利用反应式射频热等离子体原位快速合成钨铜双金属纳米颗粒

摘要

本文报道了一种利用感耦合射频（RF）热等离子体原位合成钨-x wt%铜（x = 5, 10, 20）双金属纳米颗粒的方法。该工艺在氢气氛围下将三氧化钨（WO₃）和氧化亚铜（CuO）还原为金属钨和铜，生成均匀分散的复合颗粒。

研究背景

W-Cu复合材料因其高温稳定性、低热膨胀和优异的导电性而备受青睐，是汽车、航空航天、发电和电子应用的理想选择。然而，钨（3683 K）和铜（1353 K）熔点差异巨大，加上两者互溶度可忽略不计且接触角高，给传统液相烧结和致密化带来了重大挑战。通过调节W/Cu比例（如热管理用<20 wt% Cu，高功率触点用<80 wt% Cu）可定制力学和输运性能。

当前的纳米颗粒制备路线——机械球磨、热化学合成和化学还原——往往产出形状不规则、均匀性有限且后续烧结时致密化差的颗粒。W和Cu的不互溶阻碍了颗粒聚结，导致微观结构不理想。近期研究表明，用Cu纳米颗粒包覆W微粉可通过液相烧结增强致密化，因为熔融Cu渗透孔隙并促进质量传输。

基于这些见解，我们采用感耦合射频热等离子体制备W-x wt% Cu复合纳米颗粒。等离子体的高温和快速淬火促进异质成核和碰撞聚结，有望克服不互溶屏障，生成均匀的双金属颗粒。

实验方法

原料粉末通过将WO₃和CuO微米颗粒（纯度>99.99%）按5、10、20 wt% Cu比例混合制备。混合物在423 K下干燥1小时。选择这些氧化物是因为它们的沸点（WO₃=1973 K；CuO=2273 K）远低于元素W（5828 K）和Cu（2835 K），便于在等离子体中气化。30 kW射感应等离子体（Tekna，魁北克）气化原料；氢气将蒸汽还原为W和Cu金属，氩气和氮气提供淬火并控制成核动力学。表1总结了全气化和还原条件。

结果

扫描电镜耦合能谱（SEM-EDS）证实合成的纳米颗粒成分与标称W-x wt% Cu组成一致（图1）。X射线衍射（XRD）显示存在α-W（bcc, Im-3m）、β-W（A15, Pm-3n）和Cu（fcc, Fm-3m）相，表明氧化物完全还原且亚稳态β-W部分保留（图2）。透射电镜（TEM）显示既有长方体也有球形颗粒，平均直径分别为28.2 nm（5 wt% Cu）、33.7 nm（10 wt% Cu）和40.2 nm（20 wt% Cu）（图3）。高角环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）元素映射证实W和Cu在单个纳米颗粒内均匀分散（图4）。20 wt% Cu样品的结构分析区分了α-W长方体与β-W和Cu球体（图5）。

在氢气中1073 K热处理消除了β-W相，XRD和选区电子衍射图谱证实了这一点（图6），表明等离子体合成的颗粒在烧结过程中可完全还原。

讨论

使用WO₃和CuO作为前驱体可实现高效气化和选择性还原。因W原子蒸汽压较低，在较高温度下成核，随后随气体冷却Cu成核。W和Cu原子间的异质凝聚和碰撞聚结生成复合纳米颗粒。Cu在W上润湿性差有利于岛屿生长，但不互溶阻止完全混合，导致每个颗粒内形成截然不同的W和Cu畴——这种结构有利于控制电热传导路径。

残留的亚稳态β-W可通过烧结后热处理完全消除，确保稳定的α-W基体以获得最佳力学性能。

结论

我们展示了一种快速、原位的射频热等离子体法制备W-x wt% Cu（x = 5, 10, 20）双金属纳米颗粒。该工艺实现WO₃和CuO完全还原、W和Cu畴均匀分散及颗粒形貌可调。这些发现为制备难熔金属复合材料提供了可扩展路线，服务于先进热电应用。