石墨包裹奈米晶粒新材料的大量製造（一）電弧系統之研發

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

石墨包裹奈米晶粒新材料的大量製造（一）電弧系統之研發

Large Quantity Production of Graphite Encapsulated Nanocrystalline Particles –

Phase I. The Development of An Arc Production System

計畫編號：NSC 87-2116-M-002-014

執行期限：86 年 8 月 1 日至 87 年 7 月 31 日

主持人：鄧茂華 國立台灣大學地質學系

e-mail: [email protected]

一、中文摘要

本年計畫成功的在短短的一年期

間，設計製造出新一代鎢電弧與石墨

坩堝系統。初步測試的結果已經可以

製造出石墨包裹鎳奈米晶粒材料。後

續的系統改進與製程最優化工作目前

（第二年計畫）仍在繼續進行中。

關鍵詞：鎢電弧、石墨、包裹、奈米

晶粒。

Abstr act

In a short one-year period, we

successfully designed and built a

modified tungsten arc and graphite

crucible system. Preliminary results

indicate a fair production rate of

graphite

encapsulated

nickel

nanocrystals with this new system.

The improvement and optimization on

the system is the focus of the second

year project.

Keywor ds: tungsten arc, graphite,

encapsulate, nanocrystals.

二、緣由與目的

1. GEM 奈米晶粒介紹

石墨包裹金屬(GEM)奈米晶粒材

料（見圖一）是種粒徑在 10 至 50 nm

（少數達 100 nm）的球狀複合材料，

其內核為金屬（鐵、鈷、鎳等）

，外殼

則為數層至數十層厚的石墨（每層距

離 0.34 nm）。

一般金屬奈米晶粒很容易受到外

在 環 境 影 響 而 產 生 變 化（ 如 氧 化 反

應、水合反應等），GEM 奈米晶粒中

的金屬核心則因為被外覆的石墨層保

護，即使放置於強酸（如鹽酸、硝酸、

王 水 ）中 長 達一 年 其 性 質 也 沒 有 變

化。

圖一、石墨包裹鎳奈米晶粒的穿透式

電子顯微鏡(TEM)相片。

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2. GEM 奈米晶粒的發現與進展

在數年前發現碳 60 的研究熱潮

中，一些研究者想盡辦法要把金屬原

子關進碳 60 的「籠子」構造之中。他

們在使用含金屬或金屬氧化物的碳-碳

電弧法製造碳 60 時，意外的發現產物

中有極為少量的石墨包裹晶粒

_。但

因為產量實在太少（可能每次實驗只

有數百粒）

，所以雖然仍有更進一步的

實驗

_{，但卻無法進行一些重要的基}

礎科學研究。

這種情形持續到 1995 年才由美國

西北大學的研究小組發明出經過改良

後的鎢電弧法與石墨坩堝

_，開始可

以製造出較大量（每次實驗約可收集

到數百毫克，約 10

_粒）

_{的 GEM 材料，}

以及一些初步的性質分析工作

_。

GEM 的獨特構造與奈米級粒徑，

使其在基礎科學的研究上有許多值得

研究的題目。例如：GEM 的各種性質

─電、磁、機械、化學穩定性等。實

際工業上的用途雖然尚不明確，但已

有人建議未來可以做為量子點（當包

裹半導體材料時）

、人體內的示蹤劑載

體、高密度磁性儲存材料、磁性流體、

奈米級機械裝置之軸承等的可能。

3. 本計畫的目的

本計畫為三年期計畫的第一年，目

的就是要製造出這種石墨包裹奈米晶

粒新材料。所採用的製造方法是改良

式的鎢電弧與石墨坩堝法（裝置見圖

一）

。因為本人在美國曾親自參與設計

製 造 第 一 代設 備 ， 所 以根 據 以往 經

驗，並針對前一代系統的缺失，在台

灣 重 新建 造 與改 進 此 真 空 艙 電 弧 系

統。希望能大量的製造此種材料，進

行後續的各種研究工作。

圖二、鎢電弧裝置示意圖

三、結果與討論

本計畫的主要工作，如前述為設計

與製造鎢電弧真空艙系統。此系統包

括幾個次級系統：鎢電弧裝置（包

括石墨坩堝、陰陽極銅座接頭等，請

見圖二）、真空艙（含製造艙與收集

艙）、真空系統（進氦氣與抽氣幫浦

等）

、電弧之電源供應系統、水冷卻循

環系統等。

主系統之真空艙部份的示意圖請

見圖三。其中位於真空艙右半部的是

在圖二中所顯示的鎢電弧裝置，而左

半部則為液態氮收集裝置。

圖三、鎢電弧真空艙系統示意圖

各個 單 獨 次級 系 統 在分 別 測 試

過，並修改其中的缺點後，整體系統

3

測試也通過各項設計目標。初步測試

的結果也符合我們所預期的，成功地

製造出奈米鎳晶粒粉末（包含被石墨

包裹的與未被完全包裹的顆粒）

。粉末

採集後經過酸溶清洗等分離過程，得

到 本 計畫 要 產製 的 石 墨 包 裹 奈 米 晶

粒。

這個 計 畫 目前 只 能 算是 開 始 階

段，還有許多的工作正在進行。預期

未來不管是在基礎物理與化學的研究

方面，或是潛力的工業應用方面，都

會有極佳的成果。

四、計畫成果自評

本計畫執行的結果，已達成原提計

畫書中所提議的大部份重大項目。本

計畫應是三年期計畫的第一年（但核

定為一年）

，主要目的是要從無到有的

設 計 製造 一 套複 雜 的 真 空 艙 電 弧 系

統。執行期間所發生的不可控制因素

很多，但幸好我們均能一一克服，目

前已經可以開始製造石墨保裹奈米鎳

晶粒材料。

當然此系統尚未達到最優化狀況

（第二年計畫目前正在執行中）

，改進

系統的工作會一直進行，預期達到最

佳狀況後，可以穩定的產生後續實驗

所需要的樣本。

正如前述，因為這是一種全新的材

料，全世界從事這方面研究的工作還

不多，所以我們有很好的機會做出最

新第一手的結果。本計畫就是朝此方

向踏出的第一步。

目前為止所遇到的最大困難是需

要 更 多高 解 析度 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡

(HRTEM) 等 貴 重 儀 器 的 支 援 與 配

合。因為所製造出的奈米大小晶粒必

須要用 TEM 才能觀察與分析，但是像

目前貴儀中心排隊等待的情況，將會

嚴重影響實驗結果的驗證與計畫成果

的品質。

五、參考文獻

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