气氛中金属丝电爆炸特性及其在纳米粉体制备中的应用进展

吴 坚，石桓通，蔡 金，邱少君，李兴文

(1.西安交通大学 电气工程学院，陕西 西安 710049； 2.西安近代化学研究所，陕西 西安 710065)

引 言

金属纳米颗粒是一种零维纳米材料，由于具有表面效应、小尺寸效应、量子效应等特点，在火炸药、催化等领域具有重要应用价值。例如，纳米颗粒的表面效应增强了化学反应活性，可作为高能炸药和固体推进剂的添加剂，用以增强爆炸威力和提高燃烧效率。在固体推进剂中使用纳米铝粉能够有效提高固体推进剂的燃烧性能，增加推进剂的流动性，提高反应速度和效率。

金属纳米颗粒的制备通常分为高能球磨法、蒸发-冷凝法、金属丝电爆炸等物理方法，以及溶液还原法、电解法等化学方法。其中，金属丝电爆炸是批量制备金属纳米颗粒的一种有效手段，具有能量利用效率高、纳米粉体粒度可控、纯度高等优点。金属丝电爆炸是金属丝在脉冲大电流作用下迅速升温，经历熔化、汽化、形成等离子体等相变过程，同时伴随着快速膨胀、冲击波、发光、爆炸声等现象。电容器储存的能量通过开关馈入至金属丝产生脉冲大电流，常见电流波形前沿为百纳秒到毫秒级，峰值为千安至兆安级；环境氛围分为真空、气氛、液体等[1]。

当金属丝电爆炸用于制备纳米颗粒时，电流在金属丝中注入能量一般需要超过其汽化能量，金属丝形成金属蒸汽后，通过冷凝成核、凝结生长形成纳米颗粒。当沉积能量低于汽化能量时，可得到微米级和纳米级颗粒的均匀混合物，在粉末冶金方面有应用潜力。为了实现金属丝中获得足够的沉积能量，并考虑工业生产成本及效率，基于常用的脉冲电流峰值约为10kA、周期约为10μs，金属丝直径为百微米、长度为厘米级。电爆炸环境为氦气、氩气等惰性气体，有时为了产生金属氧化物、氮化物、碳化物，也会采用空气、氮气、甲烷等气体环境。除了用于制备纳米颗粒外，气氛中金属丝电爆炸也在脉冲功率装置断路开关、电热化学炮中的等离子体发生器、电磁轨道炮中的等离子体电枢等有重要应用[2-3]。

本文集中关注近十余年来气体环境中金属丝电爆炸及其在纳米颗粒制备中的研究进展，从金属丝电爆炸波形、电爆炸演化图像、金属纳米颗粒特征、纳米粉体量产4个方面进行综述，并分析研究中存在的问题和面临的挑战。

1 金属丝电爆炸特性

脉冲大电流通过金属丝时，通过欧姆加热在金属丝中瞬间沉积大量的能量，金属丝依次经历固态加热、液化、液态加热、汽化、电离等阶段。随着相变的进行，金属丝电阻增加，两段电压升高。当电压超过击穿阈值时，将形成击穿通道和等离子体。金属丝电爆炸的电流电压波形反应了脉冲驱动源与金属丝之间的能量耦合关系，受脉冲源和金属丝等参数影响。

1.1 单金属丝电爆炸电压电流特征

以固定脉冲源参数、改变金属丝参数时的电流电压波形为例，总结金属丝电爆炸中会出现的典型电流电压波形特征，并分析其对应的物理过程[4]。

在20kV、氩气气压100kPa下，不同长度和直径铝丝的4种放电模式如图1所示，图中电流、电压为实测波形。由图1(a)可知，当金属丝直径较细时，金属丝迅速汽化导致电阻迅速增大，电流迅速下降，而此时爆炸产物密度极高，电子运动过程中两次碰撞间无法获得足够引起金属原子电离的动能，因此无法发展电击穿通道，从而出现电流为零、电压不为零的“电流暂停”现象；随着金属丝的不断膨胀，密度不断减小，电子崩得以发展为流注或先导放电，进而发生击穿形成明亮的电弧通道。

图1 气氛中不同尺寸金属丝电爆炸的4种放电模式Fig.1 Four discharge types for wire electrical explosion of different sizes in atmosphere.

由图1(b)～(c)可知，随着直径增大，金属丝在脉冲电流的前半周期内基本汽化并直接击穿，进入近似短路电流波形的阶段，击穿可发生在电流的上升沿或下降沿，此为直接击穿模式。由图1(d)可知，随着金属丝直径进一步增加，金属丝在振荡电流的前半周期内基本汽化并部分击穿发光，此后电压维持在较低的水平而电流出现“电流暂停”现象；随着电爆炸丝的膨胀，某一时刻再次发生击穿，这也是一种电流暂停放电模式。图1(a)与图1(d)的主要区别在于发生电流暂停时电容器上的剩余能量，图1(a)中电容器储能充足，由于爆炸产物密度极高无法击穿，而图1(d)中大部分初始储能已用于加热金属丝，电流暂停发生时剩余能量较小，电压较低，不足以击穿爆炸产物。

当进一步增大金属丝直径，金属丝在电流的前半周期基本汽化，但是随后击穿未发生，或者击穿虽然发生，电源中剩余储能已经很少，此时没有后续等离子体放电过程，放电波形表现为电流、电压在第一个脉冲后同时归零，此为匹配模式。

气氛中金属丝电爆炸特性还显著受到气氛环境的影响。清华大学邹晓兵[5]通过激光干涉图像发现钛丝电爆炸受到气压影响存在一次爆炸和多次爆炸两种模式。美国Raytheon Ktech公司Sarkisov等[6]研究了空气气压对电爆炸特性的影响，对于电爆炸的铝丝和银丝，当气压从760Torr降至2～10Torr时，电爆炸丝的膨胀速度从3km/s降至0.2km/s；而气压进一步从2Torr降至15mTorr时，膨胀速度由0.2km/s增加至4.6km/s。电爆炸丝的电压峰值随气压的变化规律和上述结果基本一致。这种变化规律和空气中的Paschen曲线基本一致，区别主要发生在1Torr以下的气压时，可能是由低气压下时直流击穿和脉冲击穿过程的差异引起的。

1.2 双金属丝电爆炸电压电流特征

为了制备合金纳米颗粒，研究人员对合金丝、缠绕双丝等的电爆炸波形也开展了研究。北京理工大学韩若愚等[7]对比了铜、镍与铜镍合金电爆炸波形，发现铜镍合金丝的电爆炸特征并不是铜镍合金放电参数的简单组合，与铜、镍相比具有更高的初始电阻，并且电阻温度系数非常小。合金丝的高电阻率更加有利于提升金属丝击穿前的能量沉积效率。

俄罗斯强度物理与材料科学研究所Pervikov等[8]研究了两根螺旋缠绕丝电爆炸的电流电压波形。当电流脉冲加热不同直径的金属丝时，更高比阻抗和更小质量的金属丝会被更快加热，从而导致液化后阻抗增加，更多能量注入，因此会先发生电爆炸，两根金属丝在非同步击穿时会出现两个电压峰值。为了实现同时击穿，作者提出Kl=El(MeA)Rl(MeA)/El(MeB)Rl(MeB)～1。式中：El(MeA)和El(MeA)分别指A、B两种金属丝从熔点到沸点需要的能量；Rl(MeA)和Rl(MeB)分别指它们液态时的阻抗。

1.3 电爆炸图像

除了电流、电压测量，采用高速摄影、激光探针等具有时空分辨能力的精密诊断方法，可获得金属丝电爆炸过程的演化图像，获得对爆炸过程中击穿通道位置、电爆炸产物形态及密度分布等定量信息。

1.3.1 电爆炸过程

基于可见光ICCD相机和激光探针技术，西安交通大学Yin等[9]获得了空气中铜丝电爆炸过程中的自发光图像和激光阴影图像，如图2所示。

图2 空气中铜丝电爆炸的自发光图像和激光阴影图像Fig.2 Self-luminous image and laser shadow image of copper wire electric explosion in air

实验中铜丝电爆炸为直接击穿模型，自发光图像如图3(a)所示，曝光时间为2ns。在电压峰值之前的时刻，金属丝自发光微弱。图中第一幅图像为电压峰值时刻，金属丝与电极相连的地方出现两处亮斑，随后整个金属丝自发光瞬间变强，发光区域呈现出十分明显的空间的不均匀性，表面出现“树状”结构，此后发光区域表现轴向准周期性的“分层”结构，可能与电热不稳定性有关。放电通道自发光的不均匀表明了放电通道温度或者电子密度和离子密度的不均匀分布。相同时刻的激光阴影图像如图3(b)所示，图中可以看到稠密的电爆炸产物及其冲击波边界，膨胀速度为1～5km/s。虽然ICCD图像中轴向不均匀，但从阴影图像看，电爆炸产物及其表面冲击波的膨胀是轴向均匀的，这可能表明击穿过程及其后续击穿通道中等离子体加热对于冲击波的影响有限。

图3 电爆炸阴影图像Fig.3 Shadow image of wire electric explosion

对于“电流暂停”的放电模式，俄罗斯科学院列别杰夫研究所Pikuz等[10]利用激光探针技术研究了空气中金属丝电爆炸击穿通道的位置。钨丝的击穿通道位于电爆炸产物和空气的边界处，如图2(a)所示，该放电通道的形成将抑制电爆炸产物的进一步加热和膨胀，并为冲击波提供能量。铜丝的击穿通道位于电爆炸产物内部，如图2(b)所示。电流通道中的欧姆加热一方面维持电爆炸产物快速膨胀所需的能量，另一方面也为空气中的冲击波提供能量。西安交通大学Wu等[11]比较了电流参数对空气中电爆炸铝丝击穿通道位置的影响。得出随着电流上升速率的增加，电爆炸丝的峰值电压随之提高，击穿通道的位置将从位于金属丝表面过渡为金属丝内部击穿。

由此可见，与真空中金属丝电爆炸的击穿通道位于金属丝表面、水中的击穿通道常位于金属丝内部不同，气氛中金属丝电爆炸的情况更加复杂，击穿通道位置受到金属丝、电流和环境气体参数等的影响差异很大。电爆炸金属发生相变后，爆炸产物中形成均匀弱电离的低温等离子体继续通过电流。当金属丝两端的电压超过金属丝周围介质的击穿电压时，击穿将在周围介质中发生，如空气中钨丝丝爆等；如果金属丝两端的电压未超过周围介质的击穿电压，但是已经超过了汽化金属丝的击穿电压，击穿将在金属丝内部发生，如空气中铜丝、铝丝的电爆炸。

1.3.2 电爆炸产物

电爆炸后产生等离子体、原子、分子、团簇等气态产物，以及液滴等。利用激光探针、X射线探针等，可以测量金属丝电爆炸后的形态及其密度分布。清华大学Mao等[12]利用激光干涉系统分析了10kPa空气环境中电爆炸产物的密度分布，包括中心的丝核、周围的等离子体及冲击波，测得了等离子体中的电子密度以及压缩空气的密度。西安交通大学Lu等[13]发展了基于532nm和1064nm的激光双波长干涉系统，可同时测得电爆炸产物及压缩空气中的电子密度和气体密度。空气中直径10μm钨丝的激光干涉图像如图4所示。由于采用了非常细的金属丝，所有区域干涉条纹都清晰可见，在中心电爆炸丝产物的区域中，认为电爆炸产物由钨原子和电子组成，由双波长干涉可定量测得钨原子和电子的密度分布。在外侧空气区域，考虑电子和空气两种组分对条纹偏移的贡献，可定量测得空气密度和电子密度分布。

图4 空气中直径10μm钨丝电爆炸的532nm和1064nm的干涉图像Fig.4 Interference images at 532nm and 1064nm of exploding 10μm tungsten wire in air

2 电爆炸制备金属纳米颗粒

金属电爆炸后的产物快速冷却生长形成纳米颗粒。基于金属丝电爆炸，研究人员对纳米颗粒的形成机理，以及纳米颗粒组分、形态、粒径的调控方法等开展了大量研究。

2.1 纳米颗粒形成机理

电爆炸形成的纳米颗粒通常为准球型，粒径分布表现为三峰结构。其中尺寸最小的30～50nm的颗粒由气相产物冷凝形成，50～500nm的颗粒由液相聚结形成，而微米级的大颗粒可以看作电爆炸丝的爆炸碎片。产物中纳米尺寸的粒子数通常占90%，微米尺寸的粒子数约占2%，但其质量分数达到约70%。

能量注入充足时，电爆炸产生的金属蒸气是纳米颗粒的主要来源，金属蒸气产生后通过膨胀、辐射、与周围的气体分子碰撞等方式快速冷却，金属蒸气的温度降低使其饱和蒸气压低于实际热压，进而发生成核(nucleation)，并通过沉积(condensation)、凝聚(coagulation)等过程进一步生长增大。随着纳米颗粒的成核，金属蒸气被消耗完，凝结过程占据主导地位，然后形成粒径更大的颗粒。同时，金属蒸气的快速冷却会导致纳米颗粒的晶格中出现大量和特定的缺陷[14]。

从质量守恒的角度可建立关于纳米颗粒粒径(尺寸)分布函数的一般方程(GDE方程)。由于粒径分布函数涉及大量不同纳米颗粒尺寸，直接求解计算量极大，因此发展出近似求解GDE方程的离散模型和矩方法。

离散模型离散化了纳米颗粒的粒径分布，然后建立微分方程组计算其中每个单体的数量变化，其特点是可以计算出纳米颗粒的粒径分布，同时也考虑了冷凝过程，但计算的时间较长，而且不能考虑纳米颗粒的形状[15]。西安交通大学的Bai等[16]采用离散模型以铝丝电爆炸过程形成的原子蒸气团为基础建立了铝纳米颗粒的生长过程模型，包括均匀成核、表面增长和凝结。在饱和度最大时，成核速度最快而且临界成核半径最小，随着温度的降低，Al纳米颗粒的生长过程逐渐变得缓慢，在相对较低的温度下，粒径分布趋于稳定。建模结果表明电爆炸过程中形成的等离子体的核心在纳米颗粒的形成过程中起着重要的作用，而且纳米颗粒的形成不是一个瞬时过程，而是需要一个特定的时间周期来形成一个稳定的大小和形状。

矩方法不能够计算出纳米颗粒的粒径分布，但是可以计算出纳米颗粒的数量(粒径分布函数对尺寸的零阶矩)、平均粒径(一阶矩)、平均表面积(二阶矩)、平均质量(三阶矩)等纳米颗粒特征量。澳大利亚的Hunkwan Park等[17]提出了铁在不同气氛条件下焊烟颗粒成核和生长的预测模型，通过冷凝将化学动力学、微粒成核和微粒生长结合起来，预测了微粒的粒径、组成和数密度。在考虑化学动力学时给出的气相组成与使用化学平衡计算的气相组成显著不同，特别是对于高冷却速度和低铁蒸气浓度。当FeO(而不是Fe)有足够的氧被成核时，粒子要小得多，粒子的数量密度也相应地要大得多。西安交通大学Shi等[18]基于均匀成核和离子诱导成核模型分析了氩气中铝丝电爆炸产生纳米颗粒的过程，结果表明电爆炸过程中由于爆炸产物单体数密度高，成核起始温度远高于金属材料沸点，离子诱导成核效应不可忽略，但均匀成核与离子诱导成核对应的临界直径极为接近，因此总体成核速率可采用二者之和；此外爆炸产物由气态向凝聚态转化过程中释放的热量减缓了爆炸产物的冷却，使产物纳米颗粒粒径增大。

研究人员也利用分子动力学方法对纳米颗粒的生长进行了计算。Shibuta等[19-20]利用分子动力学方法对铁纳米颗粒的融化和增长进行了计算，结果表明存在着一个临界半径用来区分液态中纳米颗粒的增长和融化过程，而且临界半径和温度成正相关。对于给定的纳米颗粒的半径，存在着一个临界温度用来区分液态中纳米颗粒的增长和融化过程，这个临界温度对应于熔点，包括固液界面的曲率效应，由于曲率效应导致的熔点降低与液态铁中颗粒半径的倒数成正比。

2.2 纳米颗粒特征参数

20世纪50年代Abrams等[21]利用电爆炸法生成15种金属(Au、Ag、Al、Cu、Fe、W、Mo、Ni、Th、U、Pt、Mg、Pb、Sn、Ta)纳米粉体。近年来，美国Saint Louis大学Abdelkader等[22]通过氩气环境电爆炸和1,2环氧十二烷包覆生成了元素周期表中s区、p区、d区元素的纳米颗粒，包括Ge、Sn、Mg等。Pustovalov[23]制备出平均粒径为200nm的Ta纳米颗粒。

纳米颗粒的尺寸、组分及性质受到能量沉积密度、均匀性、环境气体气压的许多因素的影响，研究者对电爆炸特性及其与形成的纳米颗粒尺寸的关系及其影响因素开展了广泛、深入的研究。金属丝电爆炸的气化程度(金属丝电爆炸的沉积能量与气化能的比值)是影响金属纳米颗粒平均粒径及其分布的最重要因素，通常气化程度越高，纳米颗粒的平均粒径及其分布越小。金属丝电爆炸时的沉积能量受到脉冲源电流峰值、上升速率、金属丝参数等诸多因素的影响。

西安交通大学Liu等[24]研究了铝丝长度、直径、充电电压、氩气气压对纳米颗粒的影响，如图5所示。

增加铝丝长度和直径，电爆炸丝中的单位体积沉积能量减小，纳米颗粒的平均粒径增大，且粒径大于100nm的颗粒占比显著提高。当铝丝参数一定时，提高充电电压可以使单位体积沉积能量增大，纳米颗粒的平均粒径减小。

Sarathi R等[25]比较了氮气、氩气、氦气中钨纳米颗粒的尺寸，爆炸产物冷却速率在氦气中最大，氮气次之，而氩气最小，因此氦气中得到的平均粒径最小。马来亚大学Wong等[26-27]研究了氩气和氮气混合气体比例对纳米Cu颗粒的影响。随着氮气浓度的增加，等离子体的形成时间显著延迟，纳米颗粒的平均粒径也在减小。金属丝的膨胀过程随着气压的增加会受到抑制，等离子体的特性也会发生很大的变化，这会对纳米颗粒的特性产生影响。智利天主教大学 Lee等[28]研究了氮气和空气中5×103Pa～105Pa气压对Cu电爆炸的影响，发现在5×104Pa 时纳米粒径最小，这种现象可能和击穿后等离子体加热有关。

俄罗斯强度物理与材料科学研究所Pervikov等[29]比较了初始金属丝晶粒尺寸大小对金属丝电爆炸法制造的纳米颗粒结构特性的影响。热退火处理后使得铜丝的晶体尺寸增大，同时也引起低角边界的相对含量减小和退火孪晶的出现，如图6所示。实验结果表明铜丝热处理前后纳米颗粒的粒径基本不变，所以晶体尺寸的大小不会影所制造的纳米颗粒的平均粒径。

图6 微观组织、反极图和晶界偏转角分布Fig.6 Microstructures, polar inverse figures and grain boundary misorientation angle distributions

2.3 金属合金纳米颗粒

除了金属单质的纳米颗粒外，采用合金金属丝或几种不同材料的金属丝电爆炸可以生成合纳米颗粒，金属间化合物纳米颗粒，具有独特的催化、光学、机械和磁性等性能，成为近年来的研究热点。

日本长冈科技大学Ishihara等[30]开展了缠绕一起的铝丝和镍丝电爆炸实验，发现在一定的气氛条件下可以产生单相的NiAl。俄罗斯强度物理与材料科学研究所Pervikov等[31]用两种不同的金属丝电爆炸制造出了二元金属纳米颗粒Pb-Al、Cu-Ag、Cu-Al、Cu-Ni等。韩国釜山大学Kim等[32]在N2气环境中同时电爆炸Sn-Bi合金丝和Cu丝，生成了三组元素组成的Sn-Bi-Cu纳米颗粒，同时电爆炸了Sn-Bi合金丝和Ag丝，生成了Sn-Bi-Ag纳米颗粒。

这些合金纳米颗粒通常存在着3种结构：均匀混合结构、核壳结构和Janus结构，3种典型结构的形貌特征及其元素分布如图7所示。

图7 二元金属纳米颗粒的3种不同结构Fig.7 Three different structures of binary metal nanoparticles

Pervikov等[33]认为纳米颗粒的不同结构取决于金属材料的表面能及其晶体结构。在较宽的温度和浓度范围内形成均匀混合的溶液是获得均匀分布结构的纳米颗粒的先决条件，如果没有获得这个范围，则就有可能形成其他两种结构。在金属混溶性有限的情况下，会形成核壳结构的纳米颗粒，对于不能在整个浓度和温度范围内产生固体溶液的金属，则会形成Janus结构的纳米颗粒。Lerner等[34]认为二元金属纳米颗粒不同的结构取决于金属元素的熔点、密度和过热程度。如果两种金属的熔点接近，则密度较低的金属元素被置换到颗粒的表层；如果一种金属的熔点较高，则熔点较低的金属被置换到纳米颗粒的表层；如果电爆炸过程中金属丝的过热系数增加，则两种金属元素的分离形成了Janus结构的纳米颗粒，因此通过改变过热系数可以改变二元纳米颗粒的结构。

2.4 表面钝化层的金属纳米颗粒

在空气、氧气、含有机物气体等环境中的金属丝电爆炸可以制造金属氧化物、氮化物、碳化物纳米粉体。表面形成的钝化膜是纳米颗粒表面改性的可行途径，可提高其抗氧化性能，抑制团簇提高分散性等。

在金属氧化物方面，俄罗斯Kotov等[35]制备了铝和氧化铝的纳米粉体，铝和氧化铝纳米粉体平均粒径分别为40nm和20nm，并且发现其产率分别为0.1kg/h和0.5kg/h。采用氧气混合气体环境Fe丝电爆炸生成了氧化铁纳米颗粒。粉体中大于25%的纳米颗粒粒径小于15nm。室温下纳米颗粒大部分为亚稳态的γ-Fe2O3，颗粒中存在碳元素，以有机物和金属有机物存在于颗粒表面[36]。韩国地质科学和矿产资源研究所Kyungsun Song等[37]在Ar-O2混合气体中电爆炸产生氧化铁纳米颗粒，发现随着氧气比例的增加，氧化铁主要成分依次为FeO、Fe3O4、γ-Fe2O3和α-Fe2O3。中国工程物理研究院伍友成等[38]利用钛丝在空气中的电爆炸在实验中成功制备和研究了纳米二氧化钛粉末，分析表明该粉末由金红石和锐钛矿共同组成,其平均粒径达44.1nm。Mansurova等[39]在氩气和氧气的混合气体中，采用Ti丝电爆炸法制造出了光催化活性的TiO2纳米颗粒，在金属丝击穿时其过热系数为0.3，所制造的纳米颗粒粒径分布不均匀，且出现了多分散性。

在碳化物方面，俄罗斯托木斯克理工大学Ilyin等[40]在氩气和乙炔、丙烷等的混合气体中进行电爆炸丝实验生成了钨、钛、钽、铝的碳化物纳米颗粒。Debalina等[41]在甲烷中制造了碳化钨纳米颗粒，研究了气体压力对等离子体温度、等离子体密度和等离子体寿命的影响。研究结果表明在正极性充电电压下纳米颗粒粒径分布在10～20nm之间，在负极性充电电压下，纳米颗粒粒径分布在30～50nm之间，随着气压的增加，等离子体温度和等离子体寿命都在减小，在负极性充电电压下，等离子体寿命长，会增加纳米颗粒的粒径。Kobayashi等[42]在氮气条件下通过电爆炸碳化纤维得到碳纳米粉末。采用热重分析法分析了纳米颗粒的体积分数，表明无定形碳和石墨的体积分数随着气体压力的变化而变化，而且无定形碳体积分数随着气体压力的增加而增加。这个结果指出等离子体的冷却速度随着气体压力的增加而增快。

3 金属纳米粉体的量产

金属纳米粉体的应用对其批量生产提出了新的要求。研究人员研制了一些连续送丝的金属丝电爆炸装置，这类装置在单次放电的基础上实现了自动充电、连续送丝、气体循环、以及粉体的分离和收集等，主要包括高压电源、储能电容、气体开关、电极、金属丝、送丝机构、电爆炸腔体、气体循环系统、粉体分离和收集系统等部分，如图8所示。俄罗斯Kotov等[14]研制的UDP-4及其系列装置，已经实现了Al、Cu、Zn、Sn、Ti、Zr、In、Fe、Ni、Mo、W纳米粉体的量产。该装置储能电容为2.17μF、电爆炸频率为1.5Hz，铝纳米粉体产率为50g/h，钨纳米粉体产率达300g/h，能耗约为20kWh/kg。

图8 UDP-4 结构图 Fig.8 Functional scheme of the UDP-4

为了提高电爆炸效率，有时省去图8中的气体开关(6)，采用金属丝(4)运动过程中与电极(5)的间隙作为气体开关。金属丝在送丝机构驱动下由地电极向高压极板运动，在某一位置时，金属丝和高压极板间的气隙发生击穿，电流导入金属丝发生电爆炸。西安交通大学联合西安近代化学研究所对金属丝在动态运动中的击穿过程开展了实验和数值模拟研究，确立了临界击穿间隙长度与场强的关系。特别是随着电爆炸次数增加，腔体内的纳米颗粒浓度增大，削弱了金属丝尖端的空间电场，气隙击穿长度会明显下降。清华大学毛志国等[43]搭建的金属丝电爆炸平台可以预先装设8根金属丝，通过手柄转动金属丝，使金属丝接连发生电爆炸。兰州理工大学毕学松[44]提出了无接触式丝电爆炸的方法，通过送丝和剪丝装置获得目标金属丝，金属丝经过自由落体到达极板间，在极板间的高压电场作用下，通过气体击穿形成等离子体将大电流导入金属丝发生电爆炸。该方法避免电极的烧蚀以及电爆炸在极板上形成“积瘤”。但是金属丝下落过程会受气流影响，难以连续稳定地进行。

4 结 论

气氛中金属丝电爆炸是批量制备金属纳米颗粒的一种有效手段。电爆炸过程中击穿通道的位置受到金属丝、电流和环境气体参数等多因素的影响，比真空、水环境更加复杂。基于高速摄影、激光探针等手段，可以获得气氛中电爆炸放电通道位置、电爆炸产物及形态等精细行为。电爆炸产物主要包括气态产物(原子、分子、团簇等)、液滴和固体碎片，蒸气冷凝成核凝结生长形成数十纳米的球型颗粒。通过多元金属丝电爆炸可以形成金属合金纳米颗粒和金属化间合物纳米颗粒，电爆炸与空气、氧气等环境气体发生反应可以生成氧化层、碳化层。通过连续输送金属丝电爆炸可以实现金属纳米粉体的批量生产，目前装置的产率约为100g/h、能耗约为20kWh/kg。

在以下方面还有待深入研究：

(1)在实验和机理研究方面，由于研究背景和目的不同，通常关心特定的电流参数、丝参数和气氛参数，对不同条件下实验结果的对比分析非常有限，发展建立宽实验参数范围的高通量数据库对气氛中金属丝电爆炸的机理和应用研究都具有重要意义；

(2)在合金纳米颗粒制备方面，研究工作主要基于实验研究，需要加强对合金、金属间化合物纳米颗粒形成机理、以及活性气体参与下反应行为等物理化学机理的研究；

(3)在纳米粉体量产装置方面，电爆炸纳米颗粒通常为球形，对其形状、粒径的调控手段仍非常有限，此外进一步优化装置的工艺参数，对降低生产能耗、提高生产效率具有重要意义。