[發明專利]粉末生產設備和方法

無效

• 申請號: 00813809.5
• 申請日: 2000-09-01
• 公開（公告）號: CN1377297A
• 公開（公告）日: 2002-10-30
• 發明（設計）人: 斯蒂芬·G·巴拉德
• 申請（專利權）人: 美國金屬間化合公司
• 主分類號: B01J19/08
• 分類號: B01J19/08
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 鄭修哲

本發明主張美國臨時專利申請60/152,377號名為“粉末生產設備和方法”(1999年9月3日申請)的優先權。

發明背景

本發明涉及粉末的生產。更具體地，涉及用于生產超細粉也稱為毫微粉末(常指平均粒度小于1微米)的爆炸放電方法和設備。

金屬及其衍生物如氧化物和氮化物的粉末有許多用途，包括生產燒結組分、表面涂層、復合材料、化學催化劑、電化學活性表面、顏料、導電和導熱的膏和粘合劑。

某些金屬尤其是鋁和鎂的粉末還在火箭固體燃料中作氧化劑，此時粉末的粒度、附聚度、組成和表面狀態(可能還有粒子的晶體結構)對性能影響很大。已知超微粒金屬燃料燃燒比粗粒燃料快許多倍；進一步提高燃燒速率之后從火焰至所述材料的熱反饋更迅速，可使噴嘴的設計更簡單。更重要的是由于高曲率表面的機械應變導致極小金屬粒子的比能量值超過粗粉，而且毫微粉末可能還有亞穩結構如部分無序的金屬芯和/或表面氧化物層。與這些結構相關的能量可降低沿燃燒坐標的動力屏障(kinetic?barriers)并影響總焓變，產生燃燒更快且更高能的推進劑。此外，基于超微金屬的推進劑不完全燃燒和形成爐渣的傾向降低，這兩者都對固體燃料火箭發動機的性能有害。

亞微金屬粒子有很高的部分自燒結傾向，產生比表面下降的附聚產品。此外，許多金屬相對于其氧化物和氮化物(在某些情況下)是熱力學不穩定的。這些金屬自發地與空氣反應，釋放熱量。對于超細粉而言，比表面積很大以致暴露于空氣可能導致超速(燃燒)氧化或氮化，即所述粉末自燃。金屬粉末還可與濕氣反應例如生成氫氧化物，或與大氣中的二氧化碳反應生成碳酸鹽。在金屬基推進劑的情況下，使所述金屬粒子被氧化劑本身(例如高氯酸銨)緩慢氧化。

為阻止此降解過程，必須保護金屬細粒。保護方法包括儲存在惰性液體如煤油中、使粒子表面化學改性在表面上形成由金屬本身衍生的保護層(本征鈍化)、和用惰性保護材料涂布所述粒子(非本征鈍化)。為了說明，公知對于某些金屬(例如鋁)，有效的本征鈍化結構是通過金屬粒子表面與低分壓的分子氧的緩慢反應生成的很薄(典型地1-2nm厚)內聚表面層。某些情況下(例如鈦)可類似地利用表面氮化。某些情況下可通過粒子表面與可分解的含碳氣體反應，形成石墨炭保護層，實現鈍化。本征鈍化至少消耗一部分待保護金屬。非本征鈍化更普遍，但通常不便采用。例子是長鏈分子如硬脂酸或油酸(參見例如Seamans等的US6?093?309)或其衍生物如鹽或酯的薄膜，或聚合物如聚氟氯碳(polyfluorochlorocarbons)的薄膜。暴露于空氣時，所述涂布粒子按其熱力學要求經受表面氧化，但所述膜使該過程減慢。因此，涂布后所述粉末就可暴露于空氣中。非本征鈍化的顯著優點是不消耗所述金屬芯。限制在于所述涂層可能對所述粉末的應用有害，其去除可能很難或費用過高。然而，此方法可用于(例如)火箭固體推進劑中所用粉末，此時所述聚合物與粉合劑一起燃燒。低摩擦聚合物涂料(如聚氟氯碳)還可通過降低其粘度有助于推進劑的配制和裝載。

除控制低溫自燒結和自燃之外，超細粉的表面改性還可能有其它益處。例如，鋁超微粒子表面暴露于控制的痕量水蒸汽中可產生氫氣，以解離(原子)形式溶解在所述粒子的金屬芯中。這種粒子可具有優越的燃燒特性，使之在火箭燃料中作為氧化劑的價值提高。

電流使導體加熱、熔化和汽化的能力已經知道近兩百年。例如，它是普通保險絲的作用基理。在汽車安全氣囊至燃料-空氣爆炸的裝置中也用電熱絲作煙火引發劑。

據信金屬絲的爆炸電分裂(EEW)已從七十年代后期在前蘇聯及其后繼國中秘密研究。SU2?075?371公開此方法用于生產少量的兩種源金屬的金屬間化合物的未鈍化粉末。SU2?093?311公開一種通過循環氣體通道與離心式粉末提取系統結合的爆炸金屬絲反應器。SU2?120?353公開用電引爆生產細粉，主要是金屬氮化物。

所述EEW法中，在沿金屬絲長度的兩點之間施加電壓，以致所產生的電流使金屬絲在很短的時間間隔內(典型地幾微秒或更短)被加熱、汽化、轉化成等離子體。實現EEW所需能量通過觸發火花隙或其它低阻抗低感應高壓開關依靠共軸傳輸線最有效地從電容器組存儲系統傳遞至所述負載(金屬絲)。

從固相至液相至氣相的相變使金屬的許多性質發生改變。最重要的是失去拉伸強度。一旦金屬絲熔化，則重力和表面張力將使金屬絲斷裂(從而使電路斷裂)，除非阻止其斷裂。例如保持電路完整的金屬本身的機械慣性很長足以發生汽化。但中性的金屬蒸氣不導電。因此，金屬汽化時除非引發電離形成等離子體，否則將使電流流動停止(因而停止進一步加熱)。