[發明專利]撞靶式超聲速氣流加速低熱固相反應裝置及其應用方法

有效

• 申請號: 201710114619.9
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN107051364B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 路波;林俊;左金;彭汝芳;李江濤;楚士晉;郭秋亭;林學東;陶洋;張兆;范長海;葉坤;杜寧;楊可;周洪;劉剛
• 申請（專利權）人: 中國空氣動力研究與發展中心高速空氣動力研究所
• 主分類號: B01J19/24
• 分類號: B01J19/24;B01J8/08;B01J19/12
• 代理公司: 北京海虹嘉誠知識產權代理有限公司 11129
• 代理人: 周曉娜

本發明公開了一種撞靶式超聲速氣流加速低熱固相反應裝置，該裝置包括氣流輸送單元、固體物料顆粒輸送單元、反應器，反應器包括超聲速噴管、混合加速室、靶頭，在超聲速噴管內部同軸方向貫穿設置軸向進料管，軸向進料管的入口端連接料斗和送粉器，軸向進料管的出口端延伸至混合加速室。本發明通過控制超聲速氣流中低熱固相化學反應過程，并定量測量相關參數，解決了有關固相合成過程中瞬態中間相的捕捉和確定、瞬態中間相的演化步驟、各步驟速率的確定等問題，具有重要的應用價值。

技術領域

本發明涉及低熱固相反應合成凝聚態物質的系統，具體涉及基于超聲速氣流加速和碰撞技術的低熱固相反應成套裝置及其應用方法。

背景技術

低熱固相反應合成技術是近年來快速發展的材料制備新技術，其特征在于室溫或低溫下的能量傳遞，即通過向粉末反應劑體系中引入機械能，并使之轉變為反應體系的化學能，從而實現室溫或低溫下的固相合成。低熱固相反應合成技術既不需要高溫、也不使用溶劑，而且合成周期短、產率高、工藝流程簡便實用。低熱固相反應合成技術可合成的材料體系囊括了非晶、納米晶、準晶、過飽和固溶體、高比表面催化劑、高活性化合物、超細礦物粉體等大量凝聚態物質。以合成NiO納米粉末為例，如采用室溫固相反應合成技術，其制備周期較之傳統的高溫加熱合成工藝可下降兩個數量級。因此，低熱固相反應合成技術是近年來快速發展的綠色合成領域中的一個重要分支，也是國際范圍內研發的前沿和熱點，該技術對于降低能耗、綠色生產的意義已成為國際共識，其推廣應用將產生巨大的經濟和社會效益。

目前，低熱固相反應合成裝備以球磨、研磨為主，包括沖擊磨（沖擊式粉碎機、錘式磨）、剪切磨（如軋輥磨）、沖擊加壓剪切磨（包括球管磨、振動磨、行星磨）等。球磨和研磨雖然能進行大量材料體系的低熱固相反應合成，但其效率不高，有效饋入能量小于總能耗的5%，能源利用率極低。另外，球磨和研磨反應機制復雜，定量化研究更加困難，長期以來對有關機理停留在主觀推測或經驗總結上。

近期，本發明申請人研究團隊經過大量的實驗研究，以及在流體力學方面的雄厚研究基礎，創造性得將超聲速流體技術與固相化學反應合成技術結合起來，形成了一種超聲速氣流加速低熱固相反應新技術，這項技術是在傳統的低熱固相反應、超聲速氣流碰撞技術上的飛躍性變革，開啟了一種全新的固-固反應、氣-固低熱反應高效合成技術。研究團隊前期在設備搭建和改進方面做了大量研究工作，研制了第一代超聲速氣流加速低熱固相反應合成裝置，并申請了發明專利CN102198388B，該專利中披露了采用超聲速氣流進行固相反應合成的方法和裝置，其中，公開的裝置包括了固相反應器、載體氣流供給裝置和微波裝置，固相反應器是靶式反應器，由靶頭和靶框組成，靶頭位于靶框內，固相反應器布置在屏蔽罩內，通過微波裝置向屏蔽罩內的固體反應器施加微波場。整體來看，第一代固相反應合成裝置為立式反應裝置，反應器的形狀為直筒結構，超聲速氣流主進氣口位于立式反應器的軸向，反應物進口和出口設置在立式反應器的徑向，從試驗的情況來看，這種設計方式存在待改進的方面：一是在噴管結構上設計不合理，難以在整個流場內保持超聲速氣流。二是由于噴管側壁的靜壓與來流總壓成正比，當上游總壓增加時會導致進料口的壓力超過大氣壓導致固體物料顆粒加入氣流變得困難。三是由于進料口開在側壁上，破壞了流場的均勻性，氣流紊亂，使得下游的流場難以達到或是維持為超聲速狀態，導致固體物料顆粒難以獲得足夠的動能。四是固體物料顆粒通過側壁加入，固體物料顆粒隨紊亂的氣流隨機分布在整個管道中，沒有匯聚到氣流中心，使得撞靶概率降低，影響了反應的效率。可見，第一代固相反應合成裝置中固相反應器的反應物導入效率和能量利用率有待進一步提高，為了能夠實現反應合成，另加了微波輻射場，從而提高反應顆粒的總能量密度。因此，問題的關鍵在于如何通過裝置的改進設計來進一步提高反應固體物料顆粒的能量饋入密度。

發明內容

本發明在現有技術的基礎上，通過結構設計和實驗驗證進一步優化現有裝置的性能。本發明提供一種撞靶式超聲速氣流加速低熱固相反應裝置，該裝置能夠實現固體反應固體物料顆粒高效率饋入超聲速氣流，并能定量測量超聲速氣流中低熱固相化學反應相關參數，精確控制反應過程，實現不同材料體系的低溫固相反應合成。