CN101269834A - 等离子电弧一步法制备纳米ito粉末的方法 - Google Patents

Abstract

一种等离子电弧一步法制备纳米ITO粉末的方法，其特征是：将In－Sn合金通过定点定量的给料方式连续送入等离子反应室的坩埚中，所说的等离子反应室以Ar为等离子体工作气体，其工作电压为30～60v，工作电流为100～400A，等离子反应室内以合金原料作为正极，在正极和喷嘴负极之间通过高频点燃器引燃而形成电弧，电离周围的惰性气体，形成稳定的等离子体；原料被高温等离子体加热熔化、蒸发形成金属蒸汽，与氧气发生反应，在反应器夹层中的流动水冷却作用下，形成很大的温度梯度，造成金属蒸汽中很高的过饱和区，并从气相中自发形核、凝聚、生长成纳米ITO微粒。本发明所制得的纳米TIO粉末晶粒形状规则，粉末纯度高；本发明可以实现连续给料、连续反应、连续制粉，效率高，与其他方法相比，更容易实现规模化生产。

Description

等离子电弧一步法制备纳米ITO粉末的方法

技术领域

本发明涉及一种高纯度铟锡氧化物(ITO)纳米粉末的制备方法，属于气化法制粉中的一种。

技术背景

铟锡氧化物(Indium Tin Oxides，英文缩写为ITO)纳米粉末是指90％的In₂O₃与10％的SnO₂组成的氧化物材料，是一种新型的特殊功能材料、金属铟的深加工高新技术产品。ITO粉末主要用于制备ITO靶材及ITO薄膜。ITO薄膜具有对可见光透过率高，红外光区的反射率高，紫外光区的吸收率高，良好的导电性，良好的基体附着性及化学稳定性。ITO的上述特性使其在许多领域有着非常广泛的应用，成为现阶段具有重要应用和研究价值的透明导电材料。通常，只有高质量的ITO粉末才能制备出性能完善的ITO靶材。因此，ITO纳米粉末的研制是国内外材料学科研究的热点之一。

中南大学陈世柱等(NONFERROUS METALS，2000，52，88-90)以金属铟和锡为原料，通过喷雾燃烧法制备出纳米ITO粉末，该方法生产效率很高，适合大批量生产，制备出的粉末纯度也很高，但需要在10-15MPa的高压下雾化，这对设备的需求较高，且操作具有一定的危险性，工艺操作复杂。Chi-Hwan等人(Materials Latters 61(2007)1701-1703)利用溶胶-凝胶法成功制备出粒径在16-33纳米的粉末，Nam等(Scripta Mater，2001，44，2047-2050)用共沉淀法制得纳米级ITO粉末。溶胶-凝胶法及共沉淀法是常用的制备纳米ITO粉末的方法，但是对于溶胶-凝胶法来说，影响因素比较多，如溶液的浓度、温度、pH值等都会影响胶体的形成；而共沉淀法制得的粉末颗粒粒径不均匀。Yanagisawa等(J.Am.Cerama，Soc，2001，84，251-253)以氯盐为原料采用共沉淀法得到铟、锡的氢氧化物前驱体，然后进行反复洗涤去除氯离子，再进行水热处理，最后进行热处理得到ITO粉体。该方法中，氯离子的去除是一大关键，如果氯离子残留会影响到ITO靶材的烧结，然而，氯离子的去除是一个很费时的工艺过程，往往需要消耗大量的水、电力，同时还会造成产物的大量流失，使产品生产成本增加，并造成严重的环境污染。

CN1978323A公开了“一种高烧结活性ITO粉的制备方法”，它是利用铟和锡的醇盐及其它有机和无机盐制备出粒径为6～25纳米的高烧结活性ITO粉。虽然该方法没有直接利用氯化物进行制备，但该方法中有一个工序是在反应器中于130～260℃进行水热反应3～24小时，时间过长，导致整个反应的周期过长。CN1301911C公开了“一种氧化铟中固溶锡的ITO粉末制备方法”，它是把硝酸铟和氯化锡混合溶液为原料，利用喷雾热分解法制备纳米ITO粉，该方法制得的粉末为球形，但由于含有氯离子，同样会影响靶材的烧结。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种粒径尺寸小，分布均匀，比表面积高，纯度高，工艺流程简单，可以控制合金分馏及偏析，实现连续给料、连续反应、连续制粉，高效制备纳米级ITO粉末的一步气化法。

本发明的技术方案是，利用等离子电弧一步法制备纳米ITO粉末。

本发明的特征是：将重量比In∶Sn＝9.04∶1的金属In、Sn配制成合金熔液作为反应原料，在接通电源后将In-Sn合金通过定点定量的给料方式连续送入等离子反应室的坩埚中，所说的等离子反应室以Ar为等离子体工作气体，具有以流动水为冷却介质的夹层水套，并通有压缩空气，其工作电压为30～60v，工作电流为100～400A，所说的等离子反应室以坩埚中的合金原料作为正极，在正极和等离子枪喷嘴负极之间通过高频点燃器引燃而形成电弧，电离周围的惰性气体，形成稳定的等离子体，原料被高温等离子体加热熔化、蒸发形成金属蒸汽，与氧气发生反应，在反应器夹层中的流动水和压缩空气冷却作用下，形成很大的温度梯度，造成金属蒸汽中很高的过饱和区，并从气相中自发形核、凝聚、生长成纳米ITO微粒，并沉降在收集室中；在此过程中，所说的定点定量的给料方式，是指通过一个无极连续可调控制器，在阳极斑点区每次给以相同数量的合金，所给的合金量的具体数值视反应室的大小及功率而定，以给的量能足以被气化为准，可实现合金定时定量给定。在本发明中，所说的In-Sn合金中的原料In和Sn的纯度为99.99％。

同现有技术相比，本发明有如下优点或积极效果：

1、制得的纳米ITO粉粒径在25～65nm之间颗粒形貌呈均匀球形，分散性好。

2、为了提高蒸发效率，本发明采用定点、定量的给料方式，使等离子电弧的热量利用最大化，强化了气化效果，为促使蒸汽形核和有效抑制晶核生长提供了重要条件，容易实现对粒度的控制。

3、利用惰性气体进行保护，使得反应室内的蒸汽纯净，制备出的粉末纯度高，分散性好，为制备高质量的ITO靶材提供了原料，从根本上解决了由于ITO粉末中富含氯元素，烧结法及热等静压法制备IT0靶材的过程中出现的靶材严重开裂的问题，。

4、本发明这种特殊的定点定量给料方式，实现了反应室内的连续反应，连续制粉，且在制备合金(复合)粉末时，不会产生金属的分馏及偏析问题，一步反应便可以收集到成品ITO粉末，为工业气化法制备纳米ITO粉提供了一条崭新的途径。

附图说明

图1为等离子气化法制备纳米TIO粉的工艺流程图。

图2为实施例1所制备的粉末放大30万倍的透射电镜图片。从图上可以看到，该粉末为粒径20-50纳米颗粒，且形状规则，晶形结构好，分散好。由于纳米粉末的小尺寸效应，表面效应使其有团聚现象。从图上可以看出，粒子为立方结构，具有晶体几何学的特征。

图3为实施例1所制备的粉末的X射线衍射图。从图上可以看到，在20°～80°的范围出现了5个标准衍射峰的峰位，对照PDF卡片可知，谱线均为In₂O₃晶体的衍射谱线，没有发现有SnO₂及金属Sn的谱线和其它杂波，该粉末为氧化铟固溶氧化锡的ITO粉末。图上，X射线衍射峰很尖锐，说明TIO粉颗粒晶体形状较好，这与图3所得出的结果也是一致的。

下面用实施例对本发明做进一步说明。

具体实施方式

实施例1

称取纯金属In100g，Sn11.062g(重量比为In∶Sn＝9.04∶1)配制成合金熔液，以Ar作为等离子体工作气体，控制电压为60V，电流为100A，以1.5g/min左右的速度将合金送入等离子体反应室坩埚中，以合金原料作为正极，在正极和等离子枪喷嘴负极之间通过高频点燃器引燃而形成电弧，电离周围的惰性气体，形成稳定的等离子体，原料被高温等离子体加热熔化、蒸发形成金属蒸汽，与氧气发生反应。由于在反应器的夹层中用流动水进行冷却，并有压缩空气风冷，形成很大的温度梯度，造成金属蒸汽中很高的过饱和区，并从气相中自发形核、凝聚、生长成纳米微粒，进入收集室。

实施例2

和实施例1基本相同，只是等离子体反应室工作电压为30V，电流为400A，给料速度为2.5g/min，其它情况与实施例1相同。

实施例3

和实施例1基本相同，只是等离子体反应室工作电压为40V，电流为300A，给料速度为2.5g/min其它情况与实施例1相同。

实施例4

和实施例1基本相同，只是等离子体反应室工作电压为50V，电流为200A，给料速度为2.0g/min其它情况与实施例1相同。

Claims (2)

1、一种等离子电弧一步法制备纳米ITO粉末的方法，其特征是：将重量比In∶Sn＝9.04∶1的金属In、Sn配制成合金熔液作为反应原料，在接通电源后将In-Sn合金通过定点定量的给料方式连续送入等离子反应室的坩埚中，所说的等离子反应室以Ar为等离子体工作气体，具有以流动水为冷却介质的夹层水套，并通有压缩空气，其工作电压为30～60v，工作电流为100～400A，所说的等离子反应室以坩埚中的合金原料作为正极，在正极和等离子枪喷嘴负极之间通过高频点燃器引燃而形成电弧，电离周围的惰性气体，形成稳定的等离子体，原料被高温等离子体加热熔化、蒸发形成金属蒸汽，与氧气发生反应，在反应器夹层中的流动水和压缩空气冷却作用下，形成很大的温度梯度，造成金属蒸汽中很高的过饱和区，并从气相中自发形核、凝聚、生长成纳米ITO微粒，并沉降在收集室中；在此过程中，所说的定点定量的给料方式，是指通过一个无极连续可调控制器，在阳极斑点区每次给以相同数量的合金，所给的合金量的具体数值视反应室的大小及功率而定，以给的量能足以被气化为准，可实现合金定时定量给定。

2、根据权利要求1的方法，其特征是，所说的In-Sn合金中的原料In和Sn的纯度为99.99％。

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