對(duì)中真空條件下鋁蒸氣相變形核及冷凝的研究
在中真空條件(18~50Pa)下, 從原子碰撞與碰撞凝聚的角度分析系統(tǒng)溫度、鋁分壓及冷凝區(qū)溫度梯度對(duì)鋁蒸氣相變形核及冷凝的影響。采用真空蒸發(fā)冷凝法( 不充入惰性氣體) 制備出鋁珠及鋁粉, 并利用掃描電鏡與能譜進(jìn)行表征。結(jié)果表明:在中真空條件(18~50Pa)下, 蒸氣過(guò)飽和度增大, 利于液相形核, 這與溫度對(duì)單位時(shí)間鋁原子碰撞次數(shù)的影響一致, 但當(dāng)系統(tǒng)溫度降到液氣轉(zhuǎn)變最低溫度后, 鋁蒸氣將冷凝成固態(tài)。中真空下, 其影響蒸氣冷凝方式的重要因素之一是系統(tǒng)中冷凝區(qū)的溫度梯度。通過(guò)真空蒸發(fā)冷凝法, 在冷凝區(qū)溫度梯度約1.4K/mm 時(shí)制得金屬鋁珠, 溫度梯度約19.5K/mm 時(shí)制得金屬鋁粉。
在真空冶金、蒸發(fā)冷凝法( IGC) 制備金屬粉體及真空碳熱還原.氯化法及氟化法煉鋁等方面, 金屬蒸氣的冷凝一直受到人們的關(guān)注。而形核作為金屬蒸氣冷凝的初始階段( 決定了蒸氣的冷凝方式) ,在凝結(jié)、沸騰、結(jié)晶、催化等眾多問(wèn)題中廣泛存在并起著決定性作用。從理論上分析研究蒸氣的形核, 有利于找到影響蒸氣冷凝方式的關(guān)鍵因素, 實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸氣冷凝過(guò)程的有效控制, 制得滿足工業(yè)和生產(chǎn)需要的冷凝產(chǎn)物。
在形核方面, 曲凱陽(yáng)等研究了均質(zhì)形核結(jié)冰的隨機(jī)性及形核率, 張華偉等從理論上研究了金屬熔體中的氣泡形核, 曾丹苓利用熱力學(xué)理論從亞穩(wěn)平衡態(tài)的特性出發(fā)研究了汽液相變中汽泡形核的熱力學(xué)機(jī)制, 邵建立等利用分子動(dòng)力學(xué)方法研究了沖擊加載下孔洞誘導(dǎo)相變形核, Izmailov A F等研究了形核的統(tǒng)計(jì)意義, Ring TA 研究了納米團(tuán)簇形核, Leubner I H建立了顆粒形核及長(zhǎng)大的模型, L-mmen N 等利用分子動(dòng)力學(xué)模擬仿真研究了過(guò)飽和鐵蒸氣均勻形核, 王俊文建立了射頻等離子體化學(xué)氣相沉積( RF-PCVD) 法制備納米Al2O3 粉體中晶粒碰撞長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)模型, 而對(duì)影響金屬蒸氣冷凝及冷凝形核原因的分析未見(jiàn)報(bào)道。另外, 雖然鋁粒及鋁粉化學(xué)活性好、原料豐富及成本較為低廉, 在冶金、化學(xué)、工業(yè)用炸藥、推進(jìn)劑及其他方面得到了有效利用, 并且利用IGC 法制備鋁粒及鋁粉的過(guò)程簡(jiǎn)單, 但影響粉體粒徑的工藝參數(shù)多、粉體的產(chǎn)率低, 一直制約著該法的發(fā)展 �；诖�, 本文擬從微觀原子相互碰撞的角度出發(fā), 將常壓下的一些原理應(yīng)用到中真空下分析鋁蒸氣冷凝的過(guò)程,考慮系統(tǒng)溫度、鋁分壓及冷凝區(qū)溫度在蒸氣冷凝形核過(guò)程中的作用。通過(guò)設(shè)計(jì)獲得冷凝區(qū)不同的溫度梯度, 采用真空蒸發(fā)冷凝法制備鋁珠及鋁粉, 驗(yàn)證理論分析的正確性及真空蒸發(fā)冷凝法制備鋁珠及鋁粉的可行性。為中真空下蒸氣的冷凝、晶體與粉體的制備提供理論依據(jù)和試驗(yàn)基礎(chǔ)。
4、 結(jié)論
(1) 在中真空(18~50Pa) 下, 金屬鋁蒸氣過(guò)飽和后, 隨著溫度降低, 單位時(shí)間鋁原子碰撞次數(shù)增加,提高了鋁原子碰撞團(tuán)聚的概率, 有助于鋁原子在空間凝聚形核。
(2) 在中真空條件下, 隨著系統(tǒng)溫度降低, 鋁蒸氣過(guò)飽和度逐漸增大, 有利于液相形核, 這與溫度對(duì)單位時(shí)間鋁原子碰撞次數(shù)的影響一致。當(dāng)鋁蒸氣在低于經(jīng)過(guò)液相的最低溫度冷凝時(shí), 鋁蒸氣將直接冷凝成固態(tài)而并不經(jīng)過(guò)液態(tài)。
(3) 在中真空條件下, 冷凝器內(nèi)的溫度梯度有重要的作用, 并且真空蒸發(fā)冷凝法制備鋁珠以及鋁粉完全可行。在相同的鋁蒸發(fā)溫度(1703~1753K) 、相同直徑及高度的冷凝器中, 溫度梯度約1.4K/mm時(shí)通過(guò)真空蒸發(fā)冷凝法可以制得鋁珠, 溫度梯度約19.5K/mm 時(shí)制得鋁粉。
