專利名稱：一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置的制作方法
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技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置。
背景技術(shù)：
熱等離子體納米材料制備方法得到了廣泛的應(yīng)用，這是因為通過氣體放電所產(chǎn)生的電弧等離子體及其射流，氣體溫度高達幾千度、甚至上萬度，幾乎能夠熔融所有物質(zhì)，而且可以比較方便地控制氣體放電的環(huán)境氛圍0如在無氧條件下放電等)。另外，采用熱等離子體方法，不僅能夠制備單質(zhì)納米材料，而且能夠制備合金型納米材料。熱等離子體制備單質(zhì)納米材料具有所需設(shè)備簡單、操作方便、產(chǎn)率高、適用范圍廣等特點，目前已成功用于制備單質(zhì)金屬納米粉末、氮化物、氧化物、碳化物粉末等；但用其進行合金型納米顆粒的制備， 需要考慮合金材料的成分控制方法等問題。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(qū)內(nèi)進行，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，傳統(tǒng)的做法是采用單一載氣管路注入顆粒狀的原料，從反應(yīng)器前部側(cè)向噴入高溫區(qū)。由于反應(yīng)器通道中流速高，停留時間短，而顆粒蒸發(fā)需要比較長的時間或較長的反應(yīng)器通道，原料顆粒在這種等離子體反應(yīng)器中不容易完全蒸發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，以助于原料的熔融并改善納米顆粒合成的環(huán)境，提高納米顆粒的質(zhì)量。本發(fā)明提出的一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，包括等離子體發(fā)生器、淬冷氣體輸送管、原料噴射環(huán)、淬冷室、收集室和冷卻水管。等離子體發(fā)生器嵌在原料噴射環(huán)的環(huán)形柵欄框的中空凹口內(nèi)，原料噴射環(huán)通過螺栓與淬冷室連接。原料噴射環(huán)包括外環(huán)、切向入口、環(huán)形柵欄框和供粉混合腔，原料噴射環(huán)的外環(huán)為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，外環(huán)上均勻設(shè)置有切向入口，外環(huán)的中心具有中空的環(huán)形柵欄框，供粉混合腔為環(huán)形柵欄框的柵欄與原料噴射環(huán)外環(huán)的內(nèi)壁之間的空腔，使入射材料粉末在各個方向均勻分布。收集室包括收集室上端和收集室下端，收集室上端的上端通過螺紋與淬冷室聯(lián)接，下端開口 ；收集室下端圓盤的中間設(shè)有淬冷氣體輸送管，與等離子體發(fā)生器對向共軸布置，淬冷氣體通過淬冷氣體輸送管送管進入淬冷室；淬冷室和收集室上端外壁設(shè)有冷卻水管道。本發(fā)明的優(yōu)點在于1)本發(fā)明的環(huán)形供粉裝置是通過4個切向進氣口進入供粉混合腔，然后供粉經(jīng)過環(huán)形的柵欄加速進入等離子體射流，這樣能夠保證各個方向均勻供粉。。2)本發(fā)明提出一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其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)，因等離子體發(fā)生器的功率大小而定，通常該距離為20 60cm，以調(diào)整滯止面的位置位于淬冷室的中間位置為佳，延長原料顆粒在等離子體中的停留時間。3)本發(fā)明提出一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，淬冷氣體輸送管的冷氣和等離子體射流流量均可以調(diào)節(jié)從而達到調(diào)整反應(yīng)氣體局部溫度及濃度的作用。4)本發(fā)明提出一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其環(huán)形柵欄框?qū)⒃项w粒注入高溫等離子體射流，使原料的分布更加均勻，熔化蒸發(fā)更加充分，從而得到質(zhì)量更高的納米粉材料。


圖1:本發(fā)明提出的-圖2:本發(fā)明提出的-圖中I-等離子體發(fā)生器4-收集室101-冷卻水入口302-切向入口401-收集室上端403-環(huán)形擋板
-種環(huán)形均勻氣流供粉裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 4中環(huán)形均勻氣流供粉裝置中原料噴射環(huán)的截面圖(
2-原料噴射環(huán) 5-淬冷氣體輸送管 102-冷卻水出口 303-環(huán)形柵欄框 402-收集室下端
3-淬冷室 6-冷卻水管 301-外環(huán) 304-供粉混合腔
具體實施例方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明本發(fā)明提出的一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，如圖1所示，包括等離子體發(fā)生器1、 淬冷氣體輸送管2、原料噴射環(huán)3、淬冷室4、收集室5和冷卻水管6。等離子體發(fā)生器1上設(shè)有冷卻水入口 101和冷卻水出口 102，冷卻水通過等離子體發(fā)生器1的冷卻水入口 101進入，從冷卻水出口 102流出，冷卻水流過等離子體發(fā)生器1，確保了其溫度在一定范圍內(nèi)。等離子體發(fā)生器1嵌在原料噴射環(huán)2的環(huán)形柵欄框303的中空凹口內(nèi)。原料噴射環(huán)2通過螺栓與淬冷室3連接。如圖2所示，原料噴射環(huán)包括外環(huán)301、切向入口 302、環(huán)形柵欄框303和供粉混合腔304。原料噴射環(huán)的外環(huán)301為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，外環(huán)301上均勻設(shè)置有2 4個切向入口 302，切向入口 302與法向成45度夾角。原料通過切向入口 302進入淬冷室3，切向入口 302的作用是使得原材料具有切向速度，相對于徑向入口，可以更好的保證供粉混合腔304 內(nèi)的原材料均勻分布。在外環(huán)301的中心具有中空的環(huán)形柵欄框303，其中環(huán)形柵欄框303的中空的內(nèi)徑為環(huán)形柵欄框7的自身圓環(huán)寬度的1/3 2/3。環(huán)形柵欄框303是由四周具有多個向外輻射狀均勻間隙分布的16個以上矩形柵欄組成的，每個矩形柵欄的徑向長度約為環(huán)形柵欄框303圓環(huán)寬度的1/3，其寬度為環(huán)形柵欄框303的內(nèi)徑的1/30，同時原材料在環(huán)形柵欄框303的柵欄的空隙流動的過程中會因通道截面的收縮而加速，這有利于原材料射入等離子體射流的中心，從而改善制備效果，供粉混合腔304為環(huán)形柵欄框303的柵欄與原料噴射環(huán)外環(huán)301的內(nèi)壁之間的空腔，作用是使入射材料粉末有足夠的時間在各個方向均勻分布。收集室4包括收集室上端401和收集室下端402，收集室上端401的上端通過螺紋與淬冷室3聯(lián)接，下端開口，收集室下端402為帶環(huán)形擋板403的圓盤，環(huán)形擋板403的半徑比收集室上端401的半徑小1-5毫米，高度約為收集室上端401內(nèi)壁高度的60% -80%, 從而使環(huán)形擋板403與收集室上端401的內(nèi)壁之間有一定的空隙，便于工作氣體排出、避免制備的納米粉流到收集室4外面。所述的收集室下端402能夠卸下。收集室下端402圓盤的中間設(shè)有淬冷氣體輸送管5，與等離子體發(fā)生器1對向共軸布置，淬冷氣體通過淬冷氣體輸送管5進入淬冷室3。淬冷氣體輸送管5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，延長原料顆粒在等離子體中的停留時間。所述的淬冷氣體輸送管5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)需要進行調(diào)節(jié)。在淬冷室3中，原料與等離子體射流發(fā)生融化、蒸發(fā)，夾帶原料的等離子體射流與淬冷氣體接觸形成滯止面，在滯止面上蒸汽冷凝成核、繼而長大，得到超細(xì)的納米粉，納米粉落入下方收集室下端402的環(huán)形擋板403內(nèi)。 淬冷室3和收集室上端401外壁設(shè)有冷卻水管道6，通過水冷保證收集室4和淬冷室3溫度不至于過高。操作過程將等離子體發(fā)生器1的冷卻水入口 101，淬冷室3、收集室4外的冷卻水管道6通入冷卻水，然后打開等離子體發(fā)生器1并通過反向淬冷噴射管5通入淬冷氣體，流量穩(wěn)定后打開等離子體發(fā)生器1，待正常工作后，將原料通過原料噴射環(huán)2注入射流，即開始納米顆粒的制備。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其特征在于包括等離子體發(fā)生器、淬冷氣體輸送管、 原料噴射環(huán)、淬冷室、收集室和冷卻水管；等離子體發(fā)生器嵌在原料噴射環(huán)的環(huán)形柵欄框的中空凹口內(nèi)，原料噴射環(huán)通過螺栓與淬冷室連接；原料噴射環(huán)包括外環(huán)、切向入口、環(huán)形柵欄框和供粉混合腔，原料噴射環(huán)的外環(huán)為圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，外環(huán)上均勻設(shè)置有切向入口，外環(huán)的中心具有中空的環(huán)形柵欄框，供粉混合腔為環(huán)形柵欄框的柵欄與原料噴射環(huán)外環(huán)的內(nèi)壁之間的空腔，使入射材料粉末在各個方向均勻分布；收集室包括收集室上端和收集室下端，收集室上端的上端通過螺紋與淬冷室聯(lián)接，下端開口 ；收集室下端圓盤的中間設(shè)有淬冷氣體輸送管，與等離子體發(fā)生器對向共軸布置，淬冷氣體通過淬冷氣體輸送管送管進入淬冷室；淬冷室和收集室上端外壁設(shè)有冷卻水管道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其特征在于所述的等離子體發(fā)生器上設(shè)有冷卻水入口和冷卻水出口，冷卻水通過等離子體發(fā)生器的冷卻水入口進入， 從冷卻水出口流出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其特征在于所述的切向入口的個數(shù)為2-45個，入口方向與法向成45度夾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其特征在于所述的形柵欄框的中空的內(nèi)徑為環(huán)形柵欄框的自身圓環(huán)寬度的1/3 2/3，環(huán)形柵欄框由四周具有多個向外輻射狀均勻間隙分布的16個以上矩形柵欄組成的，每個矩形柵欄的徑向長度為環(huán)形柵欄框圓環(huán)寬度的1/3，寬度為環(huán)形柵欄框的內(nèi)徑的1/30。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其特征在于所述的收集室下端為帶環(huán)形擋板的圓盤，環(huán)形擋板的半徑比收集室上端的半徑小1-5毫米，高度約為收集室上端內(nèi)壁高度的60% -80%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其特征在于所述的淬冷氣體輸送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，延長原料顆粒在等離子體中的停留時間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其特征在于所述的淬冷氣體輸送管的淬冷氣體與等離子體發(fā)生器的等離子體射流流量根據(jù)需要進行調(diào)節(jié)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，其特征在于所述的收集室下端能夠卸下。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種環(huán)形均勻氣流供粉裝置，屬于直流電弧等離子體制備納米材料技術(shù)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、反向淬冷噴射管和冷卻水管；等離子體發(fā)生器上設(shè)有冷卻水入口和冷卻水出口，等離子體發(fā)生器嵌在原料噴射環(huán)的環(huán)形柵欄框凹口上，原料噴射環(huán)包括外環(huán)、切向入口、環(huán)形柵欄框和供粉混合腔，外環(huán)上均勻設(shè)置有切向入口，外環(huán)的中心具有中空的環(huán)形柵欄框；原料噴射環(huán)與淬冷室固定連接；收集室包括收集室上端和收集室下端。本發(fā)明的環(huán)形柵欄框?qū)⒃项w粒注入高溫等離子體射流，使原料的分布更加均勻，熔化蒸發(fā)更加充分，從而得到質(zhì)量更高的納米粉材料。
文檔編號H05H1/42GK102378461SQ201110300760
公開日2012年3月14日 申請日期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 申請人:北京航空航天大學(xué)