直流电弧等离子体CVD金刚石膜工艺参数优化

为了研究工艺对CVD金刚石膜生长的影响,本文采用电镜、激光Raman谱分析等手段研究工艺参数对CVD金刚石膜生长速率和生长质量的影响。结果显示：金刚石薄膜的生长速率随甲烷浓度（3%-10%）、基片温度（800-1200℃）的增加而增加,随工作气压的升高先是增加,而后降低,峰值在15-20 kPa处。金刚石薄膜中非金刚石碳的相对含量先随基片温度的增加逐渐降低,在1080-1100℃达到最小值以后又开始急剧增加,膜的质量（结晶形态好和非金刚石碳的相对含量少）在1080-1100℃处达到最佳。

直流等离子体球化钨粉制备及其性能研究

直流电弧等离子体具有核心温度高、环境清洁等特点,且制备出的粉体球形度高、球化率高,成为增材制造用高质量粉体规模化生产的重要技术。以不规则钨粉为原料,采用直流电弧等离子体球化技术制备球形钨粉,研究不同送粉速率及送粉气流量对球化后粉末颗粒性能的影响,证明不规则钨粉球化过程中的3种转变机制,并在较大送粉气流量下,采用直流电弧等离子体球化技术原位合成了纳米颗粒附着的球形钨粉。采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、激光粒度仪、粉末流动性测试仪对球化后钨粉颗粒的形貌、物相、粒径分布、流动性及松装密度等进行分析表征。结果表明:经直流电弧等离子体球化后钨粉颗粒物相未发生变化,呈现出单一钨相,送粉速率为8 r·min^(-1)时,制备的钨粉颗粒表面光滑且球化率可达到98%以上,粒径分布相较于原料粉末变窄。球化后钨粉的流动性最高,达到5.35 s·50 g^(-1),相较原料钨粉减少了13.18 s;松装密度由5.37提高到11.67 g·cm^(-3),提高了117.3%。

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。

特征信号图像测速法在超声速多组分等离子体射流中的应用

高速稀薄等离子体流场在航空航天领域有重要的应用.等离子体射流不同于常规的气体或液体的流动,其内部的电离状态、丰富的反应活性、多样的特征尺度、热平衡与非平衡共存等特点导致传统测速方法难以应用.特征信号图像测速法(SSIV)通过将羽流光强波动作为示踪信号来测量流体速度,从而拥有更好的流体跟随性和测量精度.利用低气压(约为100 Pa)直流电弧等离子体实验平台,文章基于特征信号图像测速方法,通过跟踪发生器输入功率周期变化引起的光强波动来测量纯氩以及氩-氦多组分两种工况下的羽流轴向平均速度分布.将中心波长为696.5 nm的窄带滤光片安装到光学镜头上,进一步获取两种工况下氩原子(ArI)单一谱线所对应的射流速度.结果分析表明,相同工况(电功率、气体质量流量及背景气压)下,氩-氦多组分等离子体的射流平均速度显著高于纯氩等离子体射流的平均速度.并且在氩-氦多组分等离子体的射流中,基于整体光强波动得到的射流速度要明显高于基于Ar I特征谱线获得的速度,表明SSIV方法不仅能够测量可压缩等离子体射流的平均速度,还具有分辨不同组分速度场的能力.研究结果展示了特征信号图像测速方法在复杂流场测量中的适用性和优势.

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。

直流电弧等离子体喷射CVD硼掺杂金刚石薄膜的制备及电化学性能研究

采用直流电弧等离子体喷射CVD(Chemical Vapor Deposition)法在硅(100)衬底上制备了(111)占优的掺硼金刚石(BDD)薄膜,研究了压强对薄膜生长的影响,在压强为5500 Pa时得到了(100)占优的金刚石薄膜,并用SEM、XRD及拉曼光谱分析了薄膜的表面形貌、晶体结构、薄膜品质。测试结果表明,掺硼金刚石膜具有较好的成膜质量。霍尔测试表明BDD的电阻率为0.0095Ω.cm,载流子浓度为1.1×1020cm-3;研究了BDD薄膜电极在硫酸钠空白底液、铁氰化钾/亚铁氰化钾溶液和多巴胺溶液中的循环伏安曲线(CVs),发现该金刚石薄膜电极在硫酸钠中具有较宽的电化学窗口(约为4 V)、接近零的背景电流和良好的可逆性,利用BDD电极检测多巴胺溶液,具有明显的氧化还原峰值和较好的稳定性。结果表明利用该方法制备的BDD电极在电化学检测方面具有明显的优势。

强电流直流伸展电弧等离子体CVD金刚石沉积均匀性研究

采用特殊的等离子体技术成功研制出适合于金刚石涂层工具工业化生产的中试设备-强电流直流伸展电弧等离子体CVD-500型中试设备。单腔体沉积的沉积工件数量在100支以上;对该设备的沉积均匀性进行了系统的研究,位于等离子体扩散区同一柱面不同位置沉积的金刚石形貌及质量均匀、一致,涂层厚度的不均匀度在±3．5％的范围内;同一沉积试件不同位置处的金刚石形貌及质量稍有差别,但均在许可范围之内,涂层厚度的不均匀度在±2％的范围内;等离子体的扩散区的径向6 cm～8cm,轴向距阳极7 cm-19cm的范围为该设备的有效沉积区域。

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 .

直流等离子体喷射CVD技术制备自支撑金刚石膜的新结构和新形貌(英文)

采用30kW高功率直流等离子体喷射CVD技术制备了自支撑金刚石膜的新型结构,通过使甲烷与氢气的浓度比随沉积时间变化的方法,制备了两层、三层和四层结构。扫描电镜结果显示所制备的层结构是由柱状晶和非常细晶粒组成的,而拉曼谱结果表明这层细晶粒具有纳米金刚石的激光散射特征。在甲烷与氢气的浓度比超过15%的沉积条件下,我们发现一种新形貌,这种形貌是由具有非常好的刻面的晶粒构成的。

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。

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。

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。

直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜的制备工艺探讨

介绍了直流电弧等离子体喷射CVD金刚石膜的沉积原理,探讨了在实际生产过程中获得高质量CVD金刚石膜的工艺条件.