Snelle in-situ synthese van wolfram-koper bimetallische nanopartikelen met behulp van reactieve RF thermische plasma

Samenvatting

We rapporteren een in-situ synthese van wolfram-x gew% koper (x = 5, 10, 20) bimetallische nanopartikelen via geïnduceerde radiofrequente (RF) thermische plasma. Het proces reduceert wolframtrioxide (WO₃) en koper(II)oxide (CuO) tot metallisch W en Cu onder een waterstofatmosfeer, resulterend in uniform verdeelde composietdeeltjes.

Achtergrond

W-Cu composieten worden gewaardeerd voor hun gecombineerde hoge-temperatuurstabiliteit, lage thermische uitzetting en superieure elektrische geleiding, wat ze ideaal maakt voor auto-, luchtvaart-, energieopwekking- en elektronische toepassingen. Echter, hun uiteenlopende smeltpunten - W op 3683 K en Cu op 1353 K - gecombineerd met verwaarloosbare wederzijdse oplosbaarheid en hoge contacthoeken, vormen significante uitdagingen voor conventionele vloeistoffase-sintering en verdichting. Het aanpassen van de W/Cu verhouding (bijv. <20 gew% Cu voor thermisch beheer, <80 gew% Cu voor hoogvermogenscontacten) stelt het afstemmen van mechanische en transport-eigenschappen in.

Huidige nanopartikelfabricage-routes - mechanisch malen, thermochemische synthese en chemische reductie - leveren vaak onregelmatig gevormde deeltjes met beperkte uniformiteit en slechte verdichting tijdens opeenvolgende sintering. De onmisbaarheid van W en Cu belemmert deeltjescoalescentie, resulterend in suboptimale microstructuren. Recente studies suggereren dat het bekleden van W-micropoeders met Cu-nanopartikelen de verdichting kan verbeteren via vloeistoffase-sintering, aangezien gesmolten Cu poriën infiltreert en massa-transport bevordert.

Op deze inzichten voortbouwend, gebruikten we geïnduceerde RF thermische plasma om W-x gew% Cu composiet-nanopartikelen te produceren. De hoge temperatuur van de plasma en snelle afkoeling bevorderen heterogene nucleatie en botsing-coalescentie, potentieel de onmisbaarheidsbarrière overkomend en uniforme bimetallische deeltjes opleverend.

Methoden

Voedingspoeders werden bereid door WO₃ en CuO microdeeltjes (zuiverheid > 99,99%) in 5, 10 en 20 gew% Cu verhoudingen te mengen. Het mengsel werd gedroogd bij 423 K gedurende één uur. Deze oxiden werden gekozen vanwege hun lage kookpunten (WO₃ = 1973 K; CuO = 2273 K) ten opzichte van elementair W (5828 K) en Cu (2835 K), wat verdamping in de plasma vergemakkelijkt. De 30 kW RF inductieplasma (Tekna, Quebec) verdampte de voeding; waterstofgas reduceerde de dampen tot W en Cu metaal, terwijl argon- en stikstofgassen afkoeling en gecontroleerde nucleatiekinetica zorgden. De voorwaarden voor volledige verdamping en reductie zijn samengevat in Tabel 1.

Resultaten

Scanning elektronenmicroscopie gekoppeld met energie-dispersieve spectroscopie (SEM-EDS) bevestigde dat de gesynthetiseerde nanopartikelen overeenkwamen met de nominale W-x gew% Cu samenstellingen (Fig. 1). Röntgendiffractie (XRD) onthulde de aanwezigheid van α-W (kubisch, Im-3m), β-W (A15, Pm-3n) en Cu (fcc, Fm-3m) fasen, wat volledige reductie van de oxiden en gedeeltelijke persistentie van metastabiele β-W aangeeft (Fig. 2). Transmissie elektronenmicroscopie (TEM) toonde zowel kuboïde als spherische deeltjes met gemiddelde diameters van 28,2 nm (5 gew% Cu), 33,7 nm (10 gew% Cu) en 40,2 nm (20 gew% Cu) (Fig. 3). Elementaire mapping met high-angle annular dark-field STEM (HAADF-STEM) bevestigde uniformedispersie van W en Cu binnen individuele nanopartikelen (Fig. 4). Structurele analyse van het 20 gew% Cu monster onderscheidde α-W kuboïden van β-W en Cu spheren (Fig. 5).

Warmtebehandeling bij 1073 K in waterstof elimineerde de β-W fase, zoals bewijzen XRD en geselecteerde gebiedsdiffractiepatronen (Fig. 6), bevestigend dat de plasma-gesynthetiseerde deeltjes volledig kunnen worden gereduceerd tijdens sintering.

Discussie

Het gebruik van WO₃ en CuO als precursors maakt efficiënte verdamping en selectieve reductie mogelijk. W-atomen nucleeren bij hogere temperaturen vanwege hun lagere dampdruk, gevolgd door Cu-nucleatie tijdens afkoeling van het gas. Heterogene condensatie en botsing-coalescentie tussen W en Cu atomen produceren composiet-nanopartikelen. Slecht benettingsvermogen van Cu op W bevordert eilandgroei, maar de onmisbaarheid voorkomt volledige intermenging, resulterend in afzonderlijke W en Cu domeinen binnen elk deeltje - een voordelige architectuur voor het controleren van elektrische en thermische paden.

Residuele β-W, een metastabiele fase, kan volledig worden geëlimineerd door post-sintering warmtebehandeling, wat een stabiele α-W matrix voor optimale mechanische prestaties garandeert.

Conclusies

We hebben een snelle, in-situ RF thermische plasmamethode gedemonstreerd voor het produceren van W-x gew% Cu (x = 5, 10, 20) bimetallische nanopartikelen. Het proces bereikt volledige reductie van WO₃ en CuO, uniforme dispersie van W en Cu domeinen, en afstelbare deeltjesmorfologie. Deze bevindingen bieden een schaalbare route om onmisbare metaalcomposieten te fabriceren voor geavanceerde thermisch-elektrische toepassingen.