丝导体无接触电爆法制备金属超细粉的设备及试验研究

摘要

电爆法是在一定的气体介质环境下，预先储存的电能对金属导体(导体丝或箔)脉冲放电，脉冲大电流使得金属导体熔化、气化、膨胀，发生爆炸。电爆法可以用来制备金属、合金、金属氧化物及氮化物等超细粉，具有能量利用率高，工艺参数可调，可有效控制制备粉末的粒度，不污染环境，所制粉末粒度分布窄、纯度高、化学活性高、不易团聚等特点。 一般的丝导体电爆装置一般都是将丝导体通过夹具固定在两个电极之间，或者丝一端固定、一端触碰电极进行电爆，电爆的丝导体长度通常不能调节，其直径也受到一定限制。这些电爆方式中的丝导体都与电极接触，这样很容易出现一些问题，如电爆过程能量释放不充分，可能损伤电极以及所制备粉末中出现较多大颗粒等。 因此，本文提出了一种丝导体电爆制备超细粉的新方法，丝可以在高压电场中无需与电极直接接触而电爆。这样就很好地解决了夹持式电爆容易出现的问题。 本文在课题先期研究的基础上研制了一种丝导体无接触电爆实验设备。该设备主要由丝导体整列送进装置、电爆炸装置、粉末收集系统和高电压电路及控制系统四部分组成。该设备结构合理，操作简便，最主要的特点就是丝导体在电爆中是自由的，不需要用夹具固定在两个电爆电极之间。这样一方面使得所能电爆的丝导体不再受到长度和直径的限制。另外还可省去夹具操作机构、高压间隙开关以及开关行程控制系统，从而大大降低了设备的复杂度，提高了运行稳定性；能连续电爆炸丝导体，目前实验电爆炸频率为10次/分钟。电爆的过程参数可调，对不同规格的丝导体其适应性较强。 在不同过程参数下进行电爆铜丝实验，研究了丝导体无接触电爆的特点以及用于制备金属超细粉的可行性。 影响整个丝导体电爆过程的因素概括起来有： 1)电爆最初阶段出现的电弧放电和此时形成等离子决定着丝导体电爆炸的起始状态，直接影响丝导体从固态加热、熔化，变成液态金属达到汽化状态前的整个加热过程。可以通过调节一些过程参数来改变这个加热过程。 2)能量密度，即金属单位体积内所沉积的能量。电流密度直接影响着能量密度。电流密度越大，加热速度就越大，金属就可以在更短的时间内沉积更多的能量，电爆炸起始点就倾向在高能区出现，当能量密度高于金属的比电流作用时表现为快爆炸。 在无接触电爆丝导体制备金属超细粉时，通过调节过程参数以获得不同粒径的超细粉。对电爆过程参数进行优化匹配，可使爆炸时沉积到金属的能量达到最大，从而使得紧接着发生的爆炸达到极大特征，因而可得到粒度均匀细小的高质量超细粉。在高能量快速作用下，大部分金属直接气化形成极微细粒子，爆炸冲击波驱使粒子在介质中高速运动形成了细小而均匀的颗粒。而在较低能量作用下丝导体首先发生熔化，只有小部分被蒸发，剩余金属经过爆炸冲击波作用形成熔滴和碎片，得到的粉末部分颗粒粗大或成片状，形貌不规则。接下来进行电爆炸铜丝制备粉末，获得了铜和铜的氧化物超细粉，研究了电爆过程参数对粉末的粒度和形态的影响。利用扫描电镜和透射电镜观察粉末形貌，利用激光粒度测试仪和电镜测量法分析粉末的粒度分布。电镜观察到粉末颗粒的微观形态多数为球形，有一部分呈不规则多面体状。激光粒度测试的粉末二次颗粒成正态部分布；电镜分析了部分粉末颗粒，中位径都在60nm以下，粒径主要分布在0.02μm～0.3μm。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1超细粉体材料的研究与应用

1.1.1超细粉体与纳米材料

1.1.2超细粉体的性质

1.1.3超细粉体材料的应用

1.1.4电爆法制备超细粉体材料

1.2课题来源及研究内容

1.2.1课题来源

1.2.2课题的研究意义

1.2.3问题的提出

1.2.4本文的研究内容

1.3本章小节

第2章丝导体电爆的理论研究

2.1引言

2.2丝导体电爆的物理特性

2.2.1在爆炸丝内产生高温及等离子

2.2.2在爆炸丝内产生强冲击波

2.2.3丝导体电爆产生的其它效应

2.3高压电场特性

2.4丝导体在高压电场中的电爆特征及影响因素

2.4.1丝导体长度对电爆的影响

2.4.2丝导体电阻率在电爆中的影响

2.5丝导体电爆的等离子体研究

2.5.1丝导体等离子体形成过程的物理解释

2.5.2.电流转向的Ttaylor解释模型

2.6丝导体快速电爆特性分析

2.6.1快速电爆的概念

2.6.2丝导体快速电爆的条件

2.6.3丝导体电爆炸起点对快电爆的影响

2.7本章小节

第3章丝导体无接触电爆法制备金属超细粉设备的研制及试验研究

3.1引言

3.2丝导体无接触电爆制粉设备

3.2.1设备结构

3.3丝导体无接触电爆制粉设备各部件的设计

3.3.1电极的设计

3.3.2丝导体送进装置的设计

3.3.3高电压电路系统的设计

3.3.4粉末收集系统的设计

3.4试验设备分析

3.5电爆试验

3.5.1电爆试验过程

3.5.2丝导体无接触电爆适应性试验

3.5.2试验过程及分析

3.6丝导体无接触电爆制粉试验

3.7本章小节

第4章电爆法制备的金属超细粉表征

4.1粉末表征分析的概念及意义

4.1.1粒度分布的概念

4.1.2超细粉末的分散

4.1.3超细粉粒度分布常用的测试手段

4.2电爆法制备粉末样品的表征

4.2.1电爆法粉末样品的预处理

4.2.2电爆制备的粉末形貌分析

4.2.3电爆制备的粉末激光粒度分析

4.2.4电镜法分析丝导体无接触电爆所得超细粉的粒度分布

4.3本章小节

本文结论

第5章问题及展望

5.1目前电爆制备超细粉存在的问题

5.2展望

参考文献

致谢

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