[发明专利]一种金属钨表面纳米化的装置及其方法

说明书

本发明公开了一种金属钨表面纳米化的装置及其方法，是采用设置有小孔的钨筒作为空心阴极装置，形成空心阴极效应，离化氦气，并获得低电压、大电流的氦等离子体，并使氦离子轰击作用于钨样品表面，通过空心阴极效应在5min钟内迅速升高样品温度到1600K以上。在注入一定剂量的氦离子后，可在钨表面获得与基体紧密连接的纳米结构。本发明提供了一种金属钨表面纳米化的装置及其方法装置简便、成本低廉，工艺简单、生产效率高，可以在金属钨表面形成均匀一致、与基体紧密连接的纳米结构生长层，提供了一种解决钨表面纳米化的全新途径，可进一步处理获得用于制备分解水的光催化材料。

技术领域

本发明属于金属表面纳米化处理技术领域，具体涉及一种金属钨表面纳米化的装置及其方法。

背景技术

由于其表面特性，纳米结构的材料表面在许多领域都有着重要的应用。尤其是一些具有疏松多孔纳米结构的材料表面对光催化过程十分有利，比如光电化学分解水。此外，与常见的光催化材料TiO₂相比（其只能利用光的紫外波段，而紫外波段仅仅占太阳光的3-5%），一些材料的氧化物或者氮化物，比如钨，钽等，可以充分利用可见光波段进行催化反应。对这些材料进行表面纳米化，可以有效地提高其催化效率，因为一方面三维的纳米结构大大地提升了催化材料的表面积，另一方面，纳米化有助于减少电荷输运距离从而提高催化材料的反应动力学。

目前制备纳米结构材料的方法多种多样，但是获得综合性质好的材料却并不容易。比如湿化学法加工可以获得均匀尺寸的钨颗粒，但是颗粒之间的接触很差，需要进一步处理将其连接。康硕增材制造科技（沧州）有限公司公开的103302310A专利采用优选的原料组成仲钨酸铵(APT)与柠檬酸和氨水，及相应的配比以仲钨酸铵(APT)与柠檬酸的摩尔比计算为1.5，以及与之相配合的制备工艺参数，得到满足要求的钨纳米粉末；另一方面，一些方法只能让金属钨表面的晶粒纳米化，但并不能获得输送多孔的结构从而有利于光的吸收。陈文革等人公开的103484806A专利，通过对预处理的钨铜合金依次经过表面纳米化和去应力退火处理，可大幅度细化钨铜合金表面的晶粒尺寸，在合金表面形成一定深度的、钨/铜两相均匀分布的纳米结构组织，钨铜合金表面纳米层的厚度为0.3-1.2mm；显著提高了钨-铜电接触材料的表面硬度，抗电弧烧蚀特性。

现有的研究表明，在氦离子辐照及高温的作用下，会在钨表面产生卷须状的纳米结构，实验中这些用于产生氦等离子体的装置如下所述：

一种用于产生等离子体的Pilot-PSI线性装置，其具体构造如Temmerman等人发表在《Nuclear Fusion》的文章《ELM simulation experiments on Pilot-PSI usingsimultaneous high flux plasma and transienteat/particle source》（Nucl. Fusion51 (2011) 073008-073015）所述。该装置通过级联电弧等离子体源产生高通量的等离子体，电源为电流控制模式。同时，一个电容器组连接在等离子体源上，并可以短暂的增加输入功率，产生的等离子体在线圈的约束下轰击到样品表面。

一种用于产生等离子体的装置如Ohno等人发表在《Nuclear Fusion》的文章《Static and dynamic behaviour of plasma detachmentin the divertor simulatorexperiment NAGDIS-II》中所述，该等离子源是基于TP-D模式的直流等离子源，由LaB6加工的阴极板以及铜做的空心阳极组成，阴极由碳丝加热，在加热作用下可以在100eV以下离化氦气，并轰击于样品之上。