电爆炸金属丝制备纳米粉体的研究

论文摘要

建立了一台用于纳米粉体制备的电爆炸金属丝装置,它可以在不打开放电腔体情况下,依次电爆炸8根金属丝,提高了工作效率。为了提高能量注入速率,对电爆炸金属丝进行了电路模拟。对于具有高电导率和低升华能的金属（如铜）,采用Tucker提出的金属丝电阻率解析模型。对于钛、锌等具有反常电阻率的金属,提出了在电路模拟过程中逐点采集电阻率的方法。电路模拟结果表明,提高能量注入速率的最佳方法是:在保持电容器初始储能不变条件下,提高充电电压的同时减小储能电容。为了理解金属蒸汽形成纳米粉体的物理过程,利用马赫—曾德激光干涉方法,研究了丝爆后金属蒸汽及等离子体的演化过程。电爆丝的典型物理图像是:残余丝芯及丝表面击穿形成的等离子体位于扰动区中央,高密度的中性气体壳层位于扰动区边缘。根据钛丝在10 kPa空气中电爆炸的干涉图,计算出等离子体区的平均电子密度为1×1018 cm-3,气体壳层的平均密度为6×10-4 g/cm-3。气体壳层的膨胀速度为1.4 km/s 1.7 km/s,远超过空气中的声速而形成激波。首次观察到电爆丝中金属蒸汽喷发的“热滞后”现象,“热滞后”时间随过热系数增大而减小。观察到“欠热”模式下金属蒸汽的多次喷发现象,由此提出二次加热机制,即焦耳加热和等离子体加热。铜丝电爆炸发展过程和钛丝有明显不同,即使在“欠热”模式下,电爆铜丝仅出现一次金属蒸汽喷发。利用电爆丝法制备了氮化钛、二氧化钛、铜氧化物和氧化锌的纳米粉体,其平均直径最小值依次为16.05 nm、13.86 nm、40.70 nm、50.18 nm。研究了众多实验条件对纳米粉体尺度的影响,提出了过热系数、气压和气温是3个本质性的影响因素,并用这3个因素解释了实验结果。过热系数并不能单独决定粉体尺寸,还必须考虑气压和注入等离子体的能量导致的气体温升。在“过热”状态下,增大过热系数往往导致粉体尺寸减小;在“欠热”状态下,过热系数往往不是影响粉体尺寸的主要因素。通常升高气压将使粉体尺寸增大,增大能量注入速率可以提高过热系数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米科学技术
• 1.1.1 纳米科技的发展历程
• 1.1.2 纳米科技在中国的发展
• 1.1.3 纳米材料
• 1.1.4 纳米材料的性质
• 1.1.5 纳米材料的应用
• 1.1.6 纳米粉体的制备方法
• 1.2 电爆法的基本原理和研究现状
• 1.2.1 电爆金属丝现象及其应用的发展历程
• 1.2.2 电爆法制备纳米粉体的基本原理
• 1.2.3 国内外研究现状
• 1.2.4 存在的主要问题
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 实验装置与诊断分析方法
• 2.1 电爆金属丝制备纳米粉体实验装置
• 2.2 马赫—曾德激光干涉系统
• 2.2.1 马赫—曾德干涉仪的测量原理
• 2.2.2 脉冲激光器的选择
• 2.2.3 激光器与电爆金属丝装置之间的同步
• 2.2.4 相关的密度计算
• 2.2.5 冲击波前后参数的计算
• 2.3 纳米粉体的分析测试
• 2.3.1 X 射线衍射仪
• 2.3.2 透射电子显微镜
• 2.3.3 比表面积分析仪
• 2.4 本章小结
• 第3章 金属丝电爆炸过程的电路模拟
• 3.1 电路模型
• 3.2 金属丝的电阻模型
• 3.3 数值模拟方法
• 3.4 电路模拟结果和实验结果的比较
• 3.5 电路参数对金属丝能量注入速率的影响
• 3.5.1 外电路参数的影响
• 3.5.2 金属丝参数的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 激光干涉法研究金属丝电爆炸的发展过程
• 4.1 干涉图中移动条纹属性的确定
• 4.2 钛丝电爆炸发展过程
• 4.3 实验条件对金属丝电爆炸发展过程的影响
• 4.3.1 空气气压对钛丝电爆炸发展过程的影响
• 4.3.2 铜丝电爆炸的发展过程
• 4.4 本章小结
• 第5章 电爆炸金属丝纳米粉体制备的初步研究
• 5.1 研究思路
• 5.2 氮化钛纳米粉体的制备
• 5.2.1 充电电压对氮化钛纳米粉体制备的影响
• 5.2.2 氮气气压对氮化钛纳米粉体制备的影响
• 5.3 二氧化钛纳米粉体的制备
• 5.3.1 钛丝直径对二氧化钛纳米粉体制备的影响
• 5.3.2 空气气压对二氧化钛纳米粉体制备的影响
• 5.3.3 充电电压对二氧化钛纳米粉体制备的影响
• 5.4 铜氧化物纳米粉体的制备
• 5.4.1 充电电压对铜氧化物粉体制备的影响
• 5.4.2 空气气压对铜氧化物粉体制备的影响
• 5.4.3 能量注入速率对铜氧化物粉体制备的影响
• 5.5 氧化锌纳米粉体的初步制备
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果