大面積放電等離子體特性及其輔助高能球磨制備AlN粉末機理研究.pdf

1、大氣壓大面積介質(zhì)阻擋彌散放電等離子體由于其不需要在真空下運行，而且可實現(xiàn)在線連續(xù)工作，所以在納米粉末合成、材料表面改性、生物醫(yī)學、環(huán)境工程等領域都展示出了重要的應用前景。本論文重點開展了兩方面的研究工作:一是在大氣壓下采用雙極性納秒脈沖電源驅(qū)動多針-板式電極獲得了穩(wěn)定的大面積空氣介質(zhì)阻擋彌散放電等離子體;二是在大氣壓下利用交流電源驅(qū)動在球磨罐內(nèi)聚四氟棒表面產(chǎn)生大面積沿面放電等離子體輔助高能球磨成功制備AlN納米粉末并對其合成機理進行深入

2、的研究。主要研究結(jié)果如下:
　　1.在單針-板電極結(jié)構(gòu)下，采用雙極性納秒脈沖電源驅(qū)動成功獲得了空氣介質(zhì)阻擋彌散放電等離子體，通過增加針電極的數(shù)目，獲得了大面積空氣彌散放電等離子體。測量了等離子體發(fā)射光譜、脈沖電壓和電流波形。通過氮分子離子第一負帶N2+(B2Σu+→X2Σg+，0-0)和氮分子N2(C3Πu→B3Πg，0-2)發(fā)射光譜擬合確定了等離子體的轉(zhuǎn)動溫度和振動溫度。研究了脈沖峰值電壓、脈沖重復頻率、放電間隙、介質(zhì)板厚度和針

3、電極數(shù)目對放電的均勻性、N2(C3Πu→B3Πg，0-0)發(fā)射光譜強度、放電功率、功率密度、等離子體溫度和放電等離子體面積的影響。結(jié)果表明:在雙極性納秒脈沖中正、負脈沖放電均只有一次有效的放電擊穿，而且單次脈沖放電持續(xù)時間約為70ns左右。隨著脈沖峰值電壓和脈沖重復頻率增加，N2(C3Πu→B3Πg，0-0)發(fā)射光譜強度逐漸增強，而隨著放電間隙、介質(zhì)板厚度和針電極數(shù)目增加，N2(C3Πu→B3Πg，0-0)發(fā)射光譜強度逐漸減弱。另外平均

4、功率和功率密度隨著電極數(shù)目的增加分別逐漸變大和變小，但是隨著脈沖峰值電壓的增加而上升。等離子體氣體溫度隨著介質(zhì)板厚度和針電極數(shù)目增加而略微降低。介質(zhì)板厚度和電極間隙的增加，放電等離子體面積呈現(xiàn)明顯的收縮，而針電極數(shù)目和脈沖峰值電壓的增加，放電等離子體面積呈現(xiàn)明顯的擴展，同時放電仍然保持良好的均勻特性。當增加針電極數(shù)目時，放電擊穿電壓逐漸降低，而放電電流峰值卻明顯增大。在脈沖峰值電壓為34kV時，放電等離子體的面積達到約為70×50mm2

5、。
　　2.在大氣壓氮氣中，以純Al2O3粉末作為前驅(qū)物，通過交流電源驅(qū)動產(chǎn)生大面積沿面放電等離子體，并且輔助高能球磨Al2O3成功制備出AlN粉末。分別采用放電等離子體輔助高能球磨（放電球磨）和普通高能球磨（普通球磨）活化Al2O3粉末，然后對比了球磨后Al2O3粉末的微觀形貌、顆粒尺寸、晶格尺寸、晶格畸變以及合成AlN粉末的形貌、顆粒尺寸、轉(zhuǎn)化率等。并詳細討論了放電等離子體在球磨過程中所起的協(xié)同作用機制。結(jié)果表明:相對于普通球

6、磨而言，放電球磨后Al2O3粉末能獲得更小的晶粒尺寸、顆粒尺寸和更大的晶格畸變和比表面積。通過Kissinger方程計算得出放電球磨Al2O3合成AlN所需的激活能為371.5kJ/mol，這遠低于普通球磨Al2O3的激活能(457kJ/mol)和原始粉末的激活能(529kJ/mol)。另外，在相同的氮化溫度下，放電球磨Al2O3粉末生成AlN轉(zhuǎn)化效率明顯高于普通球磨Al2O3粉末。同時，通過放電球磨合成的AlN具有更好的結(jié)晶度、晶格形

7、貌和均勻分布，這說明放電球磨前驅(qū)物能獲得更大的反應活性，在氮化過程中能夠有效的降低氮化溫度和提高AlN轉(zhuǎn)化率。其原因是由于等離子體在球磨過程中的熱效應和高能粒子轟擊效應。
　　3.以Al2O3/C混合體系作為前驅(qū)物，分別采用放電球磨和普通球磨對前驅(qū)物進行球磨活化。深入研究了球磨后前驅(qū)物物相轉(zhuǎn)變、微觀形貌、合成AlN轉(zhuǎn)化效率和顆粒形貌。通過與放電球磨Al2O3粉末的結(jié)果進行對比，結(jié)果表明:放電球磨Al2O3/C混合粉末中Al2O3顆

8、粒與石墨相互包裹糅合，形成相互堆疊的片層的復合結(jié)構(gòu)。放電球磨Al2O3/C混合粉末的細化速率降低，晶體內(nèi)部的缺陷及畸變程度也相應的降低。然而在相同的氮化條件下，放電球磨Al2O3/C混合粉末生成AlN轉(zhuǎn)化效率高于放電球磨Al2O3粉末合成的AlN轉(zhuǎn)化率，而且放電球磨Al2O3/C混合體系比放電球磨Al2O3粉末體系縮短10個小時的球磨時間使AlN轉(zhuǎn)化率達到100％。另外，放電球磨Al2O3/C混合體系合成的AlN顆粒分布更加均勻，顆粒尺

9、寸更小，這些差異主要是由于C在球磨過程中扮演著潤滑的作用，有效的減輕粉末與鋼球碰撞影響并降低球磨機械力對粉體能量的輸入，因此細化的速率減慢。但是球磨后Al2O3/C混合體系形成復合相互包裹的細小顆粒結(jié)構(gòu)，極大地增加了有效接觸面積，縮短了平均擴散路徑，而且前驅(qū)物分子都處于高活性狀態(tài)，從而加快氮化速率和轉(zhuǎn)化效率。
　　4.采用放電球磨Al/DN混合前驅(qū)物在不氮化下成功的合成AlN粉末。重點研究了放電球磨后產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程、微觀形

10、貌、顆粒尺寸以及Al和DN化學反應機制。研究表明:當球磨時間小于8h，球磨產(chǎn)物中主要的物相是Al和DN。繼續(xù)增加球磨時間，DN的衍射峰逐漸消失，AlN物相的衍射峰出現(xiàn)，當球磨時間達到14h時，合成AlN的轉(zhuǎn)化效率達到90％，比表面積大約為52m2/g，其主要的反應機制是固態(tài)有機氮源DN含有充足的含氮基團，在球磨活化過程中，DN分子中-NH2官能團最先斷裂，脫胺后的DN不穩(wěn)定導致DN進一步分解失去腈基官能團，同時已經(jīng)細化而且高活性的Al原