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直流电弧等离子体法制备碳包覆金属纳米颗粒的研究

作　者: 朱林
导　师: 魏智强
学　校: 兰州理工大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 碳包覆铁纳米颗粒铁纳米粉体等离子体技术性能表征包覆机理
分类号: TB383.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

碳包覆金属纳米颗粒是一种新型的纳米碳／金属复合材料,它呈现胶囊状的碳壳包覆金属纳米颗粒的壳／核结构,包覆壳层为无定形碳结构或多层石墨层结构,内核为金属纳米颗粒。这种独特的结构不仅可以防止金属纳米颗粒氧化和环境降解,而且能够有效抑制金属纳米颗粒的团聚,解决了金属纳米颗粒在空气中不能稳定存放的问题。碳包覆金属纳米颗粒具有一些独特的电学、光学、磁学性等能,在磁记录材料、铁磁流体、磁共振成像、催化剂、新能源和生物医学等许多领域有着广泛的应用前景,成为材料科学研究的热门课题。本文首先综述了碳包覆金属纳米颗粒的制备方法及其应用。并对直流电弧等离子体制备金属纳米粉体技术进行了探讨,等离子体具有热效率高、温度高、能量集中、电弧稳定、气氛可控和便于急冷等特点,为纳米材料的形成与生长提供了理想的物理化学环境。我们采用已有的直流电弧等离子体实验装置成功制备出铁纳米粉体,并采用X射线衍射仪、透射电子显微镜、选区电子衍射、比表面积和孔隙分析仪、振动试样磁强计等多种手段对纳米铁粉体的晶体结构、形貌、粒度及其分布和磁性等进行了表征。本文同时对现有的直流电弧等离子体实验装置进行改进,成功的制备出碳包覆铁纳米颗粒,采用X射线衍射仪、高分辨透射电子显微镜、拉曼光谱等对试样的形态和形貌、粒度及其分布、碳壳的石墨化程度、晶体结构等特征进行表征。采用振动试样磁强计、X射线能量色散分析谱仪、热重-差热分析仪等对制备的碳包覆铁纳米颗粒的化学成分、磁性和抗氧化性能进行研究,研究矫顽力和饱和磁化强度随粒度的变化关系。研究结果表明平均粒度为27nm的碳包覆铁纳米颗粒具有超顺磁性。碳包覆铁纳米颗粒比表面经过钝化处理后的铁纳米粉体有更好的抗氧化性能。最后研究了工艺参数对生成的碳包覆铁纳米颗粒形貌的影响规律,建立了直流电弧等离子体法制备碳包覆铁纳米颗粒的形成机理模型,并用热力学、动力学和铁碳相图分析了碳包覆铁纳米颗粒的形成机理。

全文目录

摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-22
  1.1 碳材料概述  10-12
  1.2 碳包覆金属纳米颗粒  12-13
  1.3 碳包覆金属纳米颗粒的制备方法  13-18
    1.3.1 电弧放电法  13-15
    1.3.2 热解法  15-16
    1.3.3 化学气相沉积法  16-17
    1.3.4 离子束法  17
    1.3.5 激光法  17
    1.3.6 其它制备方法  17-18
  1.4 碳包覆金属纳米颗粒的应用  18-20
    1.4.1 磁学领域应用  18
    1.4.2 电学领域应用  18-19
    1.4.3 光学领域应用  19
    1.4.4 催化领域应用  19
    1.4.5 新型电池领域应用  19-20
    1.4.6 其它领域的应用  20
  1.5 本论文的选题依据和研究内容  20-22
第2章直流电弧等离子体制备金属纳米粉体研究  22-38
  2.1 电弧等离子体的理论基础  22-28
    2.1.1 电弧放电  22-24
    2.1.2 电弧等离子体放电区域的构成及其特征  24-25
    2.1.3 电弧等离子体的温度分布  25-27
    2.1.4 电弧等离子体的特点  27-28
  2.2 直流电弧等离子体制备金属纳米粉体技术  28-31
    2.2.1 实验装置  28-29
    2.2.2 装置技术特征  29
    2.2.3 装置工作原理  29-30
    2.2.4 直流电弧等离子体法制备纳米粉体的工艺流程  30-31
  2.3 直流电弧等离子体法制备铁纳米粉体研究  31-35
    2.3.1 实验部分  31-32
    2.3.2 结果和讨论  32-35
  2.4 本章小结  35-38
第3章直流电弧等离子体制备碳包覆铁纳米颗粒研究  38-56
  3.1 实验装置设计  38-39
  3.2 实验部分  39-42
    3.2.1 实验设备与原料  39-40
    3.2.2 碳包覆铁纳米颗粒的制备  40
    3.2.3 碳包覆铁纳米颗粒的提纯  40-41
    3.2.4 研究手段  41-42
  3.3 结果与讨论  42-53
    3.3.1 XRD分析  42-43
    3.3.2 TEM分析  43-47
    3.3.3 Raman Spectra分析  47-48
    3.3.4 X射线能谱分析  48
    3.3.5 VSM测试  48-51
    3.3.6 TGA-DSC分析  51-53
  3.4 本章小结  53-56
第4章直流电弧等离子体制备碳包覆铁纳米颗粒的形成机理研究  56-66
  4.1 工艺参数对碳包覆铁纳米颗粒形貌的影响  56-57
  4.2 碳包覆金属纳米颗粒的几种形成机理模型  57-59
    4.2.1 扩散机理模型  57-58
    4.2.2 溶解-析出机理模型  58
    4.2.3 冷却结晶机理模型  58-59
  4.3 直流电弧等离子体制备碳包覆铁纳米颗粒的形成机理模型  59-60
  4.4 碳包覆铁纳米颗粒形成的热力学与动力学分析  60-62
  4.5 铁碳相图分析碳包覆铁纳米颗粒的形成机理  62-64
  4.6 本章小结  64-66
结论  66-68
参考文献  68-74
致谢  74-75
附录A 攻读学位期间所发表的学术论文  75

直流电弧等离子体法制备碳包覆金属纳米颗粒的研究

内容摘要

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