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电爆炸金属丝制备纳米粉体的研究

毛志国  
【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。


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