爆轰法合成纳米材料

爆轰合成纳米材料

自1953年,瑞典通用电气公司采用高压技术合成金刚石以来,金刚石的合成技术发展很快,方法也是多种多样.从原理上给这些方法分类,可以归纳为高压法和低压法两大类,高压法又可分为静压法和动压法两种。静压法和动压法的共同之处都是石墨在高温高压作用下发生相变转化为金刚石,不同的是,前者是静压力,后者是炸药爆炸时产生的动态压力。

80年代中期,纳米科技和纳米材料有了飞速发展,并形成一门称为《纳术材料学》的新的学科‘名’.各发达国家纷纷投人巨资,争夺这一领域的制高点。在这种形势下,俄、美、日等国又研究了一种新的合成纳米级金刚石的爆炸方法,这种方法是采用负氧平衡炸药,通过炸药爆轰产生的高温、高压效应,直接将爆炸中不能被氧化的游离碳,转化为金刚石。利用这种方法合成的金刚石为纳米级超细粉末,颗粒尺寸分布范围为2~100nm。,人们称这种方法为炸药爆轰合成法。

在纳米粉体的众多制备方法中,固相反应法是最早应用于工业生产纳米颗粒的一种方法,具有工艺简单、低成本等优点,但是它的能耗过大、生产周期过长等缺点限制了它的进一步发展;水热法的关键在于控制溶液的温度,优点在于无需后期的煅烧处理,具有较高的烧结活性,具有一定的应用前景,但是过分依赖水热时间和温度,消耗时间;化学共沉淀法需要严格控制溶液的pH值,但有时容易引入杂相离子等。爆轰合成法通过炸药自身爆轰产生的高温高压效应提供能量合成纳米颗粒,早期主要用于合成纳米金刚石[10]等超硬材料,后来也用于合成其它纳米粉体如A-Fe2O3和TiO2等。利用乳化炸药爆轰合成纳米粉体是基于液相法发展起来的一种方法,它使金属盐在微小液滴内以离子的形式充分混合,兼有微乳液法和燃烧合成法两者的优点。相对于其它的纳米颗粒材料制备工艺,爆轰合成法具有产物粒径小,合成周期短,简便快捷,纯度高,合成设备以及工艺简单,原材料来源广泛,成本以及能耗低,炸药工业技术成熟等优点。

将硝酸铁、硝酸锰溶液、硝酸铵、油相(石蜡、凡士林、机油按照一定比例调和)、乳化剂等成分按照一定的化学计量(其中,铁元素物质的量与锰元素物质的量之比为2B1)混合,借鉴常规的乳化炸药生产工艺,考虑各成分的物理化学性质等多种因素控制乳化温度和时间,制备出乳化炸药基质。将该乳化基质分为两部分:一部分加入一定量AN后,加入RDX(黑索金)敏化,配置成零氧平衡(氧平衡是指炸药中所含的氧能将可燃元素完全氧化的程度;零氧平衡是指炸药中的氧刚好能将可燃元素完全氧化而无氧过剩,记为:OB=0)炸药,记为EFM 1#;另一部分直接加入一定量RDX敏化,配置成负氧平衡(负氧平衡是指炸药中所含的氧不足以将可燃元素完全氧化。

最近探索出一种制备碳包裹碳化铁纳米颗粒的新方法,即含铁的炭基干凝胶的爆炸法。该法制备的包裹颗粒尺寸为10nm~50nm,核为Fe7C3纳米颗粒,壳层为无定型碳。该法的显著特点是形成包裹条件的高温环境由炭基干凝胶自身提供,无须外部提供能量,只需热引发即可产生;制备过程简单、成本低、易操作等。

鉴于电弧法或者热解法制备的碳包裹金属的碳壳为石墨化碳,而爆炸法制得的碳包裹金属纳米颗粒的碳壳却为无定型碳壳,这两种结构的碳壳可能会有不同的用途。那么爆炸法制备的碳包裹金属纳米颗粒,在热处理过程中的稳定性如何,无定型碳壳可否能转化为石墨化碳壳,是值得研究的问题,因为这将直接关系到这种纳米颗粒的用途。本工作对爆炸法制备的无定型碳包裹Fe7C3纳米颗粒进行了热处理,研究了热处理前后颗粒的结构变化情况,初步探讨了结构变化的机理。