电化学放电的纳米颗粒制备方法

摘要

本发明公开了一种电化学放电的纳米颗粒制备方法，属于纳米材料制备领域。在制备纳米颗粒的过程中，连接在电源负极的工具电极和连接在电源正极的进电块在电解液中发生电化学反应，产生气泡，并附着在工具电极表面。随着加工的继续进行，工具电极在电解液液面以下的部分被不断产生的气泡完全包覆，使工具电极和电解液完全隔离，从而在工具电极和电解液之间形成电压差，然后击穿工具电极和工件表面的气泡层，形成放电通道，产生放电。放电通道中的瞬时高温高压能量气化了工件表面的电解液后，再进一步熔化、气化工件，产生蚀除产物并抛入电解液中，经冷却、凝固后形成纳米颗粒。本发明提供的制备方法成本低、产率高。

权利要求

1.一种电化学放电的纳米颗粒制备方法，其特征在于包含以下步骤：

(1) 选用高电阻率或绝缘材料的纳米颗粒体材料作为工件 (3)，使工具电极（4），工件（3）和进电块（1）浸入电解液（2）中；

(2) 进电块(1)和工具电极(4)分别接在加工电源（7）的正负极；工具电极 (4)作为阴极，进电块 (1)作为阳极在电解液中发生电化学反应，产生气泡，并附着在工具电极(4)表面，随着加工的继续进行，工具电极(4)在电解液液面以下的部分被不断产生的气泡完全包覆，使工具电极(4)和电解液(2)完全隔离；

(3) 当工具电极(4)和电解液(2)被完全隔离时，在其之间形成电压差，当电压差达到放电条件时击穿气泡层，形成放电通道，在工具电极(4)和工件(3)表面的电解液之间产生放电；放电通道中的瞬时高温高压能量气化了工件(3)表面的电解液后，再进一步熔化、气化工件(3)，产生蚀除产物并抛入电解液(2)中，经冷却和凝固后形成直径<100nm的纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述的电化学放电的纳米颗粒制备方法，其特征在于：

利用一个含过滤装置（10）的工作液循环系统（9）让电解液（2）在工作液槽（5）外部进行循环流动，使电解液（2）冷却，并对制备得到的纳米颗粒进行初级收集。

3.根据权利要求1所述的电化学放电的纳米颗粒制备方法，其特征在于其电解液可以是质量分数10%~50%的KOH，NaOH, Na2CO3,NaNO3溶液。

4.根据权利要求1所述的电化学放电的纳米颗粒制备方法，其特征在于工具电极为钨或钼。

说明书

电化学放电的纳米颗粒制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及纳米材料制备领域，特别涉及一种纳米颗粒的制备方法。

背景技术

[0002] 在纳米颗粒中，由于量子限制效应作用，其载流子的能级类似原子有不连续的能级结构。由于特殊能级结构，使得纳米颗粒表现出独特的物理性质，如量子尺寸效应、量子遂穿效应、库仑阻塞效应、表面量子效应、量子干涉效应、多体相关和非线性光学效应等。它对于基础物理研究和新型电子和光电器件都有很重要的意义。纳米颗粒材料生长和器件应用研究一直是科学界的热点之一。

[0003] 由于纳米粒子具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子效应、宏观量子隧道效应和催化效应。因此，它在催化性能、光学性能、磁性能、增强增韧性能、储氢性能和润滑性能等方面都具有特异功能。从而获得了广泛的应用。主要应用于：催化剂、纳米电子器件、传感器、 磁性材料、光学和隐身材料以及增韧补强材料、生物医学材料。在增强结构材料方面有纳米颗粒增强材料、纳米晶须、纤维增强材料、纳米颗粒助烧结材料、纳米焊接技术。

[0004] 在磁性材料方面有纳米巨磁电阻材料、纳米磁记录材料、纳米微晶软磁材料、纳米微晶稀土永磁材料、纳米磁制冷工质材料。

[0005] 在生物材料方面有纳米复合牙齿替代材料、纳米复合骨替代材料。

[0006] 在半导体方面有纳米温敏材料、纳米压敏材料、纳米湿敏材料、纳米气敏材料、纳米光敏材料。

[0007] 在光学隐身材料方面有纳米光学隐身材料，其中又分为可见光隐身、微波隐身、红外隐身和激光隐身等。

[0008] 纳米粒子的制备作为当前研究的热点，国内外的众多专家学者均对其展开了广泛的研究。目前，纳米粒子的制备有很多方法，主要有溶胶凝胶法、化学气相沉积法、激光热解法、等离子合成法等。然而，现有的制备纳米粒子的方法，设备昂贵，产率不高，加工过程复杂等一系列不足。

发明内容

[0009] 针对纳米颗粒的制备成本高、产率低的缺陷，本发明提供了一种电化学放电的纳米颗粒制备方法。

[0010] 一种电化学放电的纳米颗粒制备方法，其特征在于包含以下步骤：(1) 选用高电阻率或绝缘材料的纳米体材料作为工件，使工具电极，工件和进电块浸入电解液中； (2) 进电块和工具电极分别接在加工电源的正负极；工具电极作为阴极，进电块作为阳极在电解液中发生电化学反应，产生气泡，并附着在工具电极表面，随着加工的继续进行，工具电极在电解液液面以下的部分被不断产生的气泡完全包覆，使工具电极和电解液完全隔离；(3) 当工具电极)和电解液被完全隔离时，在其之间形成电压差，当电压差达到放电条件时击穿气泡层，形成放电通道，在工具电极(4)和工件(3)表面的电解液之间产生放电；放电通道中的瞬时高温高压能量气化了工件(3)表面的电解液后，再进一步熔化、气化工件，产生蚀除产物并抛入电解液(2)中，经冷却和凝固后形成直径<100nm的纳米颗粒。

[0011] 所述的电化学放电的纳米颗粒制备方法，其特征在于：利用一个含过滤装置的工作液循环系统）让电解液在工作液槽外部进行循环流动，使电解液冷却，并对制备得到的纳米颗粒进行初级收集。

[0012] 上述工件材料是高电阻率材料(如：硅、锗等半导体)或者是绝缘材料（如：陶瓷，金属氧化物等）。

[0013] 上述电解液可以是质量分数10%~50%的KOH，NaOH, Na2CO3,NaNO3 等溶液。

[0014] 上述工具电极为熔点高的材料，如钨、钼等。

[0015] 在加工过程中，依靠电化学作用形成的非导电气体完全包覆工具电极，隔绝工具电极和电解液，从而在工具电极和电解液之间形成电压差，当达到放电条件时击穿气体，形成放电通道，产生放电。利用放电通道中的瞬时高温高压能量熔化、气化工件，产生蚀除产物并抛入电解液中，冷却、凝固形成纳米颗粒。本发明提供的电化学放电的纳米颗粒制备方法有如下有益效果：

[0016] 1．本发明提供的电化学放电的纳米颗粒制备方法，设备成本低，操作过程简易。在传统的电火花加工机床上进行简单的改造就能实现本专利提出的方法，可操作性强。

[0017] 2．本发明提供的电化学放电的纳米颗粒制备方法，能实现长时间持续生产，产率高。添加一个工作液循环系统，能实现加工和提纯同时进行。

[0018] 3．本发明提供的电化学放电的纳米颗粒制备方法，绿色环保，不产生有害气体和物质。在加工过程中，通过选取合适的工具电极、进电块和电解液能实现非导电气体只是由电解水产生，而不产生其他污染物。

[0019] 4．本发明通过一个含过滤装置的工作液循环系统让电解液在工作液槽外部进行循环流动，使电解液冷却，并对制备得到的纳米颗粒进行初级收集，使加工产物及时得到排除和收集，保证了加工的顺利进行。

[0020] 5．本发明提供的电化学放电的纳米颗粒制备方法，为纳米颗粒的制备提供了一种新思路，拓展了电化学放电加工方法的应用范围。

[0021] 6. 电化学放电中电解液和电参数的选取为本领域通用条件，根据工件、电极的不同，技术人员会自行调整。

附图说明

[0022] 图1是本发明提供的电化学放电纳米颗粒制备方法的装置示意图；

[0023] 图2是改进的电化学放电纳米颗粒制备方法的装置示意图；

[0024] 1是进电块，2是电解液，3工件，4是工具电极，5是工作液槽，6是伺服进给系统，7是加工电源，8是泵，9是工作液循环系统，10是过滤装置。

具体实施方式

[0025] 实施例1

[0026] 利用电化学放电方法可制备硅纳米颗粒。

[0027] 选取采用如图2所示的电化学放电方法可制备硅纳米颗粒的装置，首先在工作液槽5中加入电解液2浓度为10%的Na2CO3溶液，采用的工件材料3是本征硅，采用的工具电极4是钼棒，选用的进电块为石墨电极。

[0028] 在工具电极3和进电块1间加上幅值为100V，频率为100Hz，占空比为50%的脉冲电压，使工件3和工具电极4间不断产生氢气泡，随着加工的继续进行，氢气泡完全包裹工具电极，使工具电极和电解液完全隔离，形成电位差，当电压达到放电需要的电压值时，击穿氢气泡层，产生放电利用放电的能量气化和熔化工件，形成蚀除产物，并抛入电解液，冷却、凝固形成硅纳米颗粒。同时通过伺服进给系统6进行伺服进给，持续产生硅纳米颗粒。

[0029] 另外，采用一个包含过滤装置10的工作液循环系统9让电解液2在工作液槽5外部进行循环流动，可以使电解液2冷却，并对制备得到的硅纳米颗粒进行初级收集.[0030] 本实施例制备得到的硅纳米颗粒，通过X射线能谱仪(EDS)分析可得其纯度在99%以上；利用激光粒度仪分析可得其粒径范围为10nm～100nm，其产率为2g/h，并且通过不断的改进产率还有很大的提高空间。

[0031] 实施例2

[0032] 利用电化学放电方法可制备PZT陶瓷颗粒。

[0033] 选取采用如图2所示的电化学放电方法可制备PZT陶瓷颗粒的装置，首先在工作液槽5中加入电解液2浓度为10%的NaOH溶液，采用的工件材料3是PZT陶瓷，采用的工具电极4是钼棒，选用的进电块为不锈钢。

[0034] 在工具电极3和进电块1间加上幅值为150V，频率为100Hz，占空比为50%的脉冲电压，使工件3和工具电极4间不断产生氢气泡。，随着加工的继续进行，氢气泡完全包裹工具电极，使工具电极和电解液完全隔离，形成电位差，当电压达到放电需要的电压值时，击穿氢气泡层，产生放电利用放电的能量气化和熔化工件，形成蚀除产物，并抛入电解液，冷却、凝固形成PZT陶瓷纳米颗粒。同时通过伺服进给系统6进行伺服进给，持续产生PZT陶瓷纳米颗粒。

[0035] 另外，采用一个包含有微滤的过滤装置10的工作液循环系统9让电解液2在工作液槽5外部进行循环流动，可以使电解液2冷却，并对制备得到的PZT陶瓷纳米颗粒进行初级收集.

[0036] 本实施例制备得到的PZT陶瓷纳米颗粒，通过X射线能谱仪(EDS)分析可得其纯度在99%以上；利用激光粒度仪分析可得其粒径范围为5nm～100nm，其产率为1.5g/h，并且通过不断的改进产率还有很大的提高空间。