專利名稱：一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于直流電弧等離子體制備納米材料領(lǐng)域，具體涉及一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著納米科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料(包括納米膜、納米線和納米顆粒等) 的制備已成為一項(xiàng)重要的研究課題。目前，制備納米顆粒最基本的方法是將打開固體分裂成納米微粒，或者由單個(gè)基本微粒聚集形成微粒并控制微粒的生長(zhǎng)，使其維持納米尺度。具體的方法包括化學(xué)法(如水熱法、水解法、溶膠凝膠法、熔融法等)和物理法(如蒸發(fā)冷凝法、離子濺射法、機(jī)械球磨法、等離子體法、電火花法、爆炸法等)等多種方法。采用熱等離子體進(jìn)行納米顆粒的合成，既可以在氣體放電區(qū)內(nèi)進(jìn)行，也可以在氣體放電后形成的高溫等離子體射流區(qū)內(nèi)進(jìn)行。直流電弧等離子體法是一種在惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛下通過電弧放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體，從而等離子體增強(qiáng)的氣氛中發(fā)生物理或化學(xué)變化產(chǎn)生氣相沉積的材料制備方法。采用直流電弧等離子體法進(jìn)行納米材料的合成，往往在等離子體反應(yīng)器內(nèi)通入所需的各種氣體(如H2、H2-Ar, H2-H2O, H2-H2O-Ar, N2, NH3, C2H4等)，即可在氣體放電后形成金屬或各類化合物的納米材料。在熱等離子體合成納米材料粉的工藝中，同傳統(tǒng)的采用側(cè)向載氣注入方式的等離子體反應(yīng)器相比，采用反向載氣注入方式，可以為顆粒的合成提供更加良好的反應(yīng)環(huán)境，如延長(zhǎng)顆粒在等離子體反應(yīng)器中的停留時(shí)間、合理控制反應(yīng)氣體局部溫度及反應(yīng)物濃度等。 實(shí)驗(yàn)研究表明當(dāng)高溫等離子體發(fā)生器出口和反向冷氣體噴口之間的空間區(qū)域會(huì)形成一個(gè)滯止層；由于反向載氣的注入，反應(yīng)器內(nèi)會(huì)形成溫度梯度大、軸向速度小的區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，合成鋁納米原材料的三氯化鋁整齊進(jìn)入熱等離子體射流后，隨著熱等離子體射流完成分解、成核、凝聚和長(zhǎng)大等過程。通常合成的顆粒在重力作用下直接落入噴嘴下方的收集室，所以導(dǎo)致在產(chǎn)品的收集過程中需要間隔一段時(shí)間更換收集箱，這個(gè)缺點(diǎn)限制了納米材料粉批量生產(chǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器，側(cè)向?qū)Я鳉怏w通過矩形通道吹入，可以改變納米粉的流向，使其向側(cè)面流動(dòng)，這樣避免了收集過程中收集室的拆卸，使得生產(chǎn)效率得以有較大的提高。本發(fā)明提出的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器包括等離子體發(fā)生器、 原料噴射環(huán)、淬冷室、收集室、傳送帶、淬冷氣體輸送管和側(cè)向?qū)Я魍ǖ?；等離子體發(fā)生器嵌在原料噴射環(huán)的凹口內(nèi)，原料噴射環(huán)通過螺栓與淬冷室連接，淬冷室底部設(shè)有淬冷氣體輸送管，等離子體發(fā)生器與淬冷氣體輸送管出口反向共軸布置，等離子體發(fā)生器噴射出等離子體射流順次通過原料噴射環(huán)、淬冷室，原材料通過原料噴射環(huán)均勻地向淬冷室中噴入等離子體射流，在淬冷室中形成滯止面；所述的淬冷室的一側(cè)的外壁面上連接有側(cè)向?qū)Я魍ǖ?，?cè)向?qū)Я魍ǖ赖囊欢伺c淬冷室內(nèi)部連通，另一端連接冷風(fēng)，側(cè)向?qū)Я魍ǖ琅c滯止面保持在同一高度，該側(cè)向?qū)Я魍ǖ罏榉叫沃蓖ǖ佬螤睿瑐?cè)向?qū)Я魍ǖ狼度朐诖憷涫覂?nèi)，其通道水平垂直于淬冷室的中心軸線，寬度與淬冷室的橫向半徑相同，長(zhǎng)度方向上使淬冷室的內(nèi)部與冷風(fēng)連通，高度為3 5cm，側(cè)向?qū)Я魍ǖ赖某隹谒谥本€為淬冷室橫向直徑方向，側(cè)向?qū)Я魍ǖ赖耐ǖ纼杀谂c淬冷室的外壁分別相切，在與側(cè)向?qū)Я魍ǖ老鄬?duì)的淬冷室的另一側(cè)的底部焊接有收集室，該收集室位于傳送帶上，通過傳送帶將收集室中收集的納米顆粒輸送到指定的地點(diǎn)。本發(fā)明還提供的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器的制備方法，具體包括以下幾個(gè)步驟第一步供氣部分。先將等離子體發(fā)生器供氣管路上的流量計(jì)打開，然后將等離子體發(fā)生器供氣瓶閥門打開，調(diào)節(jié)流量控制閥，使等離子體發(fā)生器的工作氣體達(dá)到等離子體發(fā)生器所需供氣量；第二步冷卻部分。依次將與收集室相連的冷卻管路上的回水閥、供水閥打開，然后打開供水泵使其達(dá)到正常的供水量。第三步淬冷部分。打開淬冷氣體輸送管上的淬冷氣體閥和側(cè)向?qū)Я魍ǖ赖臍怏w閥，使下方淬冷氣體和側(cè)向?qū)Я鳉怏w正常供給。第四步供電部分。打開等離子體發(fā)生器的電源開關(guān)，啟動(dòng)高頻供電，使等離子體發(fā)生器實(shí)現(xiàn)引弧后，切斷高頻改為直流供電；打開傳送帶的電源開關(guān)，啟動(dòng)傳送帶。第五步供粉部分。待淬冷室內(nèi)氣體流動(dòng)穩(wěn)定后，打開與原料噴射環(huán)相連的供粉閥，開始納米粉體的制備。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于1)本發(fā)明提供的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器及其制備方法，側(cè)向?qū)Я鳉怏w通過矩形通道吹入，可以改變納米粉的流向，使其向側(cè)面流動(dòng)，這樣避免了收集過程中收集室的拆卸，使得生產(chǎn)效率得以有較大的提高。2)本發(fā)明提供的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器及其制備方法，淬冷氣體輸送管的冷氣入口管出口與等離子體發(fā)生器的出口之間的距離可以調(diào)節(jié)，以調(diào)整滯止面的位置，延長(zhǎng)原料顆粒在等離子體中的停留時(shí)間。3)本發(fā)明提供的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器及其制備方法，側(cè)向?qū)Я魍ǖ肋B通的冷風(fēng)、淬冷氣體輸送管的輸出的冷氣和等離子體射流流量均可以調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)整反應(yīng)氣體局部溫度及濃度的作用。
圖1 本發(fā)明提供的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器側(cè)視圖。圖2 本發(fā)明提供的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器剖視圖。圖3 本發(fā)明提供的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器等軸測(cè)圖。圖中1-等離子體發(fā)生器；2-原料噴射環(huán)； 3-淬冷室； 4-收集室；5-傳送帶；6-淬冷氣體輸送管；7-側(cè)向?qū)Я魍ǖ馈?br>
具體實(shí)施例方式
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下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明本發(fā)明提供一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器，如圖1、圖2、圖3所示， 包括等離子體發(fā)生器1、原料噴射環(huán)2、淬冷室3、收集室4、傳送帶5、淬冷氣體輸送管6和側(cè)向?qū)Я魍ǖ?。等離子體發(fā)生器1嵌在原料噴射環(huán)2凹口內(nèi)，原料噴射環(huán)2通過螺栓與淬冷室3連接，使等離子體發(fā)生器1噴射出等離子體射流順次通過原料噴射環(huán)2、淬冷室3， 等離子體發(fā)生器1與淬冷氣體輸送管6出口反向共軸布置，原材料通過原料噴射環(huán)2均勻地向淬冷室3中噴入等離子體射流，在等離子體射流的作用下在淬冷室3中發(fā)生融化、蒸發(fā)過程，遇到淬冷氣體輸送管吹出的冷氣，在淬冷室3中形成滯止面，在滯止面上蒸汽冷凝成核、繼而長(zhǎng)大，得到超細(xì)的納米粉。所述的淬冷室3的一側(cè)的外壁面上連接有側(cè)向?qū)Я魍ǖ?，側(cè)向?qū)Я魍ǖ?的一端與淬冷室3內(nèi)部連通，另一端連接冷風(fēng)，冷風(fēng)風(fēng)速大約為10 30cm/s。側(cè)向?qū)Я魍ǖ?位于等離子體發(fā)生器1與淬冷氣體輸送管6中間位置，需將其與滯止面保持在同一高度，該側(cè)向?qū)Я魍ǖ?為方形直通道形狀，側(cè)向?qū)Я魍ǖ?嵌入在淬冷室3內(nèi)，其通道水平垂直于淬冷室3的中心軸線，寬度與淬冷室的橫向半徑相同，長(zhǎng)度方向上使淬冷室的內(nèi)部與冷風(fēng)連通，高度為3 5cm，側(cè)向?qū)Я魍ǖ?的出口所在直線為淬冷室 3橫向直徑方向，側(cè)向?qū)Я魍ǖ?的通道兩壁與淬冷室3的外壁分別相切。在側(cè)向?qū)Я骼滹L(fēng)的作用下，納米粉流向右側(cè)的收集室4。在與側(cè)向?qū)Я魍ǖ?相對(duì)的淬冷室3的另一側(cè)的底部連接有收集室4，該收集室位于傳送帶上，通過傳送帶將收集室中收集的納米顆粒輸送到指定的地點(diǎn)。收集室4連接有冷卻管路，通過水冷保證其殼體溫度不至于過高。淬冷室 3底部設(shè)有淬冷氣體輸送管5，與等離子體發(fā)生器1對(duì)向共軸布置，淬冷氣體通過淬冷氣體輸送管5進(jìn)入淬冷室3。收集室與外圍之間留有較小的縫隙，該縫隙一方面可以使形成等離子體射流的工作氣體排出腔室；傳送帶5兩側(cè)設(shè)置有擋板，收集室4位于擋板中間的傳送帶上運(yùn)動(dòng)，擋板的高度使得納米粉落在傳送帶上，而不會(huì)被吹出，這又可以避免制備的納米粉流到收集室外面。通過側(cè)向?qū)Я?，滯止面外圍的納米合成顆粒可以流向另一側(cè)的收集室，然后通過借助一些裝置，如傳送帶，將獲得的納米顆粒輸運(yùn)到指定的地點(diǎn)。傳送帶5在工作的時(shí)候是相對(duì)其它裝置運(yùn)動(dòng)的，因而不與其它任何裝置相連接。淬冷氣體輸送管6出口與等離子體發(fā)生器1的出口之間的距離可以調(diào)節(jié)，以調(diào)整滯止面的位置，延長(zhǎng)原料顆粒在等離子體中的停留時(shí)間。所述的淬冷氣體輸送管6的淬冷氣體與等離子體發(fā)生器1的等離子體射流流量根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。本發(fā)明提供的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器的制備方法，具體包括一下幾個(gè)步驟第一步供氣部分。先將等離子體發(fā)生器1供氣管路上的流量計(jì)打開，然后將等離子體發(fā)生器1供氣瓶閥門打開，調(diào)節(jié)流量控制閥，使等離子體發(fā)生器1的工作氣體達(dá)到等離子體發(fā)生器所需供氣量；第二步冷卻部分。依次將與收集室4相連的冷卻管路上的回水閥、供水閥打開， 然后打開供水泵使其達(dá)到正常的供水量。第三步淬冷部分。打開淬冷氣體輸送管6上的淬冷氣體閥和側(cè)向?qū)Я魍ǖ?的氣體閥，使下方淬冷氣體和側(cè)向?qū)Я鳉怏w正常供給。第四步供電部分。打開等離子體發(fā)生器1的電源開關(guān)，啟動(dòng)高頻供電，使等離子體發(fā)生器1實(shí)現(xiàn)引弧后，切斷高頻改為直流供電；打開傳送帶5的電源開關(guān)，啟動(dòng)傳送帶5。
第五步供粉部分。待淬冷室3內(nèi)氣體流動(dòng)穩(wěn)定后，打開與原料噴射環(huán)2相連的供粉閥，開始納米粉體的制備。
權(quán)利要求
1.一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器，其特征在于包括等離子體發(fā)生器、 原料噴射環(huán)、淬冷室、收集室、傳送帶、淬冷氣體輸送管和側(cè)向?qū)Я魍ǖ?；等離子體發(fā)生器嵌在原料噴射環(huán)的凹口內(nèi)，原料噴射環(huán)通過螺栓與淬冷室連接，淬冷室底部設(shè)有淬冷氣體輸送管，，等離子體發(fā)生器與淬冷氣體輸送管出口反向共軸布置，原材料通過原料噴射環(huán)均勻地向淬冷室中噴入等離子體射流，在淬冷室中形成滯止面；所述的淬冷室的一側(cè)的外壁面上連接有側(cè)向?qū)Я魍ǖ?，?cè)向?qū)Я魍ǖ赖囊欢伺c淬冷室內(nèi)部連通，另一端連接冷風(fēng)，側(cè)向?qū)Я魍ǖ琅c滯止面保持在同一高度，該側(cè)向?qū)Я魍ǖ罏榉叫沃蓖ǖ佬螤睿瑐?cè)向?qū)Я魍ǖ狼度朐诖憷涫覂?nèi)，其通道水平垂直于淬冷室的中心軸線，寬度與淬冷室的橫向半徑相同，長(zhǎng)度方向上使淬冷室的內(nèi)部與冷風(fēng)連通，高度為3 5cm，側(cè)向?qū)Я魍ǖ赖某隹谒谥本€為淬冷室橫向直徑方向，側(cè)向?qū)Я魍ǖ赖耐ǖ纼杀谂c淬冷室的外壁分別相切，在與側(cè)向?qū)Я魍ǖ老鄬?duì)的淬冷室的另一側(cè)的底部焊接有收集室，該收集室位于傳送帶上，通過傳送帶將收集室中收集的納米顆粒輸送到指定的地點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器，其特征在于 所述的收集室連接有冷卻管路，且收集室與外圍之間留有縫隙，使形成等離子體射流的工作氣體排出腔室。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器，其特征在于 所述的傳送帶兩側(cè)設(shè)置有擋板，其高度使得納米粉落在傳送帶上，而不會(huì)被吹出，避免制備的納米粉流到收集室外面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器，其特征在于 所述的冷風(fēng)風(fēng)速為10 30cm/s。
5 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器的制備方法，其特征在于具體包括以下幾個(gè)步驟第一步將等離子體發(fā)生器供氣管路上的流量計(jì)打開，然后將等離子體發(fā)生器供氣瓶閥門打開，調(diào)節(jié)流量控制閥，使等離子體發(fā)生器的工作氣體達(dá)到等離子體發(fā)生器所需供氣量；第二步依次將與收集室相連的冷卻管路上的回水閥、供水閥打開，然后打開供水泵使其達(dá)到正常的供水量；第三步打開淬冷氣體輸送管上的淬冷氣體閥和側(cè)向?qū)Я魍ǖ赖臍怏w閥，使下方淬冷氣體和側(cè)向?qū)Я鳉怏w正常供給；第四步打開等離子體發(fā)生器的電源開關(guān)，啟動(dòng)高頻供電，使等離子體發(fā)生器實(shí)現(xiàn)引弧后，切斷高頻改為直流供電；打開傳送帶的電源開關(guān)，啟動(dòng)傳送帶；第五步待淬冷室內(nèi)氣體流動(dòng)穩(wěn)定后，打開與原料噴射環(huán)相連的供粉閥，開始納米粉體的制備。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種帶側(cè)向?qū)Я鞯拇憷涞入x子體射流反應(yīng)器及其制備方法，屬于直流電弧等離子體制備納米材料領(lǐng)域，包括等離子體發(fā)生器、原料噴射環(huán)、淬冷室、收集室、傳送帶、淬冷氣體輸送管和側(cè)向?qū)Я魍ǖ?，等離子體發(fā)生器與淬冷氣體輸送管出口反向共軸布置，淬冷室的一側(cè)的外壁面上連接有側(cè)向?qū)Я魍ǖ?，另一?cè)連接收集室。本發(fā)明中的側(cè)向?qū)Я鳉怏w通過矩形通道吹入，可以改變納米粉的流向，使其向側(cè)面流動(dòng)，這樣避免了收集過程中收集室的拆卸，使得生產(chǎn)效率得以有較大的提高，且淬冷氣體輸送管的冷氣入口管出口與等離子體發(fā)生器的出口之間的距離可以調(diào)節(jié)，以調(diào)整滯止面的位置，延長(zhǎng)原料顆粒在等離子體中的停留時(shí)間。
文檔編號(hào)B01J19/08GK102416308SQ20111030076
公開日2012年4月18日 申請(qǐng)日期2011年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月29日
發(fā)明者劉小龍, 孫維平, 王海興 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)