【摘 要】
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电弧等离子体是一种提纯效果显著的冶金工艺,具有环境友好、提纯效率高等特点。同时,电弧等离子体也是一种制备纳米材料的方法,具有产物纯度高、效率高、操作简单、环境友好等优势。电弧等离子体提纯与纳米材料制备结合可提高生产效率、降低生产成本,符合国家高效、环保、创新的发展理念。本文以稀土金属钆（Gd）和难熔金属钨（W）为研究对象,探究了气氛、放电电流、熔炼时间和气体压力对提纯金属的影响规律,然后将纯化后的
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电弧等离子体是一种提纯效果显著的冶金工艺,具有环境友好、提纯效率高等特点。同时,电弧等离子体也是一种制备纳米材料的方法,具有产物纯度高、效率高、操作简单、环境友好等优势。电弧等离子体提纯与纳米材料制备结合可提高生产效率、降低生产成本,符合国家高效、环保、创新的发展理念。本文以稀土金属钆（Gd）和难熔金属钨（W）为研究对象,探究了气氛、放电电流、熔炼时间和气体压力对提纯金属的影响规律,然后将纯化后的金属制备为氧化钆（Gd2O3）和W纳米材料,实现了电弧等离子体提纯与纳米材料制备一体化,并揭示了提纯与纳米材料制备过程机理。研究结果如下:（1）对电弧等离子体提纯稀土金属Gd和难熔金属W的研究,随着H2浓度的增加,杂质去除率显著提高,这是因为H2的加入提高了阳极表面温度,促进了杂质挥发。另外,高活性的H+与杂质元素反应生成金属氢化物,进一步促进了杂质挥发。放电电流的增加和熔炼时间的延长,促进了气体电离,提高了熔融金属表面温度,使杂质不断从熔融金属表面挥发。随着气体压力的增加,杂质去除率先增加后降低,这是因为在低气压时等离子体气体浓度较低,而在较高气压时主金属元素挥发增加,从而降低了杂质去除率。金属Gd的最佳提纯条件为气氛:Ar+10%H2,放电电流:200 A,熔炼时间:40 min,气体压力:50 k Pa;金属W的最佳提纯条件为气氛:He+30%H2,放电电流:250 A,熔炼时间:40min,气体压力:60 k Pa。其提纯机理为:阴极射流不断撞击阳极金属,使阳极迅速熔化并在其内部形成热对流,杂质元素被带到边界层,加速杂质元素的挥发。同时,电离出的H+具有高的热导率和化学活性,提高熔融金属温度的同时,H+与杂质形成氢化物,使金属得到进一步纯化。（2）对电弧等离子体制备Gd2O3和W纳米材料的研究,在等离子体的高温作用下,蒸发的Gd优先与O反应,然后经过形核、冷凝、凝并后长大形成Gd2O3纳米材料。所制备纯度高的Gd2O3纳米材料为规则球形结构,平均粒径为32.7nm。蒸发出的W与H+反应生成WH,当WH离开高温区时,释放出H2转变为W纳米粒子,电弧等离子体加快了W纳米粒子的淬火速度,缩短了成核、生长过程时间,使稳态结构的α-W占比减少,亚稳态结构的β-W占比增加。制备的W纳米材料为球形结构,平均粒径为44.1 nm。
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