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（图纸+论文）电弧法制备金属纳米粉研究设计（全套完整）

动特性图，图中曲线为电弧静特性曲线，当电弧电流迅速从增加到时，由于电弧温度有热惯性，它达不到相应电流时稳定状态的温度，为了要维持电弧燃烧，电弧电压就必须比静特性时高，于是沿着曲线变化，当电弧电流从迅速减到时，亦因热惯性，电弧空间温度来不及下降，对应于每瞬间电弧电流的电弧电压也将低于静特性曲线，而沿变化。图中和曲线即为电弧的动特性曲线。图电弧的动特性曲线第.节电弧的应用我们生活中应用最广泛的就是焊接了，电弧是所有电弧焊方法的能源。到目前为止，电弧焊之所以能在焊接方法中占据主要地位，个重要的原因就是电弧能有效而简便地把弧焊电源输送的电能转换成焊接过程所需要的热能和机械能。另外还有利用电弧等离子体来制备金属纳米粉短电弧切削技术电弧检测系统电弧喷涂电弧离子镀膜电弧传感器电弧喷射推力器和冷电弧杀灭微生物等等。短电弧切削技术是指在定比例带压力水气混合物介质的作用下，利用两个电极之间产生的短电弧放电来蚀除金属或非金属导电材料的种切削方法。包括短电弧切削工作电压工作电流工作介质混合比工件线速度工件材料工具电极线速度工具电极材料七大要素。电弧弓网检测系统作为种非接触的先进的检测系统，在铁路技术发达的国家，如日本意大利等国早就开始注意到这点了。早在年，日本就有人提出了以硅光电二极管作为探测器检测离线电火花的检测系统。后来日本清水政利等人对光学法离线检测装置的开发做了大量的研究。意大利大学有人在年代就开始对离线电弧进行研究，并开发了套基于光电传感器的离线检测系统。另外，意大利.，.等人研究了交流铁路系统产生的离线电弧对机车电流和牵引动力的影响关系。虽然在电弧检测方面有许多研究者作了大量的研究，但时至今日，还没有出现套完善的电弧检测系统。与检测车设备相比，电弧检测系统为非接触检测成本低且安装方便，可以安装在机车窗口或机车顶部，不需要附加设备可以实现对电弓与接触网间的接触状态进行实时监控，而不影响铁路系统的正常运行。第.节电弧制取金属纳米粉体电弧法制备金属纳米粉体属于低压气体中蒸发金属法的种，它的加热源是电弧。般的加热源采用电阻加热高频感应加热电子束加热激光加热和辉光加热等。电阻加热蒸发法是比较传统的方法，适用于熔点不太高的金属激光加热法是将连续的高能量密度激光通过窗口照射到金属样品上使其蒸发而制备纳米粉末，般用来制备氧化物纳米粉末电弧法制备金属纳米粉，成本低制备效率高，以纳米粉为例，单班产量可达到.，纯度高达.。电弧法制备金属纳米粉体的原理电弧法制备金属纳米粉的原理是先将整个设备抽真空，充氩气，用电弧弧柱部分作为加热源，将金属物料溶化蒸发气化结晶成为纳米结构颗粒，然后再经冷却器冷凝收集。电弧加热金属物料和电弧焊有很多相似，图是电弧焊原理图，图是反应室内电弧燃烧的照片。图电弧是在惰性气体的氛围中生成，电弧的阳极为金属母材，蒸发阳极而电弧焊蒸发阴极。生产金属纳米粉的原料称为母材，作为阳极，金属钨杆作为阴极，阴极接通直流电源，阳极接通电源正极，同时电源正极接地把导线接设备外壳，通过升降电机把阴极钨杆调整到合适位置，离金属母材约为时，接通电源，电源开启，移部分电子动能达到或超出逸出功时产生的电子发射现象称为热发射。热发射必须满足以下条件式中电子动能电子电量逸出电压当电子动能大于等于电子逸出功的时候，热发射产生，发射电子带走能量而对金属表面产生冷却作用。场致发射是电极表面的电子受外电场的库仑力的作用而产生的电子发射现象，外电场的作用相当于降低了电子的逸出功。当阴极表面受到光辐射作用时，阴极内的自由电子能量达到定程度而逸出阴极表面的现象称为光发射。粒子碰撞发射是指电弧中高速运动的粒子主要是正离子碰撞阴极时，把能量传递给阴极表面的电子，使电子能量增加而逸出阴极表面的现象。电弧的物理特性电弧的物理特性对于我们进行设定电弧的电流电压以及控制弧柱的温度都是很重要的。电弧的主要应用都是以电弧产生热量为基础的，对弧柱部分作深入的研究可以更好的应用电弧。电弧的温度及电位分布电弧温度就是电弧中气体粒子做不规则运动的平均动能。弧柱中存在着电子阳离子中性分子中性原子等各种粒子，因此它们可以具有不同的温度。可是，大气中的电弧，这些粒子之间几乎没有温度的差。，曾发表的文章中提到，对于氢气中的钨或碳极电弧，氢产生的巴子耳末系线光谱因发光源氢原子热运动引起的多普勒效应并没有集中于处，利用这特点，以光谱法测定线光谱的扩张，来决定弧柱的温度，其测定结果是。又奥恩斯坦等，测定了大气中碳极电弧产生带状光谱带中的相对强度分布，再把它与玻尔兹曼分布律相对照，确定出弧柱温度值为。光谱遵循玻尔兹曼分布律标志着弧柱处于热平衡状态。根据现在的测定结果，弧柱的温度主要分布在。。电弧各部分的温度分布受电弧产热特性的影响，电弧组成的三个区域产热特性不同，温度分布也有较大区别。电弧温度的分布特点可从轴向和径向两个方面比较，电弧轴向分布，阴极区和阳极区的温度较低，弧柱温度较高。原因是电极受材料沸点的限制，加热温度般不能超过其沸点，而弧柱中的气体或金属蒸气不受这限制，且气体介质的导热特性也不如金属电极的导热性好，热量不易散失，故有较高的温度。电弧径向分布，电弧径向温度分布弧柱轴线温度最高，沿径向由中心至周围温度逐渐降低。电弧的阴极前端温度与阳极近弧处的温度有差别，差别是因为阳极只靠导热和热辐射损失进行冷却，而阴极还要受相当于电子功函数热损失的影响。另外阳极温度取决于通过电弧的电流。图是沿弧长的电位分布情况，在电极和弧柱的边界有陡的电压压降。般来说，对于任何种现象，在边界发生不同于其它部分的现象都是理所当然的。就像弧柱达到几千至几万的高温，而阴极和阳极的温度却处于比本身材料的熔点或者沸点还要低些。因此，在这些边界区就发生了和弧柱不同的其它特殊现象，其结果产生了阴极压降和阳极压降。电子在阴极压降区具有较大的电压降，而弧柱中部则具有很小的电位降。电子在阴极压位降区受到加速而获得很大动能，该动能使电子在碰撞时电离中性原子，形成的阳离子向相反方向加速撞击阴极从而使阴极得到能量维持热辐射。阳极受到被电场加速的电子的强烈加热，从阳极蒸发出来的原子可以进入等离子体并在其中电离图电弧电压分布图电弧的静特性电弧的静特性是指在电极材料气体介质和弧长定的情况下，电弧稳定燃烧时，稳态的电流与电弧电压之间的变化关系，表示这两者关系的曲线叫电弧静特性曲线。图是电弧的静特性曲线图，主要由三个区域组成，分别是下降特性区负阻特性区平特性区上升特性区。三个特性区的特点是由电弧自身性质所确定的，主要和电弧自身形态所处环境电弧产热与散热平衡有关。在小电流区，电弧电压随电流的增大而减小，呈现负阻特性。原因是电流较小时，电弧热量较低，其间粒子的电离度低，电弧的导电性较差，需要较高的电场来推动电荷运动在电弧极区，由于电极温度较低，极区的电子提供能力较差，不能实现大量的热电子发射，会形成较强的极区电场，这样在小电流时表现出电弧有较高的电压值。当电流增加时，弧柱温度增加，电弧中的粒子电离度增加，电弧的导电性增强，电极温度提高，阴极发射电子能力增强，值降低，阳极蒸发量增加，值降低，两极区电场相对减弱对于弧柱区，在小电流时，如果电流增大倍，假定电流密度电流弧柱截面积定，即弧柱直径增大倍，弧柱向周边区的热量损失增大倍，而弧柱的产热量电流却是增大倍，这时电弧电压仍然维持不变，那么产热量就超过了热损失量，而电弧自身性质具有保持热量动态平衡的能力，实际上电弧的产图日本在纳米半导体和纳米复合材料及纳米强化材料上有极大的优势,在微粒弥散稳定性及涂层等方面低于欧美。总体来说,日本在基础研究上占有优势。第.节本文研究的主要内容根据国内外的研究现状，纳米材料的研制多以非金属和金属氧化物纳米粉为主，而对于纯金属纳米粉国内外形成产业化的企业屈指可数。并且都停留在实验阶段，产量大点的也只有班产公斤。国内电弧法制备金属纳米粉现产业化生产具有定规模，四平市高斯达纳米材料设备有限公司镍纳米粉为例，班产量已达到近公斤，而新代产品班产量有望将达到公斤。从技术发展趋势分析，金属纳米粉制取设备将向着节能高产量粉体粒度尺寸可控粒度分布范围更窄及粒度范围可分选的方向发展，拥有这样的技术和设备，就将在金属纳米材料领域占据主导地位。本文的主要就是研制套蒸发冷凝法电弧加热制备纳米粉体的试验装置。电弧法制备金属纳米设备中，金属母材在反应过程中对单位电量的吸收率小，通过研究改进反应室内的电极母材放置装置以及室内结构，提高吸收率，从而提高金属纳米粉的单班生产率，同时进步完善电弧法纯金属纳米粉生产设备的冷却装置。第二章电弧法制备金属纳米粉研究金属纳米粉的制备涉及到物理化学材料等学科的交叉。制备方法也是多种多样，最熟悉的应该是机械球磨法，工艺简单，设备投资比较小，且能大量生产，可以制备些常规方法难已获得的高熔点金属，但分级太难，而且制备的纳米粉末的表面和界面容易污染。通过氧化还原反应水解等方式可以获得高纯度的纳米金属粉末，但是这种方法也面临着收集较难的问题。电弧法制备金属纳米粉是在密闭的惰性气体中加热金属，使其蒸发后形成纳米粉末。由于电弧理论比较成熟，改变电流，电极直径，惰性气体气氛，几乎可以制备所有的金属纳米粉。且该方法产生的粉末颗粒直径分布窄，无污染，便于收集。第.节电弧电弧法制备金属纳米粉的原理是在低压的惰性气体中加热金属，使其气化，然后结晶形成纳米颗粒。加热源就是电弧，电弧温度高最高达到，产生容易工业用电直接降压，整流，且易于控制。电弧物理两个电极相对放置，串连个电阻，再接个适当的直流电源，两个电极接触下，然后再拉开，在两个电极之间就产生了电弧。通常把接电源正极的端叫阳极，接于负极的叫阴极。阴极和阳极之间的部分般称为弧柱或电弧等离子体。电弧是通过两电极之间的气体所产生的强力的自持放电现象，具有电压低,电流大,温度高,发光强等特性。要使两电极之间的气体导电必须具备两个条件两电极之间有带电粒子两电极之间有电场。气体放电分非自持放电和自持放电两种。非自持放电气体导电所需要的带电粒子不能通过导电过程本身产生，而需要外加措施来产生带电粒子如加热，施加定能量的光子。自持放电当电流大于定值时，旦放电开始，气体导电过程本身就可以产生维持导电所需要的带电粒子。辉光放电和电弧放电都是自持放电。在普通状态下，大气中也存在些阴离子阳离子和电子等。所以把对电极正对着放在大气中，当加上直流电压时，离子和电子会很快流向两电极形成回路电流，值将随外加电压作递增非线性。当电压增大到定值时，电流很快达到饱和状态，只要再没有其它离子和电子的发生源，则无论怎样增大电压，电流却不再增大，但是实际上，电流还要增大，这是因为加于电极空间的高电场，使离子和电子受到加速，这些高速粒子撞击中性气体粒子将使之电离而产生出对新的电子和阳离子的缘故。当再进步提高电压上述新产生的电子和阳离子又会通过碰撞产生别的电子和离子。因此回路中的电流会迅速增大，最终会发生突然增大，这就是电弧放电辉光放电。对金属导体导电电流与电压之间满足线性关系，这是因为金属中有大量可以自由移动的带电粒子电子，增大电压，电子增多，电流就增大。对气体导电，气体中不含带电粒子正离子负离子电子，电弧中带电粒子，主要是由两电极空间的气体电离,电极的电子发射来产生。由于气体有最低电离电压电极有最小逸出功，所以电流与电压之间为非线性关系。弧柱中的气体电离电离是在外加能量作用下，使中性的气体分子或原子分离成电子和正离子的过程。电弧,法制,金属,纳米,研究,钻研,设计,毕业设计,全套,图纸摘要纳米科技是二十世纪八十年代发展起来的门新兴交叉前沿学科。在二十世纪纳米科技是三大重要技术之，属于前沿性课题之。其中纳米粉体的制备是纳米科技的重要研究内容之。蒸发冷凝法制备纳米粉体是种较早的物理方法，本文用电弧法制备，也是属于蒸发冷凝法的种。本文首先介