉）和真空获得设备（真空机组）、控制真空和测量真空的组件设备组成。3.2.1真空获得设备真空机组及其选用（1）真空泵随着真空技术的发展，真空泵技术发展十分迅速。真空泵的类型不断增加，技术性能指标得到提高，如体积相对减小、噪声降低，极限真空度提高，抽速范围变宽等。目前采用的真空泵可获得从一Pa范围的真空度。各种真空泵有不同的压力范围，常用几种泵的压力范围见图32所示。几种常用泵的最大抽速范围见图33示。图32泵的压力范围图33 几种泵的抽速范围S(以最大抽速表示)（2）真空机组的选取真空设备专业厂为真空电炉等设备提供真空成套装置，它除了提供全套真空获得设备外，有的还附带测量和控制真空仪表等可直接联于炉体上。国内的真空机组种类很多，均系JK系列，现将北京仪器厂和兰州真空设备厂生产的机组简图和技术指标简介如下。图34和表34是北京仪器厂真空机组和主要技术性能。 JK系列真空机组(一)图3-4 JK系列真空机组（二）表3-1真空机组技术性能由于国内生产真空机组的厂家比较多，并且技术成熟，所以本设计装置选用表中的JK150机组。在使用时，先抽空系统真空至极限压力，然后充入惰性气体，再抽至极限压力，如此循环两次以上，系统中含氧的真空度可小于 Pa。3.2.2真空容器的设计真空容器是该制粉设备的核心，是原料受加热蒸发产生纳米粉体的地方，对生成室的设计包括材料的选择、壁厚计算、生成室结构确定以及其上观察窗的设计。（1）生成室材料选择由于生成室内产生纳米粉体，而且纳米粉体的比表面积大，表面活性高，极易与其它气体发生反应，因此除充入惰性气体外，必须保证室内的真空度才能确保所制纳米粉体的纯度，这首先对生成室的材料提出了如下要求：有足够的机械强度和刚度来保证壳体的承压能力。气密性好。要保持一个完好的真空环境，器壁材料不应存在多孔结构、裂纹或形成渗漏的其它缺陷。有较低的渗透速率和出气速率。在工作温度和烘烤温度下的饱和蒸气压要足够低(对超高真空系统来说尤其重要)。化学稳定性好。不易氧化和腐蚀，不与真空系统中的工作介质及工艺过程中的放气发生化学反应。热稳定性好。在系统的工作温度(高温与低温)范围内，保持良好的真空性能和机械性能。在工作真空度及工作温度下，真空容器内部器件应保持良好的工作性能，满足作业工艺的要求。有较好机械加工性能及焊接性能。真空系统材料的选择标准可以从相关书籍中获得，当然除了生成室壳体外，真空系统的材料选择还包括观察窗玻璃、绝缘套及弹性密封垫片等。表32中包括了一些真空材料的使用真空度，可供选择。钢材是真空系统的常用材料，又分为低碳钢及不锈钢。常用的低碳钢有08，10，20号钢。这些材料都有良好的机械性能，焊接性能，但是表面常常形成腐蚀层，吸气较多。只能做中低真空室的壳体。管道及法兰，对于本真空设备，显然不合适。而与之对应的不锈钢则优点更突出。不锈钢1Cr18Ni9Ti是一种奥氏体合金结构，具有优良的可悍性、表32常用材料的真空度钎焊性，化学性能稳定，无磁抗晶间腐蚀，优良的低温性能及出气量小的特点，一直都是真空系统的首选材料。特别是用来制作超高真空系统的壳体、管道、法兰及螺钉、螺母等。用其做的真空室，真空度可达Pa的极高真空，工作温度可达-2601000，同时1Cr18Ni9Ti可以用各种电焊方法进行焊接，其中以氩弧焊效果最好，切削性好，冷加工也有较高塑性，我们设计的壳体有观察窗，下有收集器，侧有真空泵接口，即许多处焊接，故首选材料为不锈钢1Cr18Ni9Ti。（2）真空室真空炉壳的设计要点如下a. 大部分真空炉炉壳采用圆筒状双层水冷结构。这种炉壳结构，强度高，易加工，焊缝少，节省材料。特殊情况，也有作成方形或长方形炉壳以及锥形炉壳的。此外还有盒形壳体、球形壳体、椭圆球形壳体和环形壳体炉壳，但应用很少。本装置就采用圆筒状双层水冷结构。b. 为防让加热不均匀引起变形和保护密封圈，炉壳采用水冷，水冷炉壳结构通常采用双层炉壳中间遇冷却水冷却，也有的采用在内壳外焊上水冷套，或焊上蛇形管。冷却水从下面流入、从上面流出。出水温度一般以不高于50为宣，炉壳内壁设计温度一般不高于150。c. 炉壳结构应考虑装配容易，各零部件加工便于操作，维修和检漏。d. 炉壳上应尽量少开孔或不开孔，以减少真空室泄漏的环节；e. 炉壳的底和盖的结构取决于炉壳的直径与形状。炉壳直径大的炉子，炉盖上开一个装出炉的小炉门，便于操作和减少热量损失。当圆筒炉壳内径大于800M时，应采用碟形或椭圆形封头结构。直径较小时可用平炉盖。对于较大的乎炉盖，为了保证其足够的强度和刚度，需焊上加强筋板。f. 炉壳钢板的厚度通过计算确定，也可利用经验图表、曲线进行设计，并参考现有真空炉炉壳进行校验。在设计时不仅考虑一个大气压力的作用，也要考虑到冷却水套内水压的影响，一般的安全水压为200一300kPa即可。炉壳结构的设计水冷却套结构简单，冷却效果好，造价低。冷却水入口处设置在炉壳的下部，出口处设置在炉壳上部，而且没有死角存在，以免造成气塞。由以上的特点可知，炉壳应设有水冷装置，其示意图如35所示图35 水冷却套炉壳水冷却套尺寸的确定a. 炉壳水冷却套尺寸的确定表33水冷却套尺寸（毫米）DS b4001000110032004；6；8；106；8；10；12；14；16；20203040炉壳水冷却套结构如下图36所示：根据表33我们取D=400mm，S=8mm，b=20mmb. 圆筒形壳体壁厚计算由于壳体内部真空度较高为Pa，故圆简状壳体可认为只承受外压，因此可按稳定条件计算，有下式式中壳体圆筒计算壁厚 (mm)圆筒内径 (mm)P外压设计压力(hGa) (MPa)壳体圆筒计算长度 (mm)查资料可得各种碳钢及合金钢在不同温度下的E值壳体圆筒的实际壁厚应为：S=+C式中 S壳体圆筒实际壁厚 (mm) 壳体圆筒计算壁厚 (mm) C壁厚附加量 (mm)其中壁厚的附加量可按下式确定式中 C 壁厚的附加量 (mm) 钢板的最大负公差附加量 (mm) 腐蚀裕度 (mm) 封头冲压时的拉伸余量 (mm)当然，计算上述公式计算壳体壁厚，除了要满足材料的泊桑系数u0.3(实际上全部金属材料均可满足)外，还必须满足以下两项条件方可应用；对的选择依据是：介质对材料的腐蚀速度大于0.05mm/年时，其腐蚀速度依据腐蚀速度与设计的使用寿命来确定，当介质对材料速度0.05 mm/年时，单面腐蚀取1mm，双目则取1.2mm。在一般情况下，取计算厚度的10%并不大于4mm，对于圆筒等未经冲压的元件，可取=0.查表依次取值=1.8x9.8x1000MPa则=4.3mm按条件取=0.5mm， =1mm， =0则S=+ C=5.8mm将壁厚取整，即壁厚为6mm，但我们为了安全起见将壁厚取8mm。当然，对于薄壳真空容器壁厚，也可按薄壳设计理论对其进行验证，此处用此方法对计算结果验证，薄壳也即厚度大小小于其曲率半径的容器，其应符合的强度条件是式中 S 壳体壁厚容器内径对于一般真空炉室，用碳钢和低合金钢作炉壳时，其壁厚不得小于3mm；采用不锈钢时，其壁厚不得小于2mm。在本系统中，取炉壳壁厚=8mm，则容器内径=384mm，符合薄壳设计理论。故取8mm完全符合条件。（3）通气嘴在本系统中，还需要一个通气嘴向真空室内通入惰性气体和反应气体。通气嘴与真空炉之间用密封槽和密封圈密封，确保真空室不漏气。一般而言，将通气嘴安装在反应室内坩埚的水平上方10mm，这样可以保证通入的反应气体能够尽快与坩埚内熔池附近的金属蒸气相接触，而且，离加热器比较近，温度相应较高，容易在金属离子的催化作用下快速分解，给正在长大的金属原子表面包裹胶囊。我们设计的通气嘴内径为4mm，外径为10mm。（4）观察窗观察窗的设计：观察窗是真空热处理炉工作时用于观察工件受热情况，发现加热炉室中间题的观察装置，也可用来作为光学、光电高温计从窗口进行温度测量。根据炉子结构和用途不同，配置的观察窗位置和数量也不同。设计观察窗时应力求结构简单，观察高度适宜，其尺寸的大小，在满足观察视野的前提下，应尽量小些，以使其结构精巧。此外，处于高温辐射的观孔应考虑加隔热挡板结构，以保护玻璃和密封圈不经常受热。如果处理的材料有大量挥发物时(一般热处理，此况较少，真空烧结时有此现象)，为了保障正常规察，应设计装有专用刷子或旋转玻璃片等特殊结构的观察窗。对玻璃的选择：真空热处理炉上观察窗玻璃要求耐温并有一定强度。通常500以下的炉子可用普通钢化玻碗，600一1100可选用铝硅、高硅氧、石英玻璃。石英玻璃性能优良，但价格较贵，不过其软化温度在1500以上，耐高温且性能良好，故选用石英玻璃作为观察玻璃。观察窗的密封：这个装置同样要求要有严格的密封条对这些弹性材料的密封垫圈同样要求真空气密性好、弹性好，能耐一些温图37观察窗的整体结构度，饱和蒸汽压低，放弃率及渗透率小。常用的弹性材料有氯丁橡胶、异丁橡胶、丁腈橡胶、氟橡胶、硅橡胶、填充聚四氟乙烯、尼龙等。故本装置密封垫圈选用丁腈橡胶，冷阱处采用耐低温的填充聚四氟乙烯。观察窗的整体结构图如37所示。（4）真空容器的密封真空设备为了隔绝大气，保持要求的工作真空度，将各类漏气率限制在允许的范围之内它的各个部件的连接处，电源和讯号的引入端，仪表、热电偶插座、转动轴、观察窗、炉门、阀门、盖等处，都应有可靠的真空密封，选择适当的密封材料和密封结构是决定真空设备质量好坏的关键之一。真空密封通常可分为可拆密封和不可拆密封(又称永久密封，如焊接、封接)。可拆密封又分为静密封和动密封。密封材料在真空热处理炉上，软金属垫应用较少，只应用在温度较高部分的静密封，如扩散泵或增压泵放油堵处的密封，氮塑料的应用较多，但缺点是弹性较差，使用一段时间易漏气，密封材料最常用的是真空橡胶，用于真空密封的橡胶材料，除要求具有光洁表面、无划伤、无裂纹外，还要有低的出气串，挥发率和透气率，良好的耐热性、耐油性、抗老化和适宜的耐压缩变形值(小于35)及压缩松弛系数(不小于065)c根据多年使用经验和真空热处理炉要求特点。多采用丁腈橡胶产品，丁腈橡胶是耐油件和其它各种性能都较好的种密封材料，在高真空范围内广泛用于烘烤温度150以下的各类真空密封。本装置就选用的丁腈橡胶。静密封静密封是指连接件不能作相对运动的密封，在真空炉上，静密封应用得最多。大量真空管道法兰连接处、炉门、炉盖、真空测试规管、热图38 法兰密封结构图39真空规管密封电偶导人、观察窗、阀门等，均采用密封圈的静密封。本装置也是如此。例如真空管道法兰的密封结构如图38所示，真空规管密封如图39所示。动密封真空炉设备经常需要将各类运动传递到真空室中，完成加工处理的要求，传递的运动形式通常有以下几种：1)传动轴的转动；2)传动轴的往复直线运动；3)传动轴的摆动c动密封结构在真空炉上应用区也较多，如通入炉内的气缸与油缸杆，电机轴，观察孔的活动挡板小轴，阀门的手柄及其它需往复，旋转或摆动的机构均需动密封结构。本装置主要是电极和冷阱棒用动密封。最常用的动密封结构是传递平动和转动的O型密封圈的填料盒式密封。传递转动应用最广的密封形式是威尔逊密封，威尔逊密封可用于直径15mm到70mm以上的大轴，威尔逊密封常采用双道密封圈密封，密封圈间抽空或注入真空润滑油脂，以改善真空密封性能。本装置就是采用双道O型密封圈密封。3.2.3真空测量系统（1）真空计用于测量真空度的仪器叫做真空规或真空计。按真空度刻度方法两类 (1)绝对真空计：直接读取气体压力，其压力响应(刻度)可通过自身几何尺寸计算出来或由测力确定。绝对真空计对所有气体都是准确的且与气体种类无关，属于绝对真空计的有U型镑压力计、压缩式真空计和热辐射真空计等。 (2)相对真空计：由一些气体压力有函数关系的量来确定压力，不能通过简单的计算进刻度，必须进行校准才能刻度。相对真空计一般由作为传感器的真空计规管(或规头)和用于控制、指示的测量器组成。读数与气体种类有关。相对真空计的种类很多，如热传导真空计和电离真空计等。（2）真空计的选择压力测量中，除极少数直接测量外，绝大多数是间接测量。就是先在被测气体中引起一定的物理现象，然后再测量这一过程中与压力有关的物理量，进而设法确定压力值。这是真空测量的特点，亦会造成某些问题。任何具体物理现象与压力的关系，都是在某一压力范围内才最显著，超出这个范围，关系变得弱了。因此，任何方法都有其一定的测量范围，这个范围就是真空计的“量程”。尽可能扩展每一种方法的量程，是真空科学研究的重要内容之一。近代真空技术所涉及到的压力范围宽达19个数级(10510-14pa)，没有任何一种真空计能测量如此宽的压力范围，因此总是用几种真空计分别管辖一定的区域。但由于各种真空计在原理上的差异在相互衔接的区域，往往要造成较大的误差。表34一些真空计的压力测量范围真空计名称测量范围(Pa)真空计名称测量范围(Pa)水银U型管10510高真空电离真空计10-110-5油U型管1041高压力电离真空计10210-4光干涉油微压计110-2B-A计10-110-8压缩式真空计(一般型)10-110-3宽量程电离真空计1010-8压缩式真空计(特殊型)10-110-5放射性电离真空计10510-1弹性变形真空计105102冷阴极磁放电真空计110-5薄膜真空计10510-2磁控管型电离真空计10-210-11振膜真空计10510-2热辐射真空计10-110-5热传导真空计(一般型)10210-1分压力真空计10-110-14热传导真空计(对流型)10510-1 由上观之，为改善真空计性能及提高真空测量准确度，必须突出主要现象，抑制寄生现象。表34给出一些真空计的压力测量范围。从上表可知，在低真空时，我们选择可选择热传导真空计(对流型)，它的测量范围是10510-1 Pa，在高真空时，我们选择高压力电离真空计，它的测量范围是10210-4 Pa。第3.3节真空系统设计中的注意点(1)真空元件，如阀门、捕集器、除尘器和真空泵等相互联接时，应尽量作到抽气管路短，管道流导大，导管直径一般不小于泵口直径，这是系统设计的一条重要原则。但同时要考虑到安装和检修方便。有时为了防振和减少噪音，允许机械泵设置在靠近真空室的泵房内。 (2)机械泵(包括罗茨泵)有振动，要防止振动波及整个系统，通常用软管减振。软管有金属和非金属的两种，不论采用那种软管要保证在大气压力作用下不被压瘪。 (3)真空系统建成后，应便于测量和检漏。生产实际告诉我们，真空系统在工作过程中，经常容易出现漏气而影响生产。为了迅速找到漏孔，要进行分段检漏，因此每一个用阀门封闭的区间，至少要有一个测量点，以便测量和检漏。 (4)真空系统中配置的阀门和管道，应使系统抽气时间短，使用方便，安全可靠。一般在有一个蒸气流泵作为主泵(扩散泵或油增压泵)；和一个机械泵作为前级泵的系统上，除了有前级管道(蒸气流泵串联机械泵的管道)外，还应有一个预真空管道(真空室直通机械泵的管道)。其次是在真空室和主泵之间设有高真空阀门(也称主阀)，在前级管道上设有前级管道阀(也叫低真空阀)；在预真空管道上设置预真空管道阀(称低真空阀)。主泵上的高真空阀门，通常不能在阀盖下为真空状态，而阀盖上为大气压状态下开阀，这要通过电气联锁保证安全。前级管道阀和预真空管道阀要考虑到阀本身能在大气压下开阀。以蒸气流泵为主泵的真空系统，主阀要盖向主泵，前级管道阀也要盖向主泵，预真空管道阀盖向真空室。在机械泵入口管道上，应设一个放气阀门。当机械泵停止工作时，能立即打开此阀，使机械泵入口通入大气，防止机械泵油返流到管路中，因此该阀要和机械泵电气联锁。真空室上也要设置放气阀门，给装料和取料时用。该阀设置的位置要考虑到放气时，气体冲力较大，防止因冲力过大而破坏真空室内的薄弱构件。放气阀的大小与真空室的体积有关，要考虑放气时间不能太长，影响工作。 (5)真空系统的设计应保证排气稳定可靠，安装拆卸维修容易，操作方便，各元件间的连接有互换性。为了达到工作中排气稳定，要求主泵性能稳定，各阀门运转灵活，密封可靠，系统中各元件的接头不漏气，真空室密封性能好，备真空元件连接采用标准尺寸，保证有互换性。在真空系统设计中，原则上讲，每一个封闭管路尺寸应有一个可调尺寸。这个可调尺寸在过去设计中，都采用软管来解决，现在设计系统时，多数不采用软管。而采用提高真空元件加工尺寸精度和利用连接法兰上的密封橡胶圈来解决安装误差，这样可以提高系统强度和刚度，减少用于系统上的支架，更加美观。 (6)真空系统设计中要采用新技术，做到自动控制和联锁保护。随着真空技术的发展，要求在整个抽气过程中能够进行自动操作，如采用真空继电器控制罗茨泵在1333Pa压强下启动工作。采用水压继电器控制蒸气流泵的水压在某一个压力上，当水压不足或断水时，能够立即断电并发出警报。防止泵被烧坏。对于复杂真空系统和工艺过程及参数要求严格的设备应采用微机程序控制，更加安全可靠。 (7)真空系统设计中要求做到节省能源，降低成本，使用方便可靠。做到这一点有很大的经济意义，它可使所设计的真空应用设备有广泛的市场销路。第3.4节真空管路真空管路是连接真空泵与真空泵、泵与真空室之间气体流通的通道，与普通的水管路、气管路不同，要求管路尽可能短而粗，径直不弯曲，如需弯曲，其角度也应尽可能大，以免增大管阻，影响气体流通。真空管路分为直管路和弯管路，后者又分为直角管路和钝角管路。一般采用碳钢制成，而在本装置中采用不锈钢制作。第3.5节真空材料真空容器是粉体生产系统中进行生成或试验的唯一场所。真空容器一般后壳体、封头、门、冷却水套、法兰、观察窗及管道等组成。有圆筒形、方筒形、圆锥形等型式，大多为焊接结构。其中以圆筒型、方箱型较多。它除应保证工艺过程的正常进行外，还需有足够的刚度和强度，良好的密封性能和尽量少的放气源，易除气，热稳定性和化学稳定性好。真空系统中所用的材料大致可分为两大类：a) 结构材料：是构成真空系统主要的材料，它将真空系统与大气隔开，承受着大气压力；这类材料有金属和非金属材料，包括可拆连接处的密封圈材料。b) 密封材料：是作为真空系统某些零件连接处或系统漏气处的辅助密封用的物质，主要有真空泥、脂、蜡等合理选择材料，确保真空系统密封性能和减少放气源，是获得和保持真空至关重要的任务。而了解真空材料的性质和特点则是合理选择材料的前提条件。第3.6节本章小结据本设计试验所要求的真空度，密封状况及生成物体所需的环境条件，我们可以选出最终需要的设备和零件。泵组最终选择JK150泵组；壳体选择不锈钢；门和壳体及观察窗等处的密封圈垫片选择丁腈橡胶；第四章加热装置的设计第4.1节电弧加热原理两个电极间在一定电压下由气态带电粒子，如电子或离子，维持导电的现象。激发试样产生光谱。电弧放电主要发射原子谱线，是发射光谱分心常用的激发光源。通常分为直流电弧放电和交流电弧放电两种。气体放电中最强烈的一种自持放电。当电源提供较大功率的电能时，若极间电压不高（约几十伏），两极间气体或金属蒸气中可持续通过较强的电流（几安至几十安），并发出强烈的光辉，产生高温（几千至上万度），这就是电弧放电。电弧是一种常见的热等离子体。电弧放电最显著的外观特征是明亮的弧光柱和电极斑点。电弧的重要特点是电流增大时,极间电压下降,弧柱电位梯度也低，每厘米长电弧电压降通常不过几百伏，有时在1伏以下。弧柱的电流密度很高,每平方厘米可达几千安，极斑上的电流密度更高。电弧放电可分为 3个区域：阴极区、弧柱和阳极区。其导电的机理是：阴极依靠场致电子发射和热电子发射效应发射电子；弧柱依靠其中粒子热运动相互碰撞产生自由电子及正离子，呈现导电性，这种电离过程称为热电离；阳极起收集电子等作用，对电弧过程影响常较小。在弧柱中，与热电离作用相反，电子与正离子会因复合而成为中性粒子或扩散到弧柱外，这一现象称为去电离。在稳定电弧放电中，电离速度与去电离速度相同，形成电离平衡。电弧通常可分为长弧和短弧两类。长弧中弧柱起重要作用。短弧长度在几毫米以下，阴极区和阳极区起主要作用。根据电弧所处的介质不同又分为气中电弧和真空电弧两种。液体(油或水)中的电弧实际在气泡中放电，也属于气中电弧。真空电弧实际是在稀薄的电极材料蒸气中放电。这二种电弧的特性有较大差别。电弧是一束高温电离气体，在外力作用下，如气流，外界磁场甚至电弧本身产生的磁场作用下会迅速移动（每秒可达几百米），拉长、卷曲形成十分复杂的形状。电弧在电极上的孳生点也会快速移动或跳动。本装置的电弧放电是采用最简单的方法，即把两个电极接触后再拉开，只要回路电流可以产生足够的热量使电极间气体电离，就可以建立电弧放电。当电极接触后，会立刻产生极大的电流，从而产生大量的热量，使材料在瞬间开始蒸发。第4.2节水冷电极水冷电极是将电能引入炉内电热原件上的导电装置，设计水冷电极是设计试验装置加热室结构的重要一环。水冷电极根据炉子类型，其结构形式有多种，常用的有固定式水冷电极和可调式水冷电极。4.2.1水冷电极的设计要点（1）水冷电极与炉室内电热元件相连，通过炉壳时要保证良好的密封，通常用真空橡胶圈或聚四氟乙烯密封圈密封。通水的目的是为了防止温度过高，烧坏密封圈。（2）电极与炉壳应有良好的绝缘性能，两者之间通常用玻璃纤维板、云母、夹布胶木或聚四氟乙烯等材料的套圈隔开。（3）电极要有足够大的断面积，通常用紫铜制造，再有冷水的情况下，电流密度允许10-18A/。（4）电极与电热原件以及电极与电源应接触良好，并有足够大的接触面积，拆装方便。（5）电极的热损失要尽量小。4.2.2 加热阴极的设计在本文中，为了提高电弧的工作电流及减少电极的损失，采用了正极性的接线方式，即加热电极为阴极，而原料和坩埚为阳极，加热电极的寿命是能否保证装置连续工作的关键。因此，必须选择合适的阴极材料并合理的设计阴极结构。阴极材料必须满足：能在高温条件下稳定工作，具有高的熔点；具有较大的电子发射能力，材料的电子逸出功较小；导热能力较强，可以使阴极斑点处的热量很快处；具有可加工性，价格低廉；综合考虑上述要求我们选择金属W作为阴极材料。钨的熔点为3410，沸点为5660，耐高温性强，而且具有较强的发射电子能力。热阴极的表面温度很高，为了防止电极过热，延长阴极寿命，必须对其冷却，但冷却必须适当，既不能过热超过它的熔点，也不能过冷，否则降低了阴极的电子发射，并引起弧点过度收缩，比热流量增大，导致局部烧损。为此我们设计了41所示的水冷铜杆，末端安装棒状钨极，铜导杆通过带自锁的齿轮齿条结构可以实现上下移动以调节电弧的长度和位置，其工作原理将在下面的章节中介绍。在引弧过程中，阴极下降，接触到阳极后，要快速升离。1.钨棒 2.密封及绝缘装置部分 3.电机调节装置 4.阴极 5.电缆夹6.出水管 7.进水管图41 水冷阴极结构图4.2.3加热阳极的设计与加热阴极相配套的是石墨坩埚阳极，设计如图42所示，具有凹形熔池的石墨坩埚安装在水冷铜棒上，冷却部分和加热阴极的结构有些相似，从而保证原材料在长时间反应过程中不会损坏铜棒。1.输入轴 2.冷却水出水口 3. 冷却水进水口 4.密封及绝缘部分5.阳极 6.石墨坩埚由于本装置要求要连续的生产纳米粉体，故设计成阳极能够转动，下面用步进电机带动，石墨坩埚上面有四个凹形熔池，把材料分别放入四个熔池中，通过观察孔观察，当一个熔池里的材料用完后，就让步进电机带动阳极转90，让下一个熔池里的材料继续反应.本装置所用的本步进电机步进角为 7.5度 . 一圈 360 度 , 需要 48 个脉冲完成，但是坩埚每次只转90度，所以用PLC编程，当坩埚内的材料反应完时，按一次按钮，就给步进电机12个脉冲，以便实现连续的反应！4.2.4引弧装置的简介引弧装置如图42所示，在引弧初期，阴极和阳极接触后要快速提起，在两极之间便形成电弧，齿轮齿条传动装置行程大、启动快，能满足这一要求。但在系统抽成真空后，容器内为负压，在大气压的作用下，阴极自动往下运动，并且形成电弧后，随着阳极金属熔池的变化和阴极前端钨棒的损耗，需要两极间的距离即电弧的高度进行细微的调整，以便维持稳定的电弧。而齿轮齿条装置调节范围大，并且不能自锁，无法满足这一要求。为此，需要增加一套更精密的调节结构，一方面要能阻止阴极的自动下滑，将电弧长度固定在某一高度，另一方面还要能够随时对电弧长度进行细微的调整，以维持电弧的稳定燃烧。根据这一要求，在本调节中增加了一套螺母丝杠调节结构。1.阴极 2.齿轮齿条装置 3.调节手柄 4.固定支架 5.旋转平台 7.螺母图42 引弧装置引弧时，先将螺母往上旋，留出足够的行程以保证阴极能够与阳极接触上，然后操作人员用齿轮齿条装置引弧，引弧成功并稳定燃烧后，快速将螺母旋下以锁定其位置。在电弧燃烧的过程中，透过观察窗查看电弧的燃烧稳定状况，可通过螺母丝杠装置随时对电弧的高度进行细微的调整。第4.3节本章小结本章设计了直流电弧法制备纳米粉体的加热装置，主要介绍了电弧加热电极结构，由于电弧加热温度较高所以我们采用了水冷电极，并且将水冷阴极作为可移动的引弧电极，由于是连续的制备，阳极做成了可旋转的电极。第五章粉体的生成与收集第5.1节粉体获得装置设置冷阱的主要目的是为了纳米的聚集与形成，整个装置同样需要考虑真空系统的密封性，并且设计成可移动装置。5.1.1冷阱装置蒸发出来的金属蒸汽在超冷低温下急速冷却，可以迅速成核，使晶体结晶不充分，避免晶粒的长大，这样可以保证纳米粉体的均匀性。冷阱材料选择不锈钢圆筒型。其内容加入液氮可得到-196的超低温度，非常适合本试验的要求，使纳米蒸汽迅速聚集为粉体，冷阱具有机械阻挡、表面吸附、吸留和低温冷凝等多种捕集效应，其装置如下图5-1所示。1.刮刀 2.支架 3.齿轮齿条装置 4.液氮 5.冷阱图51 冷阱装置简图冷阱与真空处的密封圈采用填充聚四氟乙烯而刮刀则是固定的，因此要使冷阱能够上下移动。齿轮齿条一般行程较短，但在设置导向杆的条件下非常适宜进行上下运动。移动速度不能太快，防止产生震动。故在此我们选用结构简单易于操作的齿轮齿条传动机构。在金属冷阱边上钎焊齿条，然后用一个生起的平台作支撑，将齿轮装入其空中，前后用轴承支撑，外边用步进电机带动上下运动，这样可实现冷阱连续的上下运动。为了便于操作，我们选m=1，z=21，d=23，的齿轮为了能使刮刀能够顺利刮到金属冷阱边底，我们将与齿轮相对应的齿条的长度选定在180mm。此外，在使用本套冷阱装置时还应注意，在加入冷凝剂之前，应将容器抽到高真空并使容器室内有足够低的压强。当室内水蒸气被充分排除后再加入冷凝剂，否则会影响冷凝的效果。在冷阱工作过程中，由于冷凝剂不断挥发，使无冷凝剂的表现温度升高，原来被冷却的蒸发分子就有可能重新释放出来，因此必须保持一定数量的冷凝剂置于冷阱中。5.1.2刮刀此设计的刮刀选用聚四氟乙烯材料，聚四氟乙烯熟成“塑料王”，具有良好的耐热性及绝缘性能。工作温度高达300，故可用在需加热除气的场合，是目前用于高真空系统的一种较佳塑料，常温下呈白色，没有热塑性，弹性也很小。第5.2节收集室收集室的功能主要是将冷阱上挂下来的奈米粉末（落在过滤网上的）在氩气的保护下密封包装取出，供长期保存或使用，它的结构示意图如图5-2所示。收集室的入口和反应室的下出口处镶嵌一个矩形的玻璃口，透过这段玻璃口，我们可以观察纳米尾气中纳米颗粒相互碰撞、团簇；另一方面透过这个玻璃观察孔我们可以更好地收集生成的纳米微粒。收集过程是纳米粉体制备的最后阶段，是非常重要且关键的环节。由于纳米微粒表面活性高，在空气中极易发生氧化而改变其化学成分，有些材料的纳米粉体甚至会发生自燃。因此要求合成的纳米粉体在包裹、取出以及稍后的贮藏过程中始终还要处于真空或保护气环境下。图52 收集室示意图收集室总体结构采用方形，左侧开门以供收集袋的装入，收集袋采用进口长绒纤维织布，已有实验表明由长绒及松软厚实的织布所构成的收集袋能有效吸附纳米粉体，防止其被气流透过而被真空抽出。收集袋镶在一个比较大的螺母上，然后整体拧在收集室上方的螺纹上，这样可以方便地拿取。在收集室正面开有一个联通小孔通过旋阀与手套外侧的密封空间相连，保证手套两边气压平衡。为了使纳米粉体在完全隔绝外界气体而在保护气的气氛下完成由收集袋装入收集瓶并且密封这一系列动作，收集室主体前向特别设计成手套箱结构。在收集室正前方开两个比手腕大的操作口，向内密封压装一付塑料手套，在手套外侧，又用封闭门将室体密封，由手套与密封门之间形成空腔，有一带有旋阀的管道把此空腔与收集室相连。工作期间，首先打开旋阀，关闭好封闭门，设备抽真空及充气制粉。手套空腔内的压力始终与收集室内的压力保持平衡，以防止手套受压爆裂，制粉过程结束后，关闭真空系统，继续向生成室及收集室充保护气氩气，直至内部压力略高于外部大气压，此时，打开两操作口的封闭口，抽气孔有氩气外流可有效阻止外部空气进入收集室。当关闭旋阀后，操作者即可将手插入塑料手套内，完成收集、瓶装、包装等工作，最后打开收集室端部大门，将包装好的粉体瓶取出。第5.3节其它系统5.3.1气路保护直流电弧制粉设备的保护氦气系统主要是反应室及收集室充气气路，是为了避免生成物直接与空气接触。设备对真空度的要求并不高，抽真空的目的主要是排除内部的空气，避免对粉体的氧化污染，保持粉体成分的纯净。由于工作中连续不断大量充入保护氦气，相比之下，设备内的残余气体及表面放气就显得微乎其微了，因此没有必要要求设备达到很高的真空度。制粉时，整个反应系统的真空保持动态平衡。5.3.2过滤膜当装置开始工作时，反应生成的纳米颗粒在真空泵不断抽取之下，以较快速度向真空泵流去，为了截取纳米粉体，必须设计一个过滤膜，此膜可以将纳米颗粒过滤掉，而让气体抽走，好的过滤膜可以高效截取纳米颗粒。与其它分离方法相比它分离装置简单，能耗低、分离效率高，可在高温下操作，因而特别适合热敏性物质的分离，对于难分离物质有其独特的特点。过滤膜的材料分为有机和无机两种。有机高分子膜是目前工业中应用的主要膜材料。无机膜虽有不可塑性、易破损及成型困难等弱点。但它具有耐高温、耐磨、耐腐蚀及稳定性好等有点，是有机膜分子膜无法比拟的。经过查资料，我们选用二乙酸纤维所制的超滤膜。这种滤膜截留颗粒直径为0.0010.00um。超滤膜一般分离的是分子量大于500的大分子量分子和胶体。这种溶液的渗透压很小，操作压力较小，一般为0.1MPa0.5MPa。第5.4节本章小结本章主要介绍了纳米粉体的形成和收集工作。纳米蒸汽在反应室生成之后，在氦气气流的带动下来到收集室，碰到冷阱低温冷却生成纳米粉体。然后在我们待定的真空收集室里进行收集。然后，考虑一些小的环节，如真空管路的过滤膜，防止生成的粉体被吸入真空泵。第六章结论与展望电弧法，主要用于金属、合金以及化合物纳米粉体制备，制备的产品通常作为高催化剂、助燃剂、导电材料、活化烧结添加剂、高性能磁记录材料、磁流体等，广泛应用在军事、航空航天、粉末冶金、石油加工、电子、机械、超硬金属材料工具、环保及特种工程等领域。电弧法金属纳米粉制取设备在国内处于领先，达到国际先进水平。本为设计了一套电弧加热法制备纳米粉体的试验装置。电弧法制备纳米粉体的工作原理是：在一定压力的惰性气氛或反应气氛中，将金属等材料作为电弧的电极，使其在高温电弧等离子体的作用下被溶化、蒸发、纳米蒸汽遇到周围的气体就会被冷却或发生反应形成超微粉。在以上原理的指导下，设计了用电弧法制备纳米粉体的试验装置，试验装置主要包括加热系统，真空系统，生成室，收集室，观察窗等各种必要的设备。各部分作用及特点如下：（1）所设计的生成室包括对其结构的确定，观察窗的定位，壳体材料的选择，壳体壁厚的计算等，力求在保证其功能实现前提下使总体结构更加紧凑。（2）在明确了真空系统参数及本装置对真空系统的要求以后，通过多真空泵组的比较而确定了一套既满足要求有符合经济性的真空系统。（3）加热装置采用电弧加热方式，电弧加热具有很高的稳度，用其加热材料可以在不同的气氛环境中制取各种各样的超微粉。在惰性气体中，几乎可以制取任何金属的超微粉。本装置采用了水冷阳极及阴极以便电极的散热。水冷阴极采用可移动式以便引弧，而且设计了加紧固定装置，使其在正常工作阶段便于定位。（4）冷阱的设置是为了使金属蒸汽在真空条件下急速冷却，快速成核并保证纳米尺度。（5）收集装置中特别设计成手套箱结构，可以方便容易地收集纳米粉体，且作为收集器的收集袋用长绒纤维织布有实验表明它比其它类型的收集袋更能有效地吸附纳米粉体，且收集袋口与收集室口采用螺母联结，这样既避免气流及粉体的泄露，同时取粉时也易于拆卸。参考文献1 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The precursors SnCl4 and SbCl5 were injected into the plasma flame in the vapor phase. ATO powder could conveniently be synthesized without any other post-treatment in this study. To control the doping amount of antimony in the ATO particles, the Sb/Sn molar ratio was used as an operating variable. To study the effect of carrier gas on the particle size, argon and oxygen gases were used. The results of XRD and TGA show that all Sb ions penetrated the SnO2 lattice to substitute Sn ions. With the increased SbCl5 concentration in source material, the Sb doping level was also increased. The size of the particles synthesized using the argon carrier gas was much smaller than that of the particles prepared using the oxygen carrier gas. For the argon gas, PSA results and SEM images reveal that the average particle size was 19 nm. However, for the oxygen gas, the average particle size was 31 nm.1. IntroductionSnO2 is a typical wide band gap semiconductor and its conductivity is generally realized by non-stoichiometry associated with oxygen vacancies in the SnO2 lattice . However, the content of oxygen vacancies in SnO2 istypically difficult to control. Tin oxide doped with Sb, Mo, and F has been studied in the past due to the unique properties of the doped tin oxide such as preferable conductivity and transparency in visible light wavelength range . In particular, Sb is considered the best dopant due to its stability. Antimony-doped tin oxide (ATO) is an n-type semiconductor with electrons in the tin 5-based conduction band provided by the antimony dopant . The conductivity and transparency can be controlled by varying the amount of Sb dopant instead of by manipulating the non-stoichiometry.ATO has been studied in the past to measure its properties of the inherent electrochromism as well as its capacity for use in charge storage and as a catalyst . At low Sb doping level, ATO has properties of transparency at the visible region with good conductivity, while reflecting infrared light. These characteristics enable ATO to be used as a transparent electrode for electrochemical devices , displays , and heat mirrors and energy storage devices . Heavily doped ATO is a good catalyst for the oxidation of phenol and olefin and the dehydrogenation and ammoxidation of alkenes .Thus far, ATO particles have been mainly synthesized by solid and liquid state reaction method, such as solid state reaction , coprecipitation , a hydrothermal method , and a solgel method . Although solid and liquid state reactions are considered suitable methods to synthesize ATO nanopowder, these approaches require a large quantity of solution and organic materials, longer processing time, heat treatment for crystallization,filtration, and drying process. To overcome these weak points, in the present work we introduce a thermal plasma process to synthesize ATO nanopowders. The thermal plasma process has unique characteristics for the preparation of nanopowders as it involves high temperature and a quenching system .In this paper, nano-sized ATO powders were synthesized by an argon plasma jet at atmospheric pressure. To control the doping amount of ATO, different Sb/Sn molar ratios were applied. The effects of the Sb dopant on the phase composition and particle size have been discussed.2. ExperimentalNano-sized ATO was synthesized using an argon plasma jet atatmospheric pressure. Precursors were tin (IV) chloride (SnCl4,99.9%, Aldrich Co.) and antimony pentachloride (SbCl5, 99%,AldrichCo.). Because SnCl4 and SbCl5 easily evaporate at room temperatureand pressure, they were injected into the plasma flame in a vaporFig. 1. Schematic diagram of DC plasma jet for synthesis of ATO nanopowders.Table 1Experimental conditions for synthesis of nano-sized powderPlasma power300A, 6.9 kWPlasma gasAr: 15 l/minPressure750 TorrDuration of experiment10 minSource materialsTin (VI) chloride (99.9%, Aldrich Co.), feed rate: 0.41 g/min (carrier gas: Ar 2 l/min) Antimony pentachloride (99%, Aldrich Co.),feed rate: 0.076 g/min (carrier gas: Ar 2 l/min)phase without additional heating. Fig. 1 shows a schematic diagram of the DC plasma system. The source material was injected into the plasma flame through a bubbler by carrier gases of Ar and O2. The carrier gas flow rate for injection of the source materials was maintained at 2 l/min. The concentration of SbCl5 in the source materialwas varied in order to control themolar ratio of SbCl5/SnCl4 from 0.27 to 1.40. The experimental conditions and operating variables are summarized in Tables 1 and 2.Synthesized powder was collected at the reaction tube wall. These phase compositions of powder was analyzed using an Xray diffractometer (DMAX 2500/Rigaku), an energy dispersive Xray spectrometer (s-4300/Hitach Co.) and transmission electron microscopy (JEM-2100F/Jeol Co.). Morphology and particle size of the synthesized powder were observed via the scanning electron microscopy (S-4300/Hitachi Co.), light scattering particle size analyzer (ELS-Z/Otsuka Co.) and the Brunauer,Emmett and Teller (ASAP ZOZO/Micromeritics Co.). The thermal properties of the obtained ATO powder were investigated using a thermogravimetric analyzer (TGASDTA 851/ Mettler Toledo Co.).3. Results and discussionFig. 2(a) shows the XRD patterns of the ATO powder synthesized from source materials of different Sb/Sn molar ratios. Doped Sb species was identified on the EDX graph, as shown in Fig. 2(b). Because all peaks agreed well with cassiterite SnO2 and the peak corresponding to Sb-related compounds was not included in the XRD patterns, it is concluded that all antimony ions were incorporated into the lattice of SnO2 to substitute for Sn ions. In addition, there was no noticeable change in the phase of SnO2.Fig. 3 presents TGA curves of the synthesized ATO5 and commercial SnO2 and Sb2O3. The ATO5 did not show the weight loss and the SnO2 curve was similar to the ATO5 curve. Metallic Sb and its oxide, such as Sb2O3, Sb2O4, and Sb2O5, are volatile at higher temperature due to their low evaporation heat and low melting point . Therefore, collected productFig. 2. XRD patterns (a) and EDX analysis (b) of the synthesized ATO powdersFig. 4 shows high-resolution TEM photographs images of pure SnO2 particle and Sb-doped particles in the synthesized ATO5. Clear lattice fringes in Fig. 4(a) reveal that well-crystallized SnO2 nanoparticles can beprepared using the thermal plasma process. Meanwhile, defects due to the Table 2Operating variables for synthesis of ATO powderSample no.ATO1ATO2ATO3ATO4ATO5ATO6ATO7ATO8SbCl5/SnCl4 molar ratio in bubbler0.27 0.520.811.081.401.401.401.40Reacting gas flow rate (O2)3 l/min 1 l/min3 l/min5 l/minType of carrier gas O2: 2 l/min Ar: 2 l/minSb dopants in the lattice of SnO2 were identified in the doped particle (Fig. 4(b). The Sb incorporated into the SnO2 lattice in two ionic states was Sb (III) and Sb (V). Sb (III) has a larger ionic radius (r = 0.76A ) and Sb (V) has a smaller ionic radius (r = 0.60A ) than Sn ion (r = 0.69A ). Hence, the. Sb (III) and Sb (V) contents can change the lattice parameter and can induce a defect in the SnO2 lattice Generally, the approximate doped state in SnO2 can be readily identified by confirming the ATO color. Sb-doped SnO2 appears blue or dark blue color as in this study, whereas pure SnO2 and antimony oxides such as Sb2O3, Sb2O4, and Sb2O5 do not show any blue color. According toFig. 3. TGA analysis of synthesized ATO5, and commercial SnO2 and Sb2O3 in pure Ar atmosphere: (a) synthesized ATO5 by thermal plasma process, (b) commercial SnO2 (99.9%, Aldrich Co.), and (c) commercial Sb2O3 (99.9%, Aldrich Co.).Nakanish et al. , as the doped level is increased, the color of ATO is changed from light to dark blue. The color of ATO according to the doping level in the present work is summarized in Table 3. As the amount of doping of ATO was increased, the color became darker. This change in the ATO color is attributed to the provision of additional electrons blow theconduction band (transition state) in SnO2 matrix by the Sb ions of doped state in the SnO2 lattice. It thus induces color due to the property of ready excitation of the additional electrons .To control the doping level, the Sb molar ratio of the source material was varied. The amount of doped Sb in ATO as a function of operating variables is summarized in Table 3. As the Sb molar ratio in the source material was increased, the amount of doped Sb in the ATO powder was increased. The results imply that the gas phase concentration of SbCl5 in the bubbler was increased as a result of increasing the SbCl5 concentration in the source material. In other words, the ionic state of Sb was increased in the plasmaflame as the gas phase SbCl5 concentration was increased.We also evaluated the effect of varying the reacting gas (O2) flow rate. Fig. 5 presents the XRD analysis results for ATO synthesized at different flow rates of the reaction gas. At a flow rate of 5 l/min, the peak intensity was relatively high-compared with that at other conditions (ATO6 and ATO7). In addition, the doped amount was slightly higher than at other Table 3Characterization of ATO synthesized by the thermal plasma processSample no. ColorEDX (Sb/Sn)XRDBETSb(atomic %)DXRD(nm)Surfacearea (m2/g)DBET(nm)ATO1 Blue3.222.632.826.3ATO2 Blue4.320.043.719.7ATO3 Dark blue8.319.139.022.1ATO4Dark blue10.6 24.333.125.7ATO5Dark blue14.9 23.949.517.6ATO6Dark blue10.8 14.677.511.8ATO7Dark blue11.6 13.081.810.6ATO8Dark blue14.814.772.812.1conditions (ATO6 and ATO7), as shown in Table 3. This may be attributed to the difference in the crystallinity between ATO8 and other conditions. Fig. 4. TEM photographs of pure SnO2 particle and Sb-doped particle in ATO5 powder synthesized by the thermal plasma process: (a) pure SnO2 particle and (b) doped SnO2 particle.Fig. 5. XRD patterns of the synthesized powders under different reacting gas flow rates (O2): (a) ATO6: reacting gas flow rate 1 l/min, (b) ATO7: reacting gas flow rate 3 l/min, and (c) ATO8: reacting gas flow rate 5 l/min.Fig. 6. SEM image and particles size distribution of ATO synthesized under different types of the carrier gas: (a) ATO5, (b) ATO8, and (c) PSA results.To study the effect of the carrier gas type on the produced particles, we used the oxygen and argon as carrier gas. Fig. 6(a) and (b) shows SEM images of ATO5 and ATO8. It is observed that the size of the particles synthesized using argon carrier gas was much smaller than that of the particles prepared using oxygen carrier gas. The particle size distribution is also analyzed by means of a light scattering particle size analyzer (PSA), as shown in Fig. 6(c). The average size of the particles is 19 nm in Ar carrier gas and 31 nm in O2 carrier gas, respectively.The average crystallite size (DXRD) and the average grain size (DBET) are summarized in Table 3. DXRD and DBET were calculated by the full-width at half-maximum using the Scherrers equation and the specific surface area . The results of the calculated particle size by XRD and BET similar to the SEM images and PSA results. Generally, in the gas phase reaction process, the particle size can be decreased by decreasing the total gaseous pressure in the system. Total gaseous pressure is dependent on the particle number density of the gas phase. This is related to the strong dependency of the mean free path of chemical species in the gas phase on the particle number density of the gas phase. The mean free path of chemical species in the reaction tube is described by the following equation .where l is the mean free path, d is the diameter of chemical species and n is the particle number density of the gas phase. As the particle number density is decreased, the mean free path of chemical species is increased; therefore, the probability of collision among the chemical species decreases.In this work, when Ar is used as a carrier gas, it also acted as a diluting gas in the reacting tube due to its inactive properties. Hence, we think that Ar decreased the particle number

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