用电爆炸丝法制备纳米粉末及负载型纳米催化剂

目前制备纳米材料的方法很多，其中电爆炸丝法制备纳米粉末材料是20世纪90年代后期发展起来的新型方法，俄罗斯和日本研究人员利用该方法成功制备多种金属和金属化合物纳米粉末。我国吉林大学利用该方法制备了纳米Cu-Zn合金粉末，其粒度分布在30～180nm，平均粒度约85nm。为了探索电爆炸金属丝技术在制备纳米粉末及其相关产品中的应用前景，文中对电爆炸金属丝产生纳米Al2O3和TiO2进行了实验研究，并在此基础上开展了电爆炸金属丝制备负载型纳米催化剂的初步研究。     

纳秒脉冲激光对金属丝电爆炸过程的瞬态测量方法研究

金属丝电爆炸是获取金属纳米级粉粒的有效途径,电爆炸的演绎过程直接影响金属粉颗粒的尺度范围。采用纳秒级脉冲激光对爆炸过程的瞬态进行观察,以激光干涉条纹为背景,依据电爆炸过程中,对条纹的扰动获取具有清晰边缘的爆炸区图像;再根据激光穿过爆炸云团的透过率计算出不同时刻粉尘体浓度的三维分布图。测量结果表明:通电后0.5 μs,金属丝直径由0.3 mm扩展为4.7 mm, 直到18 μs时扩展为28 mm,而粒子的最大浓度由3×1021/cm3减小为1.1×1020/cm3。整个扩展过程中,粒子浓度沿径向呈现多个环带的分布形态。     

大气压氩气射流等离子体放电发展速度研究

利用交流空心针-板放电装置,在大气压环境中产生了两种不同极性的氩射流等离子体,利用放电产生的等离子体发光信号,研究了两种等离子的形貌和放电的发展速度。利用高速相机拍摄了两次放电的形貌,发现正半周放电长度约为0.8 cm,负半周放电长度约为1.6 cm。然后利用两个光电倍增管配合,分别测量了正负半周放电的发展速度,正半周放电发展速度为（3.1±0.2）×10⁶ cm/s,负半周放电发展速度为（2.2±0.1）×10⁷ cm/s,而且两次放电的发展方向相同。通过对电子激发温度空间分布的分析,发现电场是影响等离子发展速度的重要因素。     

电爆炸法制备Fe3O4纳米颗粒及其物相研究

搭建了电爆炸金属丝实验平台,在空气中电爆炸铁丝来制备纳米金属颗粒。利用电阻分压器与Rogowski线圈来测量电爆炸过程中铁丝上的负载电压与电流。将负载电压与电流之积进行时间积分来估算沉积在铁丝上的能量。使用光电探测器对电爆炸过程中产生的等离子体发光信号进行探测。对铁丝电爆炸后形成的产物使用高倍显微镜、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、能谱分析仪（EDS）以及X射线衍射仪（XRD）进行观测,来研究其物相特性。实验结果表明:电爆炸过程中,当铁丝由液相变为气相时,其电阻急剧增加,因此电流几乎不能流过铁丝,同时铁丝上的负载电压会趋近于电容器的初始充电电压。随着能量的持续积累,等离子体在爆炸腔中形成。由于原本被阻断的电流能够从低电阻等离子体中流过,因此电压电流波形变为欠阻尼波形。电爆炸铁丝所得的产物为Fe3O4纳米颗粒,其中大部分呈规则的球形。Fe3O4纳米颗粒的粒径主要分布在30~60 nm之间,并且符合对数正态分布。     

电爆炸丝法制备纳米ZrO2粉末的实验研究

设计并搭建了基于高压放电方式的金属丝电爆炸制备纳米粉体的实验装置,并配备了电流电压测量辅助系统,可以方便地制备纳米颗粒,实时记录电爆炸过程中的电流和电压。对Zr丝进行电爆炸实验;理论上分析了Zr丝在电爆炸过程中的沉积能量以及物态的变化过程。研究了充电电压对沉积能量和纳米粉体特性的影响规律。通过元素能谱(EDS)和X射线衍射仪(XRD)对制备的纳米粉体做了成分分析。采用透射电子显微镜(TEM)观察纳米粉体的形貌和结构,并用电镜统计观察法得到纳米粉体的粒度分布。研究结果表明:电压的增大,会使沉积能量增加,并缩短锆丝完全汽化所需时间。增大充电电压可显著缩小纳米粉体的粒径分布范围,并得到更小平均粒径的颗粒。电爆炸锆丝的产物是ZrO₂纳米颗粒,其晶相结构为单斜晶系(m-ZrO₂)和立方晶系(c-ZrO₂),并且颗粒呈良好的球形,表面光滑,轮廓清晰,粒径分布主要集中在10 nm到40 nm之间。     

水中金属丝爆引燃铝粉悬浮液冲击波增强效应

开展了水中铜丝电爆炸引燃铝粉悬浮液的实验研究,将铝粉悬浮液置于有机玻璃管中,同轴心方向穿过200 μm的金属铜丝,经脉冲功率驱动后快速相变发生电爆炸为铝粉爆燃提供反应条件。通过比对不同质量球状铝粉（μm粒径）的悬浮液在相同脉冲电容器储能条件下的放电和冲击波参数,获得了电爆炸驱动铝粉放电特性和冲击波增强效应的规律。实验发现,电爆炸起爆铝粉的冲击波有两个明显的波峰,分别对应于金属丝电爆炸（一次冲击波）和由产物气体胀裂管壁产生的二次冲击波,且铝粉爆燃对二次冲击波的增强效应非常显著,在300 mg铝粉的悬浮液环境中,二次冲击波峰值达到2.77 MPa,是无铝粉添加环境中二次冲击波的2.25倍,冲击波冲量增强了约50%。对不同储能条件下200 mg铝粉的悬浮液环境中金属丝爆的冲击波进行了对比研究,发现随着驱动源储能的增加,电爆炸引发的主冲击波和二次冲击波压力均逐渐增大,600 J时分别达到了3.17和1.91 MPa,冲击波冲量也随储能增加而增加,在600 J储能条件时的冲量为41.12 Pa·s,储能条件约300 J时20.24 Pa·s冲量的2倍。     

真空及空气中金属丝电爆炸特性研究

开展了铝丝在真空和空气环境中的电爆炸特性研究.从金属丝电爆炸的电压、电流波形得到了金属丝内的沉积能量,并基于以上电参数特征分析了电爆炸产物的状态,获得了空气中铝丝电爆炸电流暂停时间随初级储能电容充电电压的变化规律.真空和空气中铝丝电爆炸在电压击穿时刻的沉积能量分别为2.8和6 eV/atom.采用波长为532 nm、亚纳秒激光探针对金属丝电爆炸物理过程开展了高时空分辨率的阴影和纹影诊断.阴影图像清晰地展示了不同气氛环境中高密度电爆炸产物的膨胀过程,根据光学诊断图像分析了高密度丝核沉积能量的结构和空气中铝丝电爆炸产生的激波的膨胀轨迹.真空和空气环境中高密度电爆炸产物的平均膨胀速度分别为1.9和3 km/s.基于实验数据和输运参数模型,估算了金属丝在电压击穿时刻的温度.     

电爆炸丝法制备纳米Al2O3粉末

 设计了电爆炸金属丝产生纳米金属氧化物粉末的实验装置，金属丝电爆炸腔采用圆筒结构，纳米粉末经过微孔滤膜过滤收集。成功制备了纳米Al₂O₃粉末，其平均粒度达到64.9 nm。对电爆炸金属丝产生纳米Al₂O₃粉末的物理条件进行了研究。结果表明实验条件对粉末粒度有重要影响：随气压的增加粉末平均粒度变大；随金属丝直径增大粉末平均粒度变大；粉末的平均粒度与电容器的初始储能也有一定的关系。     

丝电爆过程的电流导入机理

丝电爆制备纳米粉时, 电流从电极导入金属丝的过程直接影响电极烧损和粉末中微米级大颗粒产生. 分别通过接触和气体放电两种方式导入电流进行电爆试验. 结果表明, 光测量装置检测到的丝端部光电流几乎与回路放电电流同时产生, 而中间位置的光电流则要滞后一段时间; 由探针收集的产物确定, 金属丝端部主要形成熔融粒子, 中间部分主要形成气相粒子. 分析可知, 接触方式导入电流时, 丝端部也存在气体放电现象, 大电流主要通过气体放电形成的等离子体导入. 等离子体对电流的旁路作用会阻碍能量向金属丝沉积, 这是产生微米级大颗粒和"积瘤"主要原因. 通过气体放电方式导入电流时, 电极烧损明显减轻, 并可以避免"积瘤"产生.     

片状三角形银纳米颗粒的自组织行为与光学特行

用化学方法制备了一种规则的片状三角形银纳米颗粒,边长为100±10nm,厚度约为30nm.紫外-可见光谱分析表明了三角形银纳米颗粒形貌的完整性.颗粒表面修饰的有机分子,使三角形银纳米颗粒在碳膜上自组织形成二维单层膜,在硅片上形成高取向银膜,该银膜对吡啶分子具有很强的表面增强拉曼散射效应,增强因子可达108.     

电爆金属丝产生纳米粉体

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。对电爆炸金属丝进行了电路模拟,电路模拟结果表明,减小放电回路电感,或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可提高能量注入速率。为了理解金属蒸气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气及等离子体的演化过程,得到了电爆丝的典型物理图像,观察到电爆丝中金属蒸气喷发的"热滞后"现象及金属蒸气的多次喷发现象。并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。     

真空中铝单丝电爆炸的实验研究

开展了铝单丝在负极性电流脉冲作用下电爆炸特性的研究.利用皮秒激光探针,搭建了阴影、纹影和干涉的光学诊断平台,得到了不镀膜铝丝典型的能量沉积过程,在电压崩溃时刻其沉积能量为2.4 eV/atom.为了增加金属丝内的沉积能量,开展了相同电参数及金属丝尺寸下的镀膜铝丝电爆炸实验,其沉积能量可达到5 eV/atom,实现了在电压崩溃之前铝丝完全气化(完全气化所需能量为4 eV/atom).阴影图像展示了高密度丝核区域的膨胀过程,不镀膜铝丝平均膨胀速度为2.2 km/s,而镀膜铝丝因为沉积能量大,其膨胀速度约为不镀膜铝丝的2.3倍,高密度区域膨胀速度为5 km/s.由于阴影不能反映低密度等离子体的膨胀,开展了平行双丝实验,通过测量自发光辐射,估算了低密度等离子体的膨胀速度.利用条纹相机拍摄了不镀膜铝丝电爆炸过程中自发光区域的图像.纹影图像清晰地展示了不镀膜铝丝在电爆炸过程中形成的核冕结构,而镀膜铝丝电爆炸过程中核冕结构得到了一定程度的抑制.从干涉图像计算了相移,在轴对称假设下对相移进行阿贝尔逆变换,重构了三维的铝原子数密度分布.     

Formation of extended directional breakdown channels produced by a copper wire exploding in the atmosphere

Experimental data for switching initiated by the electrical breakdown of air gaps up to 1.9 m long with an arbitrary geometry that are produced by an exploding copper wire 90 μm in diameter are presented. At an initial voltage of 11 kV, the stored energy equals 100–2100 J. Two channel formation conditions are possible: explosion of a wire without electrical breakdown and electrical breakdown in a channel produced by an exploding wire with a delay (current pause) no longer than 250 μs. Current and voltage waveforms across the discharge gap, as well as the resistivity values, under the electrical breakdown conditions are shown. Mechanisms and conditions for streamer initiation at a mean electric field strength in the discharge gap of 5.3–17.0 kV/m are discussed. The geometrical dimensions of plasma objects in the forming channel, the run of the electrical current under breakdown, and the formation mechanism of wire explosion products are found from color microphotographs. The formation mechanism of large aerosols in the form of tiny spherical copper and copper oxide (CuO, Cu₂O) particles under wire explosion conditions is discussed.     

Homogeneous electrical explosion of tungsten wire in vacuum

Experimental results on Joule energy deposition upon initiation of a fast electrical explosion of 16-μm tungsten wire in vacuum at current densities of more than 10⁸ A/cm² are reported. We have found that explosion with a fast current rise time (～170 A/ns into a short) results in homogeneous and enhanced deposition of electrical energy into the tungsten before surface flashover. The maximum tungsten wire resistivity reaches a value of up to ～185 μΩ cm before surface flashover that significantly exceeds the melting boundary and corresponds to a temperature of ～1 eV. The highest values for light radiation and expansion velocity of wire ～1 km/s were observed for the fast explosion. For the explosion mode with a slower current rise time (～22 A/ns into a short), we observed the existence of an “energy deposition barrier” for tungsten wire. In the slow explosion mode, the current is reconnected to the surface shunting discharge before melting. The maximum tungsten wire resistivity in this case reaches the value of ～120 μΩ cm, which is less than indicative of melting. Also, the energy deposition along the wire is strongly inhomogeneous, and wire is disintegrated into parts. We attribute the early reconnection of the current to the surface discharge for the slow explosion to high electron emission from the wire surface, which starts before melting.     

不同氩气气压下铝丝电爆炸的二次放电特性

搭建了RLC放电回路,研究了不同氩气气压下铝丝电爆炸二次放电特性。结果表明,随着气压的变化,电爆炸二次放电电压曲线呈U形。为了阐明氩气和铝蒸气在二次放电过程中的作用,利用光谱仪和高速分幅相机分别研究了二次放电等离子体的自辐射光谱特性和空间分布特性,发现:在低气压下氩气会参与放电,放电通道在铝蒸气表面;高气压下主要是铝蒸气放电,氩气基本不参与放电过程,放电通道在铝蒸气内部。     

氩气中铝丝电爆炸沉积能量对制备铝纳米粉体特性的影响

研制了基于脉冲电容器放电回路的亚微秒金属丝电爆炸纳米粉体制备实验平台,包括电爆炸过程电流和电压测量系统。利用透射电子显微镜(TEM)观察纳米粉体的形态与结构,并通过电镜统计观察法分析TEM图像得到纳米粉体的粒度大小及其分布。在氩气中电爆炸铝丝制备铝纳米粉体,通过改变电容器充电电压,即初始储能,实验研究沉积能量对铝纳米粉体特性的影响规律。结果表明:铝纳米粉体颗粒形态与结构主要由氩气气压的高低决定,与沉积能量基本无关。增大丝爆过程的沉积能量可显著缩小铝纳米粉体粒度分布范围,减小颗粒平均粒径,并有效地抑制纳米粉体中亚微米颗粒的形成。随着沉积能量E与氩气气压p比值(Ep-1)增大,铝纳米粉体颗粒平均粒径、最大粒径和粒径大于100 nm颗粒所占比例均呈指数函数单调减小。     

铝丝电爆炸过程的光学诊断

采用100 m和40 m两种直径的铝丝,在不同放电电压下,通过分幅成像技术和光谱诊断方法,对铝丝电爆炸过程放电特性及放电等离子参数进行了诊断。实验研究表明:铝丝电爆炸过程中金属蒸气的二次击穿分为内部击穿和沿面击穿两种类型,较细的铝丝更容易发生内部击穿,发生内部击穿时产生的等离子体具有更好的空间均匀性和对称性,其放电过程具有更高的稳定性和可重复性。通过光谱诊断可知铝丝电爆炸等离子体电子温度在104 K量级,电子密度在1018 cm-3量级。     

Effect of ambient gas species on the formation of Cu nanoparticles in wire explosion process

In this paper, the effect of ambient gas species on the characteristics of the produced nanoparticles in wire explosion process is reported. Cu wires with a diameter of 125 μm and length of 6.1 cm were exploded in different ambiances of Ar and admixtures of Ar and N₂ at 500 mbar pressure. Immediate formation of arc plasma is observed for Ar ambiance. On the other hand, considerable delay in formation of arc plasma is observed for the admixtures of Ar and N₂. The arc plasma formation time is found to increase with increasing N₂ concentration in the admixture. Transmission electron microscope and X-ray diffraction were used to characterize the produced nanoparticles. Among the nanoparticles produced in different ambient gas species, the nanoparticles produced in Ar ambiance have higher particle size compared to admixtures of Ar and N₂. The particle size is found to reduce with increasing N₂ concentration in the ambiance. Difference in arc plasma formation time is probably the factor that gives rise to the difference in the particle sizes.