一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及微纳材料制备技术领域，尤其是涉及一种电弧、毛细、籽晶法制备难容金属鉬、钨的微晶纳米材料的制取方法。
【背景技术】
[0002]纳米材料是指结晶粒度为纳米级的多晶材料，在结构上属于原子簇和宏观物体交界的过度区域，是由数目很少的原子或分子组成的聚集体。粒子具有壳层结构，其表层原子占很大的比例，并且是无序的类气体状，在粒子内部存在有序一无序结构，与晶体体相基层的完全长成有序结构不同。纳米粒子的结构特殊性使它们具有与传统固体材料不同的许多特殊性质，因而成为新材料科学领域的热门课题，将对国家发展战略产生重大影响。
[0003]现有的多晶材料的制备方法一般采用溶胶-凝胶法、沉淀法、水热法等制备，但是该制备方法均属于湿化学笵畴，需要大量的酸、碱、水，制备过程中废水会严重污染环境，且在制备过程中都存在对设备要求高、条件苛刻、工艺复杂、制备时间长、生产率不高等不足之处。且对于微晶纳米材料的制备目前仅限于基础研宄工作，在实验室小批量制备。还不足以应用于工业制造。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种电弧热熔、毛细冷凝、毛细微粒自组装、籽晶诱导结晶的技术方法制取难容金属鉬、钨微晶纳米材料。与现有的鉬、钨微晶纳米材料制备方法完全不同。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法，包括以下步骤:
1)、以难熔金属为原料，放置于坩祸内，所述坩祸内悬空设置一根碳电极棒，炭电极棒连接高压电源的正极，所述坩祸由若干块片状的晶体材料拼接组成，从坩祸外表面到内表面有若干缝隙，且坩祸的外表面接地；
2)、给碳电极通电，碳电极与坩祸之间产生高压电弧，高压电弧产生高温使得金属鉬迅速液化或升华；
3)、液化的难熔金属通过坩祸上的缝隙流行坩祸表面，同时升华后的难熔金属一部分气体在范德华力作用下进入坩祸祸体内的缝隙处产生凝聚现象到达坩祸的外表；
4)、停止对碳电极供电，坩祸冷却，当坩祸外表面温度在600?900°C时，坩祸外部缝隙处快速地长出晶体，待结晶停止生长后收集微晶；
所述的难容金属原料包括但不限于金属鋁、金属鋁鹤。
[0006]在上述技术方案中，所述若干片状的晶体材料每一块外形均不相同，拼接后的缝隙为不规则形状。
[0007]在上述技术方案中，所述晶体材料的是难容金属原料的结晶体。
[0008]在上述技术方案中，所述坩祸在结晶的过程中具有诱导功能，当坩祸为是鉬晶体材料，具有诱导Mo03结晶的功能，当坩祸是钨晶体材料，具有诱导W03结晶的功能。
[0009]在上述技术方案中，坩祸的外部设置有气流罩，气流罩包括气流罩外壁和气流罩内壁，气流罩内壁与坩祸的外表面形成密封空间，气流罩的下部设置有回收装置。
[0010]在上述技术方案中，所述气流罩与坩祸的上端设置有风机，风机正对坩祸吹风。
[0011]在上述技术方案中，坩祸内的原料升华后，一部分金属气体上升被风机的风吹向气流罩，实现对金属的回收。
[0012]本发明以金属鉬为原料，采用电弧熔炼、毛细冷凝、毛细微粒自组装、籽晶诱导结晶的方法。制备出厚度约30nm纳米的片状二维微晶。将微晶细化即得到粒径小于10nm的Mo03粉体。
[0013]在装置中加入钨、硅、氧化铝等难熔材料与鉬共熔后亦能长出微晶。作XRF分析，在微晶成分中含有所参与共熔材料的成分。即可以实现钨鉬镍等多种不同熔点的材料参与共熔后，长成多元素的化合微晶。
[0014]本发明的原理为:鉬，银白色有金属光泽的难熔金属，粉末状的鉬为黑色，熔点2620°C、沸点5560°C.室温下鉬在空气中很稳定。当温度升至600°C时迅速与氧反应生成Mo03。在500?1150°C时用氢还原Mo03可得金属鉬。
[0015]11003分子量143.94，白色透明斜方晶体，熔点795°C、沸点1155°C，易升华，不溶于水，可溶于氨水和强碱生成鉬酸盐。
[0016]电弧装置热熔温度高达3000?3700°C以上，能使固态的金属鉬或钼粉快速融化成液体经坩祸缝隙或微孔渗出到坩祸外表结晶。同时还有部分升华成气态Mo03。而气态Mo03由范德华力作用，分子通过坩祸上的缝隙或微孔亦会产生毛细凝聚现象(即蒸汽在毛细管内凝结成液体的现象)到达坩祸的外表，并在合适的温度下结晶。同时坩祸缝隙具有毛细微粒自组装功能:即缝隙毛细作用能驱动微粒聚集排列成二维材料。所以用缝隙毛细作用制备的微晶成片状，厚度小于30nm。属于二维材料。用微孔毛细作用制备的晶体成纤维状。
[0017]结晶:按溶液获得过饱和状态的方法可分为蒸发结晶和冷却结晶。结晶一般需要晶种，又叫仔晶。好比栽培菌类需要菌种一样。鉬坩祸是鉬晶体材料，具有诱导Mo03结晶的功能。钨坩祸是钨晶体材料，具有诱导W03结晶的功能。当坩祸外表温度在600?900°C时就会在上面出现可视的快速结晶现象。
[0018]综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:与传统方法相比，本发明利用能量高效集中的电弧热熔物料、耐高温且具有毛细冷凝、毛细微粒自组装结构的坩祸、且坩祸外表又具有诱导被制备物结晶的籽晶功能。本方法工艺，在整个制备过程中根本不需要用水和化工工业原料，整个过程也不会带来污染，不会产生工业污水，整个制备工艺只需要几分钟就可以完成一次，且设备结构简单，造价低廉，后期维护方便，非常适合产业化。
【附图说明】
[0019]本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中:
图1是本发明的结构示意图；
其中:1是风机，2是气流罩内壁，3是气流罩外壁，4是i甘祸，5是回收装置，6是碳电极，7是电弧机正极线。
【具体实施方式】
[0020]如图1所示，本发明的装置主要包括一个气流罩、坩祸、回收装置和碳电极，气流罩包括气流罩内壁和气流罩外壁，内壁与外壁之间为中空的，气流罩的底部连接一个回收装置，风机设置在气流罩的上方，风机的风面向气流罩吹，使得气体在气流罩内流动。i甘祸设置在气流罩外部，坩祸的外壁与气流罩的内壁之间形成封闭空间，风机的风吹向气流罩和坩祸的时候，气体不会吹到坩祸的外表面。加热装置设置在坩祸内。坩祸是由若干块坩祸片或微孔组成，坩祸片与坩祸片之间设置有缝隙。将小块原料放置于坩祸内，利用电弧产生的高温，使得原料迅速的升华或融化，升华的金属气体被风机吹向坩祸与融化液体一道进行毛细冷凝。另一部分通过气流罩内外壁的空间进入回收装置进行回收。将坩祸外表温度控制在600?900°C，坩祸外表就会快速地生长出微晶。由于微晶是只有长宽，厚度可以忽略(小于30nm)不计的二维材料，很容易破碎细化成小于10nm的粉末材料。
[0021]实施例一:
碳电极接电弧机正极，坩祸接负极，移动碳电极使坩祸与电极棒之间形成一个电弧区域，将需要制备的物料融化成液体或气体。
[0022]当将原料堆放好后，给电弧机通电，电极棒与坩祸之间会产生强大的电弧，电弧的温度高达3000?3700°C，高温使得固态的金属原料鉬或钼粉快速融化成液体经坩祸缝隙或微孔渗出到坩祸外表结晶。同时还有部分升华成气态Mo03。而气态Mo03由范德华力作用，分子通过坩祸上的缝隙或微孔亦会产生毛细凝聚现象(即蒸汽在毛细管内凝结成液体的现象)到达坩祸的外表；当坩祸外表温度升到2000°C左右时关停电弧。使坩祸冷却降温到900?600°C时，在坩祸外部缝隙或微孔处就会快速地长出晶体；同时坩祸缝隙具有毛细微粒自组装功能:即缝隙毛细作用能驱动微粒聚集排列成二维材料。所以利用缝隙毛细作用制备的微晶成片状，且厚度小于30nm。属于二维材料。用微孔毛细作用制备的晶体则成纤维状。
[0023]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【主权项】
1.一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法，其特征在于包括以下步骤: 1)、以难熔金属为原料，放置于坩祸内，所述坩祸内悬空设置一根碳电极棒，炭电极棒连接高压电源的正极，所述坩祸由若干块片状的晶体材料拼接组成，从坩祸外表面到内表面有若干缝隙，且坩祸的外表面接地； 2)、给碳电极通电，碳电极与坩祸之间产生高压电弧，高压电弧产生高温使得金属鉬迅速液化或升华； 3)、液化的难熔金属通过坩祸上的缝隙流行坩祸表面，同时升华后的难熔金属一部分气体在范德华力作用下进入坩祸祸体内的缝隙处产生凝聚现象到达坩祸的外表； 4)、停止对碳电极供电，坩祸冷却，当坩祸外表面温度在600?900°C时，坩祸外部缝隙处快速地长出晶体，待结晶停止生长后收集微晶； 所述的难容金属原料包括但不限于金属鋁、金属鋁鹤。
2.根据权利要求1所述的一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法，其特征在于所述若干片状的晶体材料每一块外形均不相同，拼接后的缝隙为不规则形状。
3.根据权利要求2所述的一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法，其特征在于所述晶体材料的是难容金属原料的结晶体。
4.根据权利要求3所述的一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法，其特征在于所述坩祸在结晶的过程中具有诱导功能，当坩祸为是鉬晶体材料，具有诱导MoO3结晶的功能，当坩祸是钨晶体材料，具有诱导WO 3结晶的功能。
5.根据权利要求1所述的一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法，其特征在于坩祸的外部设置有气流罩，气流罩包括气流罩外壁和气流罩内壁，气流罩内壁与坩祸的外表面形成密封空间，气流罩的下部设置有回收装置。
6.根据权利要求5所述的一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法，其特征在于所述气流罩与坩祸的上端设置有风机，风机正对坩祸吹风。
7.根据权利要求1或5所述的一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法，其特征在于坩祸内的原料升华后，一部分金属气体上升被风机的风吹向气流罩，实现对金属的回收。
【专利摘要】本发明公开了一种电弧、毛细、籽晶法制取难熔金属微晶纳米材料的方法，利用电弧产生的高温使得难容金属迅速升华，采用的坩埚上设置缝隙，坩埚的材料为具有诱导功能的金属晶体，使得难容金属在坩埚缝隙里结晶并渗透到坩埚的外表面，完成结晶。本发明的工作原理以及制备结构都相当简单，比传统的工艺减少了生产污染，环保简洁，具有良好的推广前景。
【IPC分类】B22F9-14, B82Y40-00
【公开号】CN104841943
【申请号】CN201510245958
【发明人】江德新
【申请人】江德新
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月15日