专利名称：等离子电弧一步法制备纳米ito粉末的方法
等离子电弧一步法制备纳米rro粉末的施
駄领域
本发明涉及一种高纯度铟锡氧化物(no)纳微末的制备方法，属于气化法制粉中的一种。 駄背景
铟锡氧化物(Indium Tin Oxides,英文縮写为ITO)纳^|^末是指90%的InA与10%的SrA 组成的氧化物材料，是一种新型的特殊功能材料、金属铟的深加工高新技术产品。ITO粉末主要用 于制备IT0耙材及IT0薄膜。IT0薄膜具有对可见^t3l率高，红外光区的反射率高，紫外光区的 吸收率高，良好的导电性，良好的基体附着,化学稳定性。IT0的J^特性使雜许多领域有着 非常广泛的应用，成为现阶段具有重要应用和研究价值的透明导电材料。通常，只有高质量的ITO 粉末才倉淛备出性能完善的ITO耙材。因此，ITO纳微末的研制是国内夕卜材料学禾辆开究的热点之
中南大学陈世柱等(N0NFERR0US METALS， 2000， 52， 88-90 )以金属铟和锡为原料，通过喷 雾燃烧法制备出纳米IT0粉末，该方法生产效率很高，适合大批量生产，制备出的粉末纯度也很 高，但需要在10"15MPa的高压下雾化，i^(寸设备的需求较高，且操作具有一定的危险性，工艺 操作复杂。Chi-Hwan等人(Materials Latters 61 (2007)1701-1703)利用溶胶-凝胶法成功制备 出粒径在16—33纳米的粉末，Nam等(Scripta Mater, 2001， 44, 2047~~2050)用共沉淀法制得纳 米级ITO粉末。溶胶-MK法及共沉淀法是常用的制备纳米ITO粉末的方法，但^)(寸于溶胶-凝胶 法来说，影响因素比较多，如溶液的浓度、温度、pH值等都会影响胶体的形成；而共沉淀法制得 的粉术颗粒粒径不均匀。Yanagisawa等(J. Am. Cer腿,Soc， 2001， 84, 251^253)以氯盐为原料采 用共沉淀法得到铟、锡的氢氧化物前驱体，然后进行反复洗涤去除氯离子，再进行水热处理，最 后进行热处理得到ITO粉体。该方法中，氯离子的去除是一大关键，如果氯离子残留会影响到ITO 耙材的烧结，然而，氯离子的去除是一个很费时的工艺过程，往往需要消耗大量的水、电力，同 时还^3t成产物的大量流失，使产品生产成本增加，并造成严重的环境污染。
CN1978323A公开了 "一种高烧结活性IT0粉的制备方法"，它是利用铟和锡的醇舰其它有机和无机盐制备出粒径为6 25纳米的高烧结活性IT0粉。虽然该方法没有直接禾佣氯化物进行 制备，但该方法中有一个工序是在反应器中于130 26(TC进行水热反应3 2 4小时，时间过长, 导致旨反应的周期过长。CN1301911C公开了 "一种氧化铟中固溶锡的ITO粉末制备方法"，它 是把硝酸铟和氯化锡混合溶液为原料，利用喷雾热分解法制备纳米ITO粉，该方法制得的粉末为 球形，但由于含有氯离子，同样会影响耙材的烧结。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种粒径尺寸小，分布均匀，比表面积高，纯 度高，工艺流程简单，可以控制合金，及偏析，实现连续给料、连续反应、连续制粉，高效制 备纳米级ITO粉末的一步气化法。
本发明的技术方案是，利用等离子电弧一步法制备纳米ITO粉末。
本发明的特征是将重量比In: Sn=9.04: l的金属In、 Sn配制成合金熔液作为反应原料，在 接通电源后将In—Sn合金通过定点定量的给料方式连续送入等离子反应室的坩埚中，所说的等离 子反应室以Ar为等离子体工作气体，具有以流动水为冷却介质的夹层水套，并通有压縮空气，其 工作电压为30 60v，工作电流为100 400A，所说的等离子反应室以坩埚中的合金原料作为正极， 在正极和等离子枪喷嘴负极之间ilil高频点燃器引燃而形成电弧，电离周围的惰性气体，形成稳 定的等离子体，原料被高温等离子体加热熔化、蒸发形成金属蒸汽，与氧气发生反应，在反应器 夹层中的流动水和压縮空气冷却作用下，形成很大的温度梯度，造成金属蒸汽中很高的过饱和区， 并从气相中自发形核、凝聚、生长成纳米ITO微粒，并沉降在收集室中；在此过程中，所说的定 点定量的给料方式，是指通过一个无极连续可调控制器，在阳极斑点区每次给以相同数量的合金， 所给的合金量的具体数值视反应室的大小及功率而定，以给的量能足以被气化为准，可实现合金 定时定量给定。在本发明中，所说的In—Sn合金中的原料In和Sn的纯度为99.99%。
同现有技斜目比，本发明有如下优点或积极效果
1、 帝幌的纳米IT0粉粒径在25 65nm之间，颗粒形貌呈均匀球形，分散性好。
2、 为了提高蒸发效率，本发明采用定点、定量的给料方式，使等离子电弧的热量利用最大化，强化了气化效果，为促使蒸汽形核和有效抑制晶核生长提供了重要^f牛，容易实mx寸粒度的控制。
3、 利用惰性气体进行f跌，使得反应室内的蒸汽纯净，第恪出的粉末纯度高，分散性好，为 制备高质量的ITO耙^^供了原料，从根本上解决了由于ITO粉末中富含氯元素，烧结法及热等 静压法制备IT0耙材的过程中出现的耙材严重开裂的问题，。
4、 本发明这种特殊的定点定量给料方式，实现了反应室内的连续反应，连续制粉，且在制备 合金(复合)粉末时，不会产生金属的鄉及偏析问题， 一步反应便可以收集至喊品ITO粉末， 为工业气化法制备纳米ITO粉Mi共了一条崭新的途径。
图1为等离子气化法制备纳米TIO粉的工艺流程图。
图2为实施例1所制备的粉末放大30万倍的透射电镜图片。从图上可以看到，该粉末为粒径 20-50纳米颗粒，且皿规则，晶形结构好，分散好。由于纳 末的小尺寸效应，表面效应使其 有团聚现象。从图上可以看出，粒子为立方结构，具有晶体几何学的特征。
图3为实施例1所制备的粉末的X射线衍射图。从图上可以看到，在20° 80°的范围出现 了5个标准衍射峰的峰位，对照PDF卡片可知，谱线均为In203晶体的衍射谱线，没有发现有Sn02 及金属Sn的谱线和其它杂波，该粉末为氧化铟固溶氧化锡的ITO粉末。图上，X射线衍射峰很尖 锐，说明TIO粉颗粒晶体形状较好，这与图3所得出的结果也是一致的。
下面用实施例对本发明做进一步说明。
具体实施例方式
实施例l
称取纯金属Inl00g， Snll.062g (重量比为In: Sn=9.04: 1)配制成合金熔液，以Ar作为等 离子体工作气体，控制电压为60V，电流为100A，以1.5g/min左右的速度将合^it入等离子体反 应室坩埚中，以合金原料作为正极，在正极和等离子枪喷嘴负极之间通过高频点燃器引燃而形成 电弧，电离周围的惰性气体，形成稳定的等离子体，原料被高温等离子体加热熔化、蒸发形成金 属蒸汽，与氧气发生反应。由于在反应器的夹层中用流动水进行冷却，并有压縮空气风冷，形成 很大的温度梯度，造成金属蒸汽中很高的过饱和区，并从气相中自发形核、凝聚、生长成纳米微粒，SA收集室。 实施例2
和实施例1基本相同，只是等离子体反应室工作电压为30V，电流为400A，给料速度为 2. 5g/min，其它情况与实施例1相同。 实施例3
和实施例1基本相同，只是等离子体反应室工作电压为40V，电流为300A，给料速度为 2. 5g/min其它情况与实施例1相同。 实施例4
和实施例1基本相同，只是等离子体反应室工作电压为50V,电流为200A，给料速度为 2. 0g/min其它情况与实施例1相同。
权利要求
1. 一种等离子电弧一步法制备纳米ITO粉末的方法，其特征是将重量比In∶Sn＝9.04∶1的金属In、Sn配制成合金熔液作为反应原料，在接通电源后将In-Sn合金通过定点定量的给料方式连续送入等离子反应室的坩埚中，所说的等离子反应室以Ar为等离子体工作气体，具有以流动水为冷却介质的夹层水套，并通有压缩空气，其工作电压为30～60v，工作电流为100～400A，所说的等离子反应室以坩埚中的合金原料作为正极，在正极和等离子枪喷嘴负极之间通过高频点燃器引燃而形成电弧，电离周围的惰性气体，形成稳定的等离子体，原料被高温等离子体加热熔化、蒸发形成金属蒸汽，与氧气发生反应，在反应器夹层中的流动水和压缩空气冷却作用下，形成很大的温度梯度，造成金属蒸汽中很高的过饱和区，并从气相中自发形核、凝聚、生长成纳米ITO微粒，并沉降在收集室中；在此过程中，所说的定点定量的给料方式，是指通过一个无极连续可调控制器，在阳极斑点区每次给以相同数量的合金，所给的合金量的具体数值视反应室的大小及功率而定，以给的量能足以被气化为准，可实现合金定时定量给定。
2、 根据权利要求1的方法，其特征是，所说的In—Sn合金中的原料In和Sn的纯度为99.99%。
全文摘要
一种等离子电弧一步法制备纳米ITO粉末的方法，其特征是将In-Sn合金通过定点定量的给料方式连续送入等离子反应室的坩埚中，所说的等离子反应室以Ar为等离子体工作气体，其工作电压为30～60v，工作电流为100～400A，等离子反应室内以合金原料作为正极，在正极和喷嘴负极之间通过高频点燃器引燃而形成电弧，电离周围的惰性气体，形成稳定的等离子体；原料被高温等离子体加热熔化、蒸发形成金属蒸汽，与氧气发生反应，在反应器夹层中的流动水冷却作用下，形成很大的温度梯度，造成金属蒸汽中很高的过饱和区，并从气相中自发形核、凝聚、生长成纳米ITO微粒。本发明所制得的纳米TIO粉末晶粒形状规则，粉末纯度高；本发明可以实现连续给料、连续反应、连续制粉，效率高，与其他方法相比，更容易实现规模化生产。
文档编号C01G19/00GK101269834SQ200810058408
公开日2008年9月24日 申请日期2008年5月19日 优先权日2008年5月19日
发明者勇 孙, 孙丽达, 王玉玺, 竺培显, 陈敬超 申请人:昆明理工大学