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激光冲击法合成纳米金刚石的研究

2020-11-23阅读(95)

激光冲击法合成纳米金刚石的研究

论文摘要

为了提高激光冲击法合成纳米金刚石的效率,本文首次提出激光照射循环水介质中石墨颗粒合成纳米金刚石的新工艺,并对激光冲击法合成纳米金刚石的工艺和理论进行了研究。采用高分辨透射电镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪和显微激光拉曼光谱仪等手段进行分析,发现本实验条件下合成的纳米金刚石颗粒尺寸约为5nm,具有球形单晶体结构或五重孪晶结构。本课题进行了以下研究:（1）从粒度、石墨化程度以及各种原料中六方石墨和菱方石墨的相对含量方面对原料组织结构进行了详细的分析;（2）研究不同激光器对合成纳米金刚石的影响。试验中,以石墨为原料,分别采用Nd:YAG毫秒脉冲激光器、红宝石Q开关纳秒脉冲激光器和CO2连续激光器三种不同模式、不同功率密度激光器,成功地合成了纳米金刚石;（3）根据实验结果和前人的工作基础,认为功率密度≥109 W·cm-2的激光照射石墨悬浮液时,其相变机理为:在石墨颗粒表面产生高温高压高密度的碳等离子体,在随后的冷却过程中形成纳米金刚石;（4）根据透射电镜对纳米金刚石的组织结构分析结果,认为功率密度在105～106W·cm-2范围的激光照射石墨悬浮液时,不能产生等离子体,其相变机理为:石墨颗粒吸收激光能量时快速升温并达到熔融状态,激光脉冲过后,碳液滴迅速冷却,金刚石形核并长大;（4）实验研究发现,纳米金刚石粉末的热稳定性低于石墨和炭黑粉末,在相同温度下,纳米金刚石比石墨和炭黑粉末更容易氧化,因此不能用这种简单的热氧化方法来提纯纳米金刚石;（5）根据实验结果,讨论了不同石墨原料、不同激光对合成纳米金刚石的影响,认为在高功率密度(≥109 W·cm-2)激光情况下,粗颗粒石墨原料对合成纳米金刚石有利;而对功率密度在105～106W·cm-2范围,细颗粒石墨原料对合成纳米金刚石有利;（6）开展理论研究,包括激光与材料相互作用物理学、纳米金刚石颗粒尺寸限制的机制、碳的状态方程以及金刚石临界形核半径的估算等。本课题的主要创新点为:（1）首次提出激光照射循环的石墨悬浮液合成纳米金刚石的新工艺;（2）首次在较低功率密度(105～106W·cm-2)激光用石墨成功合成出纳米金刚石;（3）首次提出了低功率密度激光合成纳米金刚石的转变模型;（4）首次研究不同石墨原料对合成纳米金刚石的影响。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 引言
  • 1.2 石墨与金刚石的晶体结构
  • 1.2.1 石墨的结构与性质
  • 1.2.2 金刚石的晶体结构与性质
  • 1.3 纳米金刚石的性质与应用
  • 1.4 人造金刚石的合成发展史
  • 1.4.1 人造金刚石的合成工艺
  • 1.4.2 离散纳米金刚石颗粒的合成工艺
  • 1.4.3 当前研究面临的问题
  • 1.5 本文研究内容
  • 1.6 本论文课题的意义、来源及创新点
  • 第二章 实验中所采用的原料
  • 2.1 各种石墨原料扫描电镜分析
  • 2.2 各种石墨原料的X射线衍射分析
  • 2.2.1 各石墨原料中六方石墨和菱形石墨含量的计算
  • 2.2.2 各种原料的石墨化程度分析
  • 2.3 各种石墨原料的激光拉曼光谱分析
  • 第三章 激光冲击法合成纳米金刚石的工艺研究
  • 3.1 实验装置的设计
  • 3.2 实验所用设备及其技术参数
  • 3.3 激光冲击法合成纳米金刚石的实验流程
  • 3.4 纳米金刚石的提纯工艺研究
  • 3.4.1 热选择氧化法
  • 3.4.2 强氧化剂氧化法
  • 3.5 纳米金刚石高分辨透射电镜样品制备与分析
  • 3.5.1 纳米金刚石的分散与稳定
  • 3.5.2 各个实验的高分辨电镜观察结果
  • 3.6 纳米金刚石 X 射线小角散射粒度分析
  • 3.6.1 X 射线小角散射试样的制备与要求
  • 3.6.2 样品的 X 射线小角散射分析结果
  • 3.7 纳米金刚石显微激光拉曼光谱分析
  • 3.8 经激光作用后碳颗粒的组织结构特征
  • 第四章 激光冲击法合成纳米金刚石的相变机理
  • 9W·cm-2)脉冲激光合成金刚石的相变机理'>4.1 高功率密度(109W·cm-2)脉冲激光合成金刚石的相变机理
  • 5～106W·cm-2)脉冲激光合成金刚石的相变机理'>4.2 低功率密度(105～106W·cm-2)脉冲激光合成金刚石的相变机理
  • 4.2.1 液态碳存在的四个证据
  • 4.3 碳相图及热力学条件
  • 第五章 原料对激光合成纳米金刚石的影响
  • 9W·cm-2)脉冲激光合成金刚石的影响'>5.1 原料对高功率密度(109W·cm-2)脉冲激光合成金刚石的影响
  • 5～106W·cm-2)脉冲激光合成金刚石的影响'>5.2 原料对低功率密度(105～106W·cm-2)脉冲激光合成金刚石的影响
  • 第六章 激光冲击法合成纳米金刚石的理论研究
  • 6.1 引言
  • 6.2 激光与材料相互作用物理学
  • 6.2.1 激光对悬浮液中石墨颗粒的加热
  • 6.2.2 激光束作用下石墨颗粒的熔融
  • 6.2.3 石墨颗粒表面等离子体的产生
  • 6.2.4 激光辐照时压力产生的机制
  • 6.3 纳米金刚石颗粒尺寸限制的机制
  • 6.4 宏观尺寸凝聚相碳的状态方程
  • 6.5 考虑纳米金刚石表面增加后的状态方程
  • 6.6 纳米金刚石临界形核半径的估算
  • 第七章 结论
  • 参考文献
  • 发表论文和参加科研情况说明
  • 致谢

    • 相关论文文献

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