專利名稱：電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及納米材料制備領(lǐng)域，特別涉及一種納米顆粒的制備方法。
背景技術(shù)：
在納米顆粒中，由于量子限制效應(yīng)作用，其載流子的能級類似原子有不連續(xù)的能級結(jié)構(gòu)。由于特殊能級結(jié)構(gòu)，使得納米顆粒表現(xiàn)出獨(dú)特的物理性質(zhì)，如量子尺寸效應(yīng)、量子遂穿效應(yīng)、庫侖阻塞效應(yīng)、表面量子效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、多體相關(guān)和非線性光學(xué)效應(yīng)等。它對于基礎(chǔ)物理研究和新型電子和光電器件都有很重要的意義。納米顆粒材料生長和器件應(yīng)用研究一直是科學(xué)界的熱點(diǎn)之一。由于納米粒子具有小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和催化效應(yīng)。因此，它在催化性能、光學(xué)性能、磁性能、增強(qiáng)增韌性能、儲(chǔ)氫性能和潤滑性能等方面都具有特異功能。從而獲得了廣泛的應(yīng)用。主要應(yīng)用于:催化劑、納米電子器件、傳感器、磁性材料、光學(xué)和隱身材料以及增韌補(bǔ)強(qiáng)材料、生物醫(yī)學(xué)材料。在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)材料方面有納米顆粒增強(qiáng)材料、納米晶須、纖維增強(qiáng)材料、納米顆粒助燒結(jié)材料、納米焊接技術(shù)。在磁性材料方面有納米巨磁電阻材料、納米磁記錄材料、納米微晶軟磁材料、納米微晶稀土永磁材料、納米磁制冷工質(zhì)材料。在生物材料方面有納米復(fù)合牙齒替代材料、納米復(fù)合骨替代材料。在半導(dǎo)體方面有納米溫敏材料、納米壓敏材料、納米濕敏材料、納米氣敏材料、納米光敏材料。在光學(xué)隱身材料方面有納米光學(xué)隱身材料，其中又分為可見光隱身、微波隱身、紅外隱身和激光隱身等。
納米粒子的制備作為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，國內(nèi)外的眾多專家學(xué)者均對其展開了廣泛的研究。目前，納米粒子的制備有很多方法，主要有溶膠凝膠法、化學(xué)氣相沉積法、激光熱解法、等離子合成法等。然而，現(xiàn)有的制備納米粒子的方法，設(shè)備昂貴，產(chǎn)率不高，加工過程復(fù)雜等一系列不足。

發(fā)明內(nèi)容
針對納米顆粒的制備成本高、產(chǎn)率低的缺陷，本發(fā)明提供了一種電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法。一種電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，其特征在于包含以下步驟:(I)選用高電阻率或絕緣材料的納米體材料作為工件，使工具電極，工件和進(jìn)電塊浸入電解液中；(2)進(jìn)電塊和工具電極分別接在加工電源的正負(fù)極；工具電極作為陰極，進(jìn)電塊作為陽極在電解液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡，并附著在工具電極表面，隨著加工的繼續(xù)進(jìn)行，工具電極在電解液液面以下的部分被不斷產(chǎn)生的氣泡完全包覆，使工具電極和電解液完全隔離；
(3)當(dāng)工具電極)和電解液被完全隔離時(shí)，在其之間形成電壓差，當(dāng)電壓差達(dá)到放電條件時(shí)擊穿氣泡層，形成放電通道，在工具電極(4)和工件(3)表面的電解液之間產(chǎn)生放電；放電通道中的瞬時(shí)高溫高壓能量氣化了工件(3)表面的電解液后，再進(jìn)一步熔化、氣化工件，產(chǎn)生蝕除產(chǎn)物并拋入電解液(2)中，經(jīng)冷卻和凝固后形成直徑〈lOOnm的納米顆粒。所述的電化學(xué)電火花放電的納米顆粒制備方法，其特征在于:利用一個(gè)含過濾裝置的工作液循環(huán)系統(tǒng))讓電解液在工作液槽外部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，使電解液冷卻，并對制備得到的納米顆粒進(jìn)行初級收集。上述工件材料是高電阻率材料(如:硅、鍺等半導(dǎo)體)或者是絕緣材料(如:陶瓷，金屬氧化物等)。上述電解液可以是質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% 50%的KOH，NaOH, NaCO3, NaNO3等溶液。上述工具電極為熔點(diǎn)高的材料，如鎢、鑰等。上述輔助電極為惰性材料，如石墨等。在加工過程中，依靠電化學(xué)作用形成的非導(dǎo)電氣體完全包覆工具電極，隔絕工具電極和電解液，從而在工具電極和電解液之間形成電壓差，當(dāng)達(dá)到放電條件時(shí)擊穿氣體，形成放電通道，產(chǎn)生放電。利用放電通道中的瞬時(shí)高溫高壓能量熔化、氣化工件，產(chǎn)生蝕除產(chǎn)物并拋入電解液中，冷卻、凝固形成納米顆粒。本發(fā)明提供的電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法有如下有益效果:
1.本發(fā)明提供的電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，設(shè)備成本低，操作過程簡易。在傳統(tǒng)的電火花加工機(jī)床上進(jìn)行簡單的改造就能實(shí)現(xiàn)本專利提出的方法，可操作性強(qiáng)。2.本發(fā)明提供的電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，能實(shí)現(xiàn)長時(shí)間持續(xù)生產(chǎn)，產(chǎn)率高。添加一個(gè)工作液循環(huán)系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)加工和提純同時(shí)進(jìn)行。3.本發(fā)明提供的電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，綠色環(huán)保，不產(chǎn)生有害氣體和物質(zhì)。在加工過程中，通過選取合適的工具電極、進(jìn)電塊和電解液能實(shí)現(xiàn)非導(dǎo)電氣體只是由電解水產(chǎn)生，而不產(chǎn) 生其他污染物。4.本發(fā)明通過一個(gè)含過濾裝置的工作液循環(huán)系統(tǒng)讓電解液在工作液槽外部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，使電解液冷卻，并對制備得到的納米顆粒進(jìn)行初級收集，使加工產(chǎn)物及時(shí)得到排除和收集，保證了加工的順利進(jìn)行。5.本發(fā)明提供的電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，為納米顆粒的制備提供了一種新思路，拓展了電化學(xué)放電加工方法的應(yīng)用范圍。6.電化學(xué)放電中電解液和電參數(shù)的選取為本領(lǐng)域通用條件，根據(jù)工件、電極的不同，技術(shù)人員會(huì)自行調(diào)整。


圖1是本發(fā)明提供的電化學(xué)放電納米顆粒制備方法的裝置示意 圖2是改進(jìn)的電化學(xué)放電納米顆粒制備方法的裝置示意 I是進(jìn)電塊，2是電解液，3工件，4是工具電極，5是工作液槽，6是伺服進(jìn)給系統(tǒng)，7是加工電源，8是泵，9是工作液循環(huán)系統(tǒng)，10是過濾裝置。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1
利用電化學(xué)放電方法可制備硅納米顆粒。
選取采用如圖2所示的電化學(xué)放電方法可制備硅納米顆粒的裝置，首先在工作液槽5中加入電解液2濃度為10%的Na2CO3溶液，采用的工件材料3是本征硅，采用的工具電極4是鑰棒，選用的進(jìn)電塊為石墨電極。在工具電極3和進(jìn)電塊I間加上幅值為100V，頻率為100Hz，占空比為50%的脈沖電壓，使工件3和工具電極4間不斷產(chǎn)生氫氣泡，隨著加工的繼續(xù)進(jìn)行，氫氣泡完全包裹工具電極，使工具電極和電解液完全隔離，形成電位差，當(dāng)電壓達(dá)到放電需要的電壓值時(shí)，擊穿氫氣泡層，產(chǎn)生放電利用放電的能量氣化和熔化工件，形成蝕除產(chǎn)物，并拋入電解液，冷卻、凝固形成硅納米顆粒。同時(shí)通過伺服進(jìn)給系統(tǒng)6進(jìn)行伺服進(jìn)給，持續(xù)產(chǎn)生硅納米顆粒。

另外，采用一個(gè)包含過濾裝置10的工作液循環(huán)系統(tǒng)9讓電解液2在工作液槽5外部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，可以使電解液2冷卻，并對制備得到的硅納米顆粒進(jìn)行初級收集.本實(shí)施例制備得到的硅納米顆粒，通過X射線能譜儀(EDS)分析可得其純度在99%以上；利用激光粒度儀分析可得其粒徑范圍為IOnm lOOnm，其產(chǎn)率為2g/h，并且通過不斷的改進(jìn)廣率還有很大的提聞空間。實(shí)施例2
利用電化學(xué)放電方法可制備PZT陶瓷顆粒。選取采用如圖2所示的電化學(xué)放電方法可制備PZT陶瓷顆粒的裝置，首先在工作液槽5中加入電解液2濃度為10%的NaOH溶液，采用的工件材料3是PZT陶瓷，采用的工具電極4是鑰棒，選用的進(jìn)電塊為不銹鋼。在工具電極3和進(jìn)電塊I間加上幅值為150V，頻率為100Hz，占空比為50%的脈沖電壓，使工件3和工具電極4間不斷產(chǎn)生氫氣泡。，隨著加工的繼續(xù)進(jìn)行，氫氣泡完全包裹工具電極，使工具電極和電解液完全隔離，形成電位差，當(dāng)電壓達(dá)到放電需要的電壓值時(shí)，擊穿氫氣泡層，產(chǎn)生放電利用放電的能量氣化和熔化工件，形成蝕除產(chǎn)物，并拋入電解液，冷卻、凝固形成PZT陶瓷納米顆粒。同時(shí)通過伺服進(jìn)給系統(tǒng)6進(jìn)行伺服進(jìn)給，持續(xù)產(chǎn)生PZT陶瓷納米顆粒。另外，采用一個(gè)包含有微濾的過濾裝置10的工作液循環(huán)系統(tǒng)9讓電解液2在工作液槽5外部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，可以使電解液2冷卻，并對制備得到的PZT陶瓷納米顆粒進(jìn)行初級收集.本實(shí)施例制備得到的PZT陶瓷納米顆粒，通過X射線能譜儀(EDS)分析可得其純度在99%以上；利用激光粒度儀分析可得其粒徑范圍為5nm lOOnm，其產(chǎn)率為1.5g/h，并且通過不斷的改進(jìn)廣率還有很大的提聞空間。
權(quán)利要求
1.一種電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，其特征在于包含以下步驟 (1)選用高電阻率或絕緣材料的納米顆粒體材料作為工件(3)，使工具電極(4)，工件(3)和進(jìn)電塊(I)浸入電解液(2)中； (2)進(jìn)電塊⑴和工具電極⑷分別接在加工電源(7)的正負(fù)極；工具電極⑷作為陰極，進(jìn)電塊(I)作為陽極在電解液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡，并附著在工具電極(4)表面，隨著加工的繼續(xù)進(jìn)行，工具電極(4)在電解液液面以下的部分被不斷產(chǎn)生的氣泡完全包覆，使工具電極⑷和電解液⑵完全隔離； (3)當(dāng)工具電極(4)和電解液(2)被完全隔離時(shí)，在其之間形成電壓差，當(dāng)電壓差達(dá)到放電條件時(shí)擊穿氣泡層，形成放電通道，在工具電極(4)和工件(3)表面的電解液之間產(chǎn)生放電；放電通道中的瞬時(shí)高溫高壓能量氣化了工件(3)表面的電解液后，再進(jìn)一步熔化、氣化工件(3)，產(chǎn)生蝕除產(chǎn)物并拋入電解液(2)中，經(jīng)冷卻和凝固后形成直徑〈lOOnm的納米顆粒。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)電火花放電的納米顆粒制備方法，其特征在于 利用一個(gè)含過濾裝置(10)的工作液循環(huán)系統(tǒng)(9)讓電解液(2)在工作液槽(5)外部進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)，使電解液(2 )冷卻，并對制備得到的納米顆粒進(jìn)行初級收集。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，其特征在于其電解液可以是質(zhì)量分?jǐn)?shù)10% 50%的KOH，NaOH, NaCO3, NaNO3溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，其特征在于工具電極為鶴、或鑰。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，其特征在于輔助電極為惰性材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，其特征在于上述惰性材料為石墨。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電化學(xué)放電的納米顆粒制備方法，屬于納米材料制備領(lǐng)域。在制備納米顆粒的過程中，連接在電源負(fù)極的工具電極和連接在電源正極的進(jìn)電塊在電解液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣泡，并附著在工具電極表面。隨著加工的繼續(xù)進(jìn)行，工具電極在電解液液面以下的部分被不斷產(chǎn)生的氣泡完全包覆，使工具電極和電解液完全隔離，從而在工具電極和電解液之間形成電壓差，然后擊穿工具電極和工件表面的氣泡層，形成放電通道，產(chǎn)生放電。放電通道中的瞬時(shí)高溫高壓能量氣化了工件表面的電解液后，再進(jìn)一步熔化、氣化工件，產(chǎn)生蝕除產(chǎn)物并拋入電解液中，經(jīng)冷卻、凝固后形成納米顆粒。本發(fā)明提供的制備方法成本低、產(chǎn)率高。
文檔編號(hào)B23H3/00GK103252542SQ201310185500
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月20日
發(fā)明者張節(jié), 周磊杰, 張偉, 汪煒, 朱文魁 申請人:南京航空航天大學(xué)