金属的蒸发速率受到等离子体的电流、电压、气体的总压力和氢气的分压等因素的影响。氢具有显著增加蒸发速率的效果,以元素不同可以提高10-1000倍。对于大多数金属来说,其蒸发速率随着氢气的分压增加而增加,在50%处达到最大值,随后维持一个饱和值或略微下降。图17-49是Fe、Co、Ni的蒸发速率随氢气分压变化的规律。由于氲气具有维持等离子体稳定的作用,所以热等离子体制备的气氛一般在45%-55%H2。图17-50给出了总的气体压力对等离子体制备纳米颗粒速率的影响。纳米颗粒的产率随着总的压力而增加,当总压力达到了500torr时,基本上就达到饱和。这种增加与氢气的总量增加相关。
图17-49 Fe、Co、Ni纳米颗粒的生成速率与氢浓度的关系
图17-50 Fe纳米颗粒产生速率与压力的相关性(等离子体气氛为50%H2+50%Ar)
等离子体的电压随着氢气的分压以及电极之间的距离的增加而增加。电压的增加可以略微增加纳米颗粒的产率,但是效果很有限。等离子体的电压一般维持在20-45V之间。由于气氛都是设定好了的,所以实际的电压调控是通过改变电极之间的距离实现的,一般在10-20mm。增加电流可以氢离子和中性氢原子等活性离子的数目,有利于促进物质的蒸发,但是电流增大也会改变等离子体的分布,使等离子体更集中,加热物质的表面减少,不利于物质的蒸发,所以增加电流对纳米颗粒的产率的影响比较复杂,如图17-51所示,先随着电流的增大而增大,在某一电流值处达到最大值,随后反而减小。根据设备电极状况不同,电流值大体在100~250A。电极与熔解面的角度一般在45°。
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图17-51 在50%H2+50%Ar气氛下,Fe、co、Ni纳米颗粒的产生速率与等离子体电流大小的关系
除了上述制备工艺因素以外,还与物质元素的氢化物形成焓、熔点、沸点、饱和蒸气压等性质密切相关。0hno和Uda比较了氢气和纯氩气等离子体条件下金属的蒸发速率比Rp,提出了如下的规律[40,41]:
式中,△Hr是金属元素的氢化物形成焓;Ls是金属在温度T时的蒸发热;和(273)分别是氢分子在温度T和273K时在金属中的熔解浓度。
如果是合金的话,则合金的相对值。元素不同,Rp相差很大。
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