一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器及其制备方法

摘要

本发明提出的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器及其制备方法，属于直流电弧等离子体制备纳米材料领域，包括等离子体发生器、原料喷射环、淬冷室、收集室、传送带、淬冷气体输送管和侧向导流通道，等离子体发生器与淬冷气体输送管出口反向共轴布置，淬冷室的一侧的外壁面上连接有侧向导流通道，另一侧连接收集室。本发明中的侧向导流气体通过矩形通道吹入，可以改变纳米粉的流向，使其向侧面流动，这样避免了收集过程中收集室的拆卸，使得生产效率得以有较大的提高，且淬冷气体输送管的冷气入口管出口与等离子体发生器的出口之间的距离可以调节，以调整滞止面的位置，延长原料颗粒在等离子体中的停留时间。

权利要求

1.一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器，其特征在于：包括等离子体发生器、原料喷射环、淬冷室、收集室、传送带、淬冷气体输送管和侧向导流通道；等离子体发生器嵌在原料喷射环的凹口内，原料喷射环通过螺栓与淬冷室连接，淬冷室底部设有淬冷气体输送管，等离子体发生器与淬冷气体输送管出口反向共轴布置，原材料通过原料喷射环均匀地向淬冷室中喷入等离子体射流，在淬冷室中形成滞止面；所述的淬冷室的一侧的外壁面上连接有侧向导流通道，侧向导流通道的一端与淬冷室内部连通，另一端连接冷风，侧向导流通道与滞止面保持在同一高度，该侧向导流通道为方形直通道形状，侧向导流通道嵌入在淬冷室内，其通道水平垂直于淬冷室的中心轴线，宽度与淬冷室的横向半径相同，长度方向上使淬冷室的内部与冷风连通，高度为3～5cm，侧向导流通道的出口所在直线为淬冷室横向直径方向，侧向导流通道的通道两壁与淬冷室的外壁分别相切，在与侧向导流通道相对的淬冷室的另一侧的底部焊接有收集室，该收集室位于传送带上，通过传送带将收集室中收集的纳米颗粒输送到指定的地点。

2.根据权利要求1所述的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器，其特征在于：

所述的收集室连接有冷却管路，且收集室与外围之间留有缝隙，使形成等离子体射流的工作气体排出腔室。

3.根据权利要求1所述的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器，其特征在于：

所述的传送带两侧设置有挡板，其高度使得纳米粉落在传送带上，而不会被吹出，避免制备的纳米粉流到收集室外面。

4.根据权利要求1所述的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器，其特征在于：

所述的冷风风速为10～30cm/s。

5.使用权利要求1所述的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器来制备纳米粉体的方法，其特征在于：具体包括以下几个步骤：第一步：将等离子体发生器供气管路上的流量计打开，然后将等离子体发生器供气瓶阀门打开，调节流量控制阀，使等离子体发生器的工作气体达到等离子体发生器所需供气量；

第二步：依次将与收集室相连的冷却管路上的回水阀、供水阀打开，然后打开供水泵使其达到正常的供水量；

第三步：打开淬冷气体输送管上的淬冷气体阀和侧向导流通道的气体阀，使下方淬冷气体和侧向导流气体正常供给；

第四步：打开等离子体发生器的电源开关，启动高频供电，使等离子体发生器实现引弧后，切断高频改为直流供电；打开传送带的电源开关，启动传送带；

第五步：待淬冷室内气体流动稳定后，打开与原料喷射环相连的供粉阀，开始纳米粉体的制备。

说明书

一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器及其制备方法

技术领域：

[0001] 本发明属于直流电弧等离子体制备纳米材料领域，具体涉及一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器及其制备方法。背景技术：

[0002] 随着纳米科学与技术的不断发展，纳米材料(包括纳米膜、纳米线和纳米颗粒等)的制备已成为一项重要的研究课题。目前，制备纳米颗粒最基本的方法是将打开固体分裂成纳米微粒，或者由单个基本微粒聚集形成微粒并控制微粒的生长，使其维持纳米尺度。具体的方法包括化学法(如水热法、水解法、溶胶凝胶法、熔融法等)和物理法(如蒸发冷凝法、离子溅射法、机械球磨法、等离子体法、电火花法、爆炸法等)等多种方法。

[0003] 采用热等离子体进行纳米颗粒的合成，既可以在气体放电区内进行，也可以在气体放电后形成的高温等离子体射流区内进行。直流电弧等离子体法是一种在惰性气氛或反应性气氛下通过电弧放电使气体电离产生高温等离子体，从而等离子体增强的气氛中发生物理或化学变化产生气相沉积的材料制备方法。采用直流电弧等离子体法进行纳米材料的合成，往往在等离子体反应器内通入所需的各种气体(如H2、H2-Ar、H2-H2O、H2-H2O-Ar、N2、NH3、C2H4等)，即可在气体放电后形成金属或各类化合物的纳米材料。

[0004] 在热等离子体合成纳米材料粉的工艺中，同传统的采用侧向载气注入方式的等离子体反应器相比，采用反向载气注入方式，可以为颗粒的合成提供更加良好的反应环境，如延长颗粒在等离子体反应器中的停留时间、合理控制反应气体局部温度及反应物浓度等。实验研究表明：当高温等离子体发生器出口和反向冷气体喷口之间的空间区域会形成一个滞止层；由于反向载气的注入，反应器内会形成温度梯度大、轴向速度小的区域，在该区域内，合成铝纳米原材料的三氯化铝整齐进入热等离子体射流后，随着热等离子体射流完成分解、成核、凝聚和长大等过程。

[0005] 通常合成的颗粒在重力作用下直接落入喷嘴下方的收集室，所以导致在产品的收集过程中需要间隔一段时间更换收集箱，这个缺点限制了纳米材料粉批量生产。发明内容：

[0006] 针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器，侧向导流气体通过矩形通道吹入，可以改变纳米粉的流向，使其向侧面流动，这样避免了收集过程中收集室的拆卸，使得生产效率得以有较大的提高。

[0007] 本发明提出的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器包括等离子体发生器、原料喷射环、淬冷室、收集室、传送带、淬冷气体输送管和侧向导流通道；等离子体发生器嵌在原料喷射环的凹口内，原料喷射环通过螺栓与淬冷室连接，淬冷室底部设有淬冷气体输送管，等离子体发生器与淬冷气体输送管出口反向共轴布置，等离子体发生器喷射出等离子体射流顺次通过原料喷射环、淬冷室，原材料通过原料喷射环均匀地向淬冷室中喷入等离子体射流，在淬冷室中形成滞止面；所述的淬冷室的一侧的外壁面上连接有侧向导流通道，侧向导流通道的一端与淬冷室内部连通，另一端连接冷风，侧向导流通道与滞止面保持在同一高度，该侧向导流通道为方形直通道形状，侧向导流通道嵌入在淬冷室内，其通道水平垂直于淬冷室的中心轴线，宽度与淬冷室的横向半径相同，长度方向上使淬冷室的内部与冷风连通，高度为3～5cm，侧向导流通道的出口所在直线为淬冷室横向直径方向，侧向导流通道的通道两壁与淬冷室的外壁分别相切，在与侧向导流通道相对的淬冷室的另一侧的底部焊接有收集室，该收集室位于传送带上，通过传送带将收集室中收集的纳米颗粒输送到指定的地点。

[0008] 本发明还提供的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器的制备方法，具体包括以下几个步骤：

[0009] 第一步：供气部分。先将等离子体发生器供气管路上的流量计打开，然后将等离子体发生器供气瓶阀门打开，调节流量控制阀，使等离子体发生器的工作气体达到等离子体发生器所需供气量；

[0010] 第二步：冷却部分。依次将与收集室相连的冷却管路上的回水阀、供水阀打开，然后打开供水泵使其达到正常的供水量。

[0011] 第三步：淬冷部分。打开淬冷气体输送管上的淬冷气体阀和侧向导流通道的气体阀，使下方淬冷气体和侧向导流气体正常供给。

[0012] 第四步：供电部分。打开等离子体发生器的电源开关，启动高频供电，使等离子体发生器实现引弧后，切断高频改为直流供电；打开传送带的电源开关，启动传送带。

[0013] 第五步：供粉部分。待淬冷室内气体流动稳定后，打开与原料喷射环相连的供粉阀，开始纳米粉体的制备。

[0014] 本发明的优点在于：

[0015] 1)本发明提供的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器及其制备方法，侧向导流气体通过矩形通道吹入，可以改变纳米粉的流向，使其向侧面流动，这样避免了收集过程中收集室的拆卸，使得生产效率得以有较大的提高。

[0016] 2)本发明提供的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器及其制备方法，淬冷气体输送管的冷气入口管出口与等离子体发生器的出口之间的距离可以调节，以调整滞止面的位置，延长原料颗粒在等离子体中的停留时间。

[0017] 3)本发明提供的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器及其制备方法，侧向导流通道连通的冷风、淬冷气体输送管的输出的冷气和等离子体射流流量均可以调节，从而达到调整反应气体局部温度及浓度的作用。附图说明：

[0018] 图1：本发明提供的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器侧视图。

[0019] 图2：本发明提供的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器剖视图。

[0020] 图3：本发明提供的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器等轴测图。

[0021] 图中：1-等离子体发生器；2-原料喷射环； 3-淬冷室； 4-收集室；

[0022] 5-传送带； 6-淬冷气体输送管；7-侧向导流通道。具体实施方式：

[0023] 下面将结合附图对本发明进行详细说明：

[0024] 本发明提供一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器，如图1、图2、图3所示，包括等离子体发生器1、原料喷射环2、淬冷室3、收集室4、传送带5、淬冷气体输送管6和侧向导流通道7。等离子体发生器1嵌在原料喷射环2凹口内，原料喷射环2通过螺栓与淬冷室3连接，使等离子体发生器1喷射出等离子体射流顺次通过原料喷射环2、淬冷室3，等离子体发生器1与淬冷气体输送管6出口反向共轴布置，原材料通过原料喷射环2均匀地向淬冷室3中喷入等离子体射流，在等离子体射流的作用下在淬冷室3中发生融化、蒸发过程，遇到淬冷气体输送管吹出的冷气，在淬冷室3中形成滞止面，在滞止面上蒸汽冷凝成核、继而长大，得到超细的纳米粉。所述的淬冷室3的一侧的外壁面上连接有侧向导流通道7，侧向导流通道7的一端与淬冷室3内部连通，另一端连接冷风，冷风风速大约为10～30cm/s。侧向导流通道7位于等离子体发生器1与淬冷气体输送管6中间位置，需将其与滞止面保持在同一高度，该侧向导流通道7为方形直通道形状，侧向导流通道7嵌入在淬冷室3内，其通道水平垂直于淬冷室3的中心轴线，宽度与淬冷室的横向半径相同，长度方向上使淬冷室的内部与冷风连通，高度为3～5cm，侧向导流通道7的出口所在直线为淬冷室
3横向直径方向，侧向导流通道7的通道两壁与淬冷室3的外壁分别相切。在侧向导流冷风的作用下，纳米粉流向右侧的收集室4。在与侧向导流通道7相对的淬冷室3的另一侧的底部连接有收集室4，该收集室位于传送带上，通过传送带将收集室中收集的纳米颗粒输送到指定的地点。收集室4连接有冷却管路，通过水冷保证其壳体温度不至于过高。淬冷室
3底部设有淬冷气体输送管5，与等离子体发生器1对向共轴布置，淬冷气体通过淬冷气体输送管5进入淬冷室3。收集室与外围之间留有较小的缝隙，该缝隙一方面可以使形成等离子体射流的工作气体排出腔室；传送带5两侧设置有挡板，收集室4位于挡板中间的传送带上运动，挡板的高度使得纳米粉落在传送带上，而不会被吹出，这又可以避免制备的纳米粉流到收集室外面。通过侧向导流，滞止面外围的纳米合成颗粒可以流向另一侧的收集室，然后通过借助一些装置，如传送带，将获得的纳米颗粒输运到指定的地点。传送带5在工作的时候是相对其它装置运动的，因而不与其它任何装置相连接。

[0025] 淬冷气体输送管6出口与等离子体发生器1的出口之间的距离可以调节，以调整滞止面的位置，延长原料颗粒在等离子体中的停留时间。所述的淬冷气体输送管6的淬冷气体与等离子体发生器1的等离子体射流流量根据需要进行调节。

[0026] 本发明提供的一种带侧向导流的淬冷等离子体射流反应器的制备方法，具体包括一下几个步骤：

[0027] 第一步：供气部分。先将等离子体发生器1供气管路上的流量计打开，然后将等离子体发生器1供气瓶阀门打开，调节流量控制阀，使等离子体发生器1的工作气体达到等离子体发生器所需供气量；

[0028] 第二步：冷却部分。依次将与收集室4相连的冷却管路上的回水阀、供水阀打开，然后打开供水泵使其达到正常的供水量。

[0029] 第三步：淬冷部分。打开淬冷气体输送管6上的淬冷气体阀和侧向导流通道7的气体阀，使下方淬冷气体和侧向导流气体正常供给。

[0030] 第四步：供电部分。打开等离子体发生器1的电源开关，启动高频供电，使等离子体发生器1实现引弧后，切断高频改为直流供电；打开传送带5的电源开关，启动传送带5。

[0031] 第五步：供粉部分。待淬冷室3内气体流动稳定后，打开与原料喷射环2相连的供粉阀，开始纳米粉体的制备。