对中真空条件下铝蒸气相变形核及冷凝的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)昆明理工大学真空冶金国家工程实验室 作者:朱富龙

  在中真空条件(18~50Pa)下, 从原子碰撞与碰撞凝聚的角度分析系统温度、铝分压及冷凝区温度梯度对铝蒸气相变形核及冷凝的影响。采用真空蒸发冷凝法( 不充入惰性气体) 制备出铝珠及铝粉, 并利用扫描电镜与能谱进行表征。结果表明:在中真空条件(18~50Pa)下, 蒸气过饱和度增大, 利于液相形核, 这与温度对单位时间铝原子碰撞次数的影响一致, 但当系统温度降到液气转变最低温度后, 铝蒸气将冷凝成固态。中真空下, 其影响蒸气冷凝方式的重要因素之一是系统中冷凝区的温度梯度。通过真空蒸发冷凝法, 在冷凝区温度梯度约1.4K/mm 时制得金属铝珠, 温度梯度约19.5K/mm 时制得金属铝粉。

  在真空冶金、蒸发冷凝法( IGC) 制备金属粉体及真空碳热还原.氯化法及氟化法炼铝等方面, 金属蒸气的冷凝一直受到人们的关注。而形核作为金属蒸气冷凝的初始阶段( 决定了蒸气的冷凝方式) ,在凝结、沸腾、结晶、催化等众多问题中广泛存在并起着决定性作用。从理论上分析研究蒸气的形核, 有利于找到影响蒸气冷凝方式的关键因素, 实现对蒸气冷凝过程的有效控制, 制得满足工业和生产需要的冷凝产物。

  在形核方面, 曲凯阳等研究了均质形核结冰的随机性及形核率, 张华伟等从理论上研究了金属熔体中的气泡形核, 曾丹苓利用热力学理论从亚稳平衡态的特性出发研究了汽液相变中汽泡形核的热力学机制, 邵建立等利用分子动力学方法研究了冲击加载下孔洞诱导相变形核, Izmailov A F等研究了形核的统计意义, Ring TA 研究了纳米团簇形核, Leubner I H建立了颗粒形核及长大的模型, L-mmen N 等利用分子动力学模拟仿真研究了过饱和铁蒸气均匀形核, 王俊文建立了射频等离子体化学气相沉积( RF-PCVD) 法制备纳米Al2O3 粉体中晶粒碰撞长大的动力学模型, 而对影响金属蒸气冷凝及冷凝形核原因的分析未见报道。另外, 虽然铝粒及铝粉化学活性好、原料丰富及成本较为低廉, 在冶金、化学、工业用炸药、推进剂及其他方面得到了有效利用, 并且利用IGC 法制备铝粒及铝粉的过程简单, 但影响粉体粒径的工艺参数多、粉体的产率低, 一直制约着该法的发展 。基于此, 本文拟从微观原子相互碰撞的角度出发, 将常压下的一些原理应用到中真空下分析铝蒸气冷凝的过程,考虑系统温度、铝分压及冷凝区温度在蒸气冷凝形核过程中的作用。通过设计获得冷凝区不同的温度梯度, 采用真空蒸发冷凝法制备铝珠及铝粉, 验证理论分析的正确性及真空蒸发冷凝法制备铝珠及铝粉的可行性。为中真空下蒸气的冷凝、晶体与粉体的制备提供理论依据和试验基础。

4、 结论

  (1) 在中真空(18~50Pa) 下, 金属铝蒸气过饱和后, 随着温度降低, 单位时间铝原子碰撞次数增加,提高了铝原子碰撞团聚的概率, 有助于铝原子在空间凝聚形核。

  (2) 在中真空条件下, 随着系统温度降低, 铝蒸气过饱和度逐渐增大, 有利于液相形核, 这与温度对单位时间铝原子碰撞次数的影响一致。当铝蒸气在低于经过液相的最低温度冷凝时, 铝蒸气将直接冷凝成固态而并不经过液态。

  (3) 在中真空条件下, 冷凝器内的温度梯度有重要的作用, 并且真空蒸发冷凝法制备铝珠以及铝粉完全可行。在相同的铝蒸发温度(1703~1753K) 、相同直径及高度的冷凝器中, 温度梯度约1.4K/mm时通过真空蒸发冷凝法可以制得铝珠, 温度梯度约19.5K/mm 时制得铝粉。

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