[發明專利]一種帶側向導流的淬冷等離子體射流反應器及其制備方法

無效

• 申請號: 201110300764.9
• 申請日: 2011-09-29
• 公開（公告）號: CN102416308A
• 公開（公告）日: 2012-04-18
• 發明（設計）人: 王海興;劉小龍;孫維平
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: B01J19/08
• 分類號: B01J19/08;B82Y40/00
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 官漢增

技術領域：

本發明屬于直流電弧等離子體制備納米材料領域，具體涉及一種帶側向導流的淬冷等離子體射流反應器及其制備方法。

背景技術：

隨著納米科學與技術的不斷發展，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，或者由單個基本微粒聚集形成微粒并控制微粒的生長，使其維持納米尺度。具體的方法包括化學法(如水熱法、水解法、溶膠凝膠法、熔融法等)和物理法(如蒸發冷凝法、離子濺射法、機械球磨法、等離子體法、電火花法、爆炸法等)等多種方法。

采用熱等離子體進行納米顆粒的合成，既可以在氣體放電區內進行，也可以在氣體放電后形成的高溫等離子體射流區內進行。直流電弧等離子體法是一種在惰性氣氛或反應性氣氛下通過電弧放電使氣體電離產生高溫等離子體，從而等離子體增強的氣氛中發生物理或化學變化產生氣相沉積的材料制備方法。采用直流電弧等離子體法進行納米材料的合成，往往在等離子體反應器內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，同傳統的采用側向載氣注入方式的等離子體反應器相比，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環境，如延長顆粒在等離子體反應器中的停留時間、合理控制反應氣體局部溫度及反應物濃度等。實驗研究表明：當高溫等離子體發生器出口和反向冷氣體噴口之間的空間區域會形成一個滯止層；由于反向載氣的注入，反應器內會形成溫度梯度大、軸向速度小的區域，在該區域內，合成鋁納米原材料的三氯化鋁整齊進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，所以導致在產品的收集過程中需要間隔一段時間更換收集箱，這個缺點限制了納米材料粉批量生產。

發明內容：

針對現有技術中存在的問題，本發明提出一種帶側向導流的淬冷等離子體射流反應器，側向導流氣體通過矩形通道吹入，可以改變納米粉的流向，使其向側面流動，這樣避免了收集過程中收集室的拆卸，使得生產效率得以有較大的提高。

本發明提出的一種帶側向導流的淬冷等離子體射流反應器包括等離子體發生器、原料噴射環、淬冷室、收集室、傳送帶、淬冷氣體輸送管和側向導流通道；等離子體發生器嵌在原料噴射環的凹口內，原料噴射環通過螺栓與淬冷室連接，淬冷室底部設有淬冷氣體輸送管，等離子體發生器與淬冷氣體輸送管出口反向共軸布置，等離子體發生器噴射出等離子體射流順次通過原料噴射環、淬冷室，原材料通過原料噴射環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的外壁面上連接有側向導流通道，側向導流通道的一端與淬冷室內部連通，另一端連接冷風，側向導流通道與滯止面保持在同一高度，該側向導流通道為方形直通道形狀，側向導流通道嵌入在淬冷室內，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，長度方向上使淬冷室的內部與冷風連通，高度為3～5cm，側向導流通道的出口所在直線為淬冷室橫向直徑方向，側向導流通道的通道兩壁與淬冷室的外壁分別相切，在與側向導流通道相對的淬冷室的另一側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。

本發明還提供的一種帶側向導流的淬冷等離子體射流反應器的制備方法，具體包括以下幾個步驟：

第一步：供氣部分。先將等離子體發生器供氣管路上的流量計打開，然后將等離子體發生器供氣瓶閥門打開，調節流量控制閥，使等離子體發生器的工作氣體達到等離子體發生器所需供氣量；

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向導流通道的氣體閥，使下方淬冷氣體和側向導流氣體正常供給。

第四步：供電部分。打開等離子體發生器的電源開關，啟動高頻供電，使等離子體發生器實現引弧后，切斷高頻改為直流供電；打開傳送帶的電源開關，啟動傳送帶。

第五步：供粉部分。待淬冷室內氣體流動穩定后，打開與原料噴射環相連的供粉閥，開始納米粉體的制備。