氮氩直流电弧等离子体射流特性实验研究

基于自主研发的等离子体射流性能监测系统,文中通过实验研究了氮氩直流电弧等离子体射流特性:利用基于LabVIEW虚拟仪器技术的监测系统研究了不同氮氩混合比例下直流电弧等离子体射流的弧压、热效率及热焓值特性;利用CCD图像采集与MATLAB图像处理融合技术研究了不同氮氩混合比例下直流电弧等离子体射流长度特性;提出通过钨棒熔断时间表征等离子体射流相对温度的方法,并研究了不同氮氩混合比例下直流电弧等离子体射流在离喷出口5mm处的相对温度变化规律。实验结果表明:氮氩混合比例会对直流电弧等离子体射流特性产生明显影响,具体为直流电弧等离子体的弧压、热效率、热焓值、射流长度、喷口射流温度均随着氮气所占氮氩混合比例的增加呈现出先急剧增加后以某一恒定速率缓慢增加的现象。

直流电弧等离子体下共蒸发无定型TiO_(2)基纳米复合材料及储锂性能

零应变TiO_(2)由于结构稳定、安全无污染,以及循环过程中低的体积膨胀(≤4%),是一类极具潜力的锂电负极材料。但较低的理论比容量(335 mAh·g^(-1))和较小的锂离子扩散系数无法满足市场对高能量密度和快速充放电电池的需求,限制了其进一步的应用。本工作利用共蒸发混合原料(CuO+TiO_(2)粗粉)法,原位合成了核/壳型无定型二氧化钛(a.-TiO_(2))包覆的铜纳米粒子(Cu@a.-TiO_(2)NPs),通过后续热氧化处理将Cu核部分氧化为电化学活性的CuO中间包覆层,最终获得了Cu@CuO@a.-TiO_(2)纳米复合粒子(Cu@CuO@a.-TiO_(2)NCs)。结果表明,Cu@CuO@a.-TiO_(2)NCs电极的首周放电比容量为1936.1 mAh·g^(-1),200次循环后放电比容量保持在882.3 mAh·g^(-1),库伦效率为98.8%。无定型TiO_(2)壳层提供了快速的离子/电子渗透通道,促进锂离子扩散迁移,提高了电荷的传输效率;金属Cu核组元有利于提高电极整体电导率,氧化过程产生的空隙缓解了电化学活性CuO相的体积膨胀效应,从而提高了Cu@CuO@a.-TiO_(2)NCs电极整体的电化学性能。

直流电弧等离子体炬物理场的数值模拟研究

直流电弧等离子体炬内部温度较高,物理场情况复杂,较难进行实验研究,因此对等离子体炬内部物理场的研究一般采用基于磁流体动力学模型的数值模拟研究。以一种直流电弧等离子体炬为研究对象,在给定的电流大小以及工作气体流量条件下对其温度场、速度场等物理场进行了数值模拟研究,研究结果表明:在电流大小200 A、工作气体流量0.0014 kg/s的工作模式下,直流电弧等离子体炬射流在出口处中心温度可达到13000 K,出口最大流速可达到2400 m/s。高温等离子体的温度分布主要与电流密度的分布有关,其能量来源主要是电弧产生的焦耳热。台阶形的阳极结构主要对等离子体射流的流速产生影响。

直流电弧等离子体法制备铋纳米粉体

采用自行研制的高真空三枪直流电弧金属纳米粉体连续制备设备,通过控制充气压力制备不同粒径的纳米铋粉。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和相应的选区电子衍射(SAED)以及SimplePCI软件等测试手段对样品的成分、晶体结构、形貌和粒径分布进行表征。结果表明:等离子体法制备的纳米铋粉纯度高,粒径分布窄,分散性好,颗粒呈链球状均匀分布;纳米粉体的晶体结构与块体材料相同,为六方结构、空间群R-3m,晶格常数略有增大;当电流恒定为250A、充气压力从5kPa增加到60kPa时,纳米铋粉的平均粒径从35nm增加到143nm。

外部磁场对直流电弧等离子体放电特性的影响及其机理

通过外部磁场驱动电弧旋转产生相对均匀的等离子体是一种可能的改进等离子体放电特性的有效手段。利用高速摄像技术和虚拟仪器技术,观察并测量了大气条件下、非均匀磁场驱动的直流电弧等离子体阳极弧根运动以及电弧电压波动。结果发现:相比无外部磁场,非均匀外部磁场驱动下的直流电弧等离子体在旋转力和稳弧力的作用下阳极弧根旋转,均匀性提高;其电弧电压波动幅度增大,放电模式发生改变;伏安特性曲线向上平移,电弧等离子体炬放电功率提高。另外,由于等离子体射流的高速运动而引起的等离子体射流在喷口处径向扩张,使等离子体射流横截面扩大,进一步提高了射流的均匀性。从结果中可以看出,外部磁场改善了直流电弧等离子体炬的基本特性,对直流电弧等离子体炬应用效率的提高具有重要的意义。

直流电弧炉电弧等离子体射流的数值模拟

数值模拟是研究直流电弧炉中电弧等离子体射流特性的有效方法,它可为理解和优化电弧炉冶炼过程提供参考依据。本文对直流电弧炉冶炼过程建立了电弧等离子体的二维稳态轴对称磁流体力学模型,采用大型商业软件PHOENICS对电弧流场和温度场进行了计算,仿真结果与文献报导的实际测量结果吻合良好。

煤在直流电弧等离子体中的气化

实验利用由我国完全自主研制的一套直流电弧等离子体煤气化装置 ,以空气为等离子发生器气源 ,大同煤为原料 ,在水蒸气参与下 ,初步考察了工艺条件 (等离子发生器功率、供煤速率和空气流量等 )对等离子体煤气化过程的影响 ,并优化了部分工艺参数 .同时发现没有液体焦油生成 ,并且在气相产物中没有检测到甲烷 .

直流氢电弧等离子体蒸发法制备纳米Cu粉

采用99·99%的高纯Cu,通过自行设计的直流电弧等离子体蒸发设备实现了高产率纳米Cu粉的制备。系统研究了电流、氢氩比、充气压力3个工艺参数对纳米Cu粉产率及粒度的影响。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和选区电子衍射(ED)以及SimplePCI软件对试样的成分、形貌、晶体结构和粒径分布进行了分析。结果表明,电流和氢氩比(H2/Ar)分别是对粉体产率和平均粒径影响的显著性因素;所制备的纳米铜粉为多晶结构,平均粒径在29～116nm范围内;在试验参数相近的情况下,产率比同类研究结果提高了26·65倍。

直流电弧等离子体甲烷二氧化碳重整反应

采用一种简单结构的直流电弧反应器,在无催化剂存在的条件下,高效率地实现了毫秒级甲烷二氧化碳的重整反应,产物选择性好,并且在反应过程中几乎没有积炭生成。在恒定输入功率(170W)的条件下考察了气体总流量和二氧化碳/甲烷摩尔比对反应结果的影响。提高反应气体的输入能量密度可以提高甲烷和二氧化碳的转化率,并且能够有效地抑制副产物的生成。当二氧化碳/甲烷摩尔比为1时,二氧化碳转化率为89.8%,甲烷转化率为96.3%,氢气和一氧化碳的选择性分别为99.6%和99.3%。二氧化碳过量可显著促进甲烷的转化以及同时获得合成气的高选择性。采用比能耗对该过程的能量利用效率进行了分析,以期指导反应条件优化以提高过程的能量利用效率。

直流电弧等离子体点火器化学效应研究

为研究直流电弧等离子体点火器的化学效应,测量了点火器喷出的等离子体射流的发射光谱,分析得到等离子体射流与常压环境空气相互作用产生的粒子种类,通过烟气分析仪定量测量了距离点火器出口8cm处的NO和CO含量,并研究了点火器弧电流、工作介质流量对NO和CO体积分数的影响。实验结果表明:等离子体点火器喷出的等离子体射流与环境空气相互作用可产生活性粒子H,O和N,带电粒子O2+,N2+和激发态粒子N2(A3),N2(B3),N2(C3)和O2(b1)等;增大弧电流、工作介质流量,等离子体射流头部附近NO和CO体积分数增大。

直流电弧等离子体喷射在金刚石膜制备和产业化中的应用

综述了北京科技大学在直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜沉积系统研制和改进及大面积高质量(包括光学级)金刚石自支撑膜沉积的研究进展和产业化状况。用同样技术研发出了可用于复杂形状硬质合金工具金刚石膜涂层工具批量生产的强电流直流伸展电弧等离子体CVD金刚石膜涂层系统,讨论了利用该设备研发金刚石膜涂层硬质合金工具及其现场切削试验的结果。

基于FLUENT软件直流电弧等离子体喷射法等离子体放电特征二维数值模拟

直流电弧等离子体喷射法制备金刚石膜的过程中氩气主要起维持电弧放电作用,在一定程度上保证电弧放电的稳定性。本文利用自定义标量和自定义函数技术对FLUENT软件进行二次开发,在动量和能量守恒方程中添加相应电磁源项。对纯氩直流电弧等离子放电特征进行二维数值模拟,并经过实验验证后最终得到等离子体放电区域的温度、焦耳热、电流密度和速度等分布。模拟结果表明气压为1000 Pa工作电流为100 A条件下：氩等离子体最高温度和最大速度达到11000K和340 m/s,且均出现在阴极尖端位置附近;较强的外侧气流使阳极斑点稳定维持在阳极内侧下边缘位置,其附近等离子体温度在9000 K左右;基体表面附近等离子体温度受到焦耳热分布和阴极高温射流共同作用,维持在3000～4000 K。

直流电弧等离子体蒸发法制备超细锌粉

采用自行研制的高真空三枪直流电弧等离子体蒸发金属纳米粉体连续制备设备,通过控制阴极电流大小制备不同粒径的超细锌粉。利用X射线衍射(XRD)、X射线荧光分析(XRF)、透射电子显微镜(TEM)和相应的选区电子衍射(SAED)以及Simple PCI软件等测试手段对样品的晶体结构、成分、形貌和粒径分布进行表征。结果表明:等离子体法制备的超细锌粉纯度(质量分数)高达99.945%,粒径分布窄,分散性好,颗粒以球状为主,夹杂少量六方形态;超细锌粉的晶体结构与块体材料相同,为六方结构,晶格常数略有收缩;当其他参数恒定,工作电流从150 A增加到300 A时,超细锌粉的平均粒径从165 nm增加到596 nm,产率从2 258.55 g/h提高到7 027.20 g/h。

直流电弧等离子体喷射金刚石厚膜生长不稳定性问题

采用高功率直流电弧等离子体CVD工艺制备了不同厚度的金刚石自支撑膜。观察到在金刚石厚膜生长过程中出现形貌不稳定性 ,并往往导致膜层组织疏松 ,强度降低。本文从理论和实验观察两个方面进行了讨论。生长不稳定性在任何高速沉积CVD过程中都可能发生 ,而直流电弧等离子体的高温造成碳源高饱和度以及高温等离子体射流对衬底表面的冲击 ,使之比其它CVD金刚石膜沉积工艺具有更大的不稳定生长倾向。基于实验研究结果 ,建议在较低的气体压力下沉积 。

直流电弧等离子体蒸发法制备超细铜粉研究

采用自行研制的高真空三枪直流电弧等离子体蒸发连续制粉设备制备了高纯度超细铜粉。系统研究了电流强度、氢氩比、充气压力3个工艺参数对超细铜粉产率和平均粒径的影响。利用X射线衍射(XRD)、X射线荧光分析(XRF)、透射电子显微镜(TEM)和相应的选区电子衍射(SAED)以及Simple PCI软件等测试手段,对样品的晶体结构、成分、形貌和粒径分布进行表征。研究结果表明,该设备制备的超细铜粉纯度高达99.949%,粒径分布窄,分散性好,颗粒主要呈球状,平均粒径在52.7～159.1 nm范围内,为多晶结构;阴极电流强度和氢氩比分别是影响超细铜粉产率及平均粒径的最主要影响因素,阴极电流强度从500 A增加到700 A时,产率提高了173.8%;最大产率比同类研究结果提高了近20%。

直流电弧等离子体球化U_3Si_2粉体

研制了直流电弧等离子体球化U3 Si2 粉体装置。在Ar +He气氛下对粒度为 1 0～ 1 5 0 μm范围内不规则形状的U3 Si2 粉体进行了球化。球化率达 90 %。

直流电弧等离子体法制备纳米铁粉

采用自行研制的高真空双枪直流电弧金属纳米粉连续制备系统，制备了纯度较高的纳米铁粉。采用L16（4^3）正交实验的方法研究了各工艺参数对粉体产率及平均粒径的影响。利用X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）和相应选区电子衍射（SAED）试手段对样品的成分、形貌、晶体结构等进行了表征。利用SimplePCI软件测定了样品的平均粒径。结果表明：制备的纳米铁颗粒具有明显的球状形态，在静磁力的作用下呈现出链状分布；纳米铁粉的尺寸分布较窄，平均粒径在29～86nm范围内；电流是影响产率的主要因素，而充气压力是影响粒度分布的主要因素。

直流电弧等离子体区域电弧分布特征对自支撑金刚石膜性质的影响

直流电弧等离子体喷射法制备自支撑金刚石膜时,电弧区域可分为弧心、弧干和弧边三个区域。本文运用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、激光Raman光谱、正电子湮没寿命谱(PAL)和力学性能实验机研究了同一块自支撑金刚石膜不同区域的生长面形貌、晶体取向、内应力、空位缺陷和断裂强度。结果表明:随着与直流电弧等离子体弧心距离增加金刚石膜生长更稳定,(220)取向晶粒减少,平均空位缺陷减少,内应力和断裂强度呈现先增大后减小的趋势。

直流氢电弧等离子体蒸发法制备纳米锡粉

采用高纯锡,通过自行设计的直流电弧等离子体蒸发设备制备了纯净的纳米锡粉。利用X射线衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和选区电子衍射(ED)以及Simple PCI软件对样品的成分、形貌、晶体结构和粒径分布进行了分析。结果表明:在本文制备工艺参数条件下,该设备可以成功制备平均粒径为26至49nm的纳米锡粉;粉体的产率和粒径随充气压力升高而增大。所制备的纳米锡粉颗粒细小,纯净,为多晶结构;通过分析不同腔体内的粉体粒径,发现距离钨电极越远,所形成的颗粒尺寸越大。

直流喷射电弧等离子体制备金刚石单晶的研究

通过利用光发射谱技术,探测了大功率直流喷射电弧等离子体增强化学气相沉积方法中沉积区域的气相激元分布,进而优选了金刚石生长的位置。在沉积过程中,不断使衬底做背向等离子体的运动,实现了大颗粒金刚石的连续生长,颗粒尺寸达到约1 mm3。采用劳厄背反射X射线衍射测试技术和拉曼谱技术,对所制备的样品进行了测试,结果表明:所制备的颗粒为金刚石单晶。对于大尺寸衬底,研究了背向运动速度对沉积晶体的形貌和质量的影响,发现了ATG型不稳定形貌。