Sintesis In-Situ Cepat Nanopartikel Bimetalik Tungsten-Tembaga Menggunakan Plasma Termal RF Reaktif
Abstrak
Kami melaporkan sintesis in-situ dari nanopartikel bimetalik tungsten-x wt% tembaga (x = 5, 10, 20) melalui plasma termal radio-frekuensi (RF) terhubung induktif. Proses ini mereduksi trioksida tungsten (WO₃) dan oksida tembaga (CuO) menjadi W dan Cu logam di bawah atmosfer hidrogen, menghasilkan partikel komposit yang tersebar seragam.
Latar Belakang
Komposit W–Cu dihargai karena stabilitas suhu tinggi gabungan, ekspansi termal rendah, dan konduktivitas listrik superior, menjadikannya ideal untuk aplikasi otomotif, penerbangan, generasi listrik, dan elektronik. Namun, titik leleh yang sangat berbeda—W pada 3683 K dan Cu pada 1353 K—digabungkan dengan keselarasan saling yang bisa diabaikan dan sudut kontak tinggi, menimbulkan tantangan signifikan untuk sintering cair konvensional dan padat. Menyesuaikan rasio W/Cu (misalnya, <20 wt% Cu untuk manajemen termal, <80 wt% Cu untuk kontak daya tinggi) memungkinkan penyesuaian properti mekanik dan transportasi.
Rute pembuatan nanopartikel saat ini—penggiling mekanik, sintesis termokimia, dan reduksi kimia—sering menghasilkan partikel dengan bentuk tidak teratur dengan keseragaman terbatas dan padat yang buruk selama sintering berikutnya. Keselarasan W dan Cu menghambat koalesensi partikel, menghasilkan mikrostruktur yang sub-optimal. Studi terbaru menunjukkan bahwa lapisan Cu nanopartikel pada mikropowder W dapat meningkatkan padat melalui sintering cair, karena Cu cair menembus pori dan mempromosikan transportasi massa.
Berdasarkan wawasan ini, kami menggunakan plasma termal RF terhubung induktif untuk menghasilkan nanopartikel komposit W-x wt% Cu. Suhu tinggi plasma dan pendinginan cepat mempromosikan nukleasi heterogen dan koalesensi tabrakan, yang berpotensi mengatasi hambatan keselarasan dan menghasilkan partikel bimetalik seragam.
Metode
Bahan baku bubuk disiapkan dengan mencampur mikro-partikel WO₃ dan CuO (kekaluran > 99,99 %) dalam rasio Cu 5, 10, dan 20 wt%. Campuran dikeringkan pada 423 K selama satu jam. Oksida ini dipilih karena titik didih yang rendah (WO₃ = 1973 K; CuO = 2273 K) relatif terhadap W logam (5828 K) dan Cu (2835 K), memfasilitasi vaporisasi dalam plasma. Plasma induksi RF 30 kW (Tekna, Quebec) vaporisasi bahan baku; gas hidrogen mengurangi uap menjadi logam W dan Cu, sementara gas argon dan nitrogen menyediakan pendinginan dan mengontrol kinetika nukleasi. Kondisi vaporisasi dan reduksi lengkap diringkas dalam Tabel 1.
Tabel 1. Kondisi eksperimental untuk vaporisasi dan reduksi lengkap bahan baku WO₃/CuO dalam plasma RF.
Hasil
Mikroskop elektron pemindai dikaitkan dengan spektroskopi energi-dispersif (SEM-EDS) mengonfirmasi bahwa nanopartikel yang disintesis cocok dengan komposisi nominal W-x wt% Cu (Gambar 1). Difraksi sinar X (XRD) menunjukkan kehadiran fase α-W (bcc, Im-3m), β-W (A15, Pm-3n), dan Cu (fcc, Fm-3m), mengindikasikan reduksi lengkap oksida dan kepunahan parsial β-W meta-stabil (Gambar 2). Mikroskop elektron transmisi (TEM) menunjukkan partikel kuboid dan bola dengan diameter rata-rata 28,2 nm (5 wt% Cu), 33,7 nm (10 wt% Cu), dan 40,2 nm (20 wt% Cu) (Gambar 3). Pemetaan elemen oleh STEM gelap-lapus sudut tinggi (HAADF-STEM) mengonfirmasi dispersi seragam W dan Cu di dalam partikel tunggal (Gambar 4). Analisis struktural sampel 20 wt% Cu membedakan kuboid α-W dari bola β-W dan Cu (Gambar 5).
Gambar 1. Komposisi kimia keseluruhan nanopartikel yang disintesis.
Gambar 2. Pola XRD (a) bahan baku WO₃/CuO dan (b) W-5 wt% Cu, (c) W-10 wt% Cu, (d) W-20 wt% Cu nanopartikel.
Gambar 3. Gambar TEM W-5 wt% Cu (a), W-10 wt% Cu (b), W-20 wt% Cu (c), dan distribusi ukuran partikel yang sesuai (d).
Gambar 4. Gambar HAADF-STEM dan peta elemen nanopartikel W-20 wt% Cu.
Gambar 5. (a) Gambar HAADF-STEM nanopartikel W-20 wt% Cu; (b) HR-TEM α-W dengan FFT; (c) HR-TEM β-W dengan FFT; (d) HR-TEM Cu dengan FFT.
Perawatan panas pada 1073 K dalam hidrogen menghilangkan fase β-W, seperti yang ditunjukkan oleh XRD dan pola difraksi area terpilih (Gambar 6), mengonfirmasi bahwa partikel sintesis plasma dapat direduksi sepenuhnya selama sintering.
Gambar 6. (a) XRD W-20 wt% Cu yang baru disintesis; (b) XRD setelah perawatan panas 1073 K; (c) SADP yang baru disintesis; (d) SADP setelah perawatan panas.
Pembahasan
Penggunaan WO₃ dan CuO sebagai prekursor memungkinkan vaporisasi yang efisien dan reduksi selektif. Atom W bereaksi pada suhu yang lebih tinggi karena tekanan uap yang lebih rendah, diikuti oleh bereaksi Cu saat gas pendingin. Kondensasi heterogen dan koalesensi tabrakan antara atom W dan Cu menghasilkan nanopartikel komposit. Kebaikan basah Cu pada W yang buruk mendukung pertumbuhan pulau, tetapi keselarasan mencegah pencampuran penuh, menghasilkan domain W dan Cu yang berbeda di dalam setiap partikel—arsitektur yang menguntungkan untuk mengontrol jalur listrik dan termal.
Fase β-W yang tersisa, fase meta-stabil, dapat dihilangkan sepenuhnya oleh perawatan panas pasca-sintering, memastikan matriks α-W stabil untuk performa mekanis optimal.
Kesimpulan
Kami telah menunjukkan metode plasma termal RF in-situ yang cepat untuk menghasilkan nanopartikel bimetalik W-x wt% Cu (x = 5, 10, 20). Proses ini mencapai reduksi lengkap WO₃ dan CuO, dispersi seragam domain W dan Cu, dan morfologi partikel yang dapat disesuaikan. Temuan ini memberikan jalur yang dapat diskalakan untuk memproduksi komposit logam yang tidak dapat dicampur untuk aplikasi termal-listrik canggih.
