專利名稱：一種用于制備納米材料的微波等離子體反應(yīng)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于制備納米材料的微波等離子體反應(yīng)裝置，屬于微波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
作為21世紀人類三大關(guān)鍵科技之一，材料技術(shù)是各領(lǐng)域孕育新科技、新產(chǎn)品的“搖籃”，而納米技術(shù)的出現(xiàn)則開創(chuàng)了材料科學(xué)研究的新時代。當物質(zhì)粒子達到納米尺度，大約是在ο. Γιοο納米這個尺寸范圍，其表面的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化，產(chǎn)生表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和界面效應(yīng)等。這種既具不同于原子、分 子，也不同于宏觀物質(zhì)的特殊性能粒子構(gòu)成的材料，即為納米材料。納米材料在結(jié)構(gòu)、光、電、磁性能和化學(xué)性質(zhì)等方面表出優(yōu)異特性，如熔點降低、體積減小、強烈的化學(xué)活性和催化活性等，因而在各個領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。例如，光學(xué)方面利用金屬超微顆粒對光的反射率很低(通常可低于1%)的特性制作光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能，此外這一特性還可應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。要生成納米材料有許多方法，這些方法決定了納米材料顆粒的大小、形狀、純度等，從而直接影響其性能。過去常用化學(xué)方法來合成納米材料，其主要缺陷是缺乏普適性，幾乎對于每一種產(chǎn)品都需要一個特定的生產(chǎn)流程，使得方法的推廣遇到了困難。近些年來，利用等離子體生成納米材料的方法逐漸興起。等離子體具有能量集中、溫度高且溫度梯度大、活性高等特點，這為制備納米材料提供了理想的條件。同時等離子體設(shè)備操作方便，反應(yīng)過程可控，使得其在大規(guī)模工業(yè)化生制備納米粉末的應(yīng)用中展示出廣闊前景。目前，用來制備納米粉末的等離子體法主要有直流電弧等離子體法、射頻等離子體法、介質(zhì)阻擋放電法和微波等離子體法。其中又以微波等離子體法最具有工業(yè)應(yīng)用前景，原因是微波等離子體法具有以下優(yōu)點屬于無極放電，消除了電極污染，使得納米材料的純度更高；具有更高的電離度、離解度和電子溫度，能產(chǎn)生更多激發(fā)態(tài)的活性物質(zhì)，生成納米材料的效率更高；可以在更寬的氣壓范圍內(nèi)獲得，尤其是能在高氣壓下維持等離子體，可能產(chǎn)生大體積的等離子體，便于工業(yè)應(yīng)用；更安全，微波等離子體發(fā)生器和高壓源是相互隔離的，微波泄漏相對容易控制和防護；此外，微波的產(chǎn)生、傳輸、控制技術(shù)已十分成熟，為微波的應(yīng)用提供了有利條件。目前能夠用于制備納米材料的微波等離子體發(fā)生裝置還很少見，尤其是能夠在常溫常壓下工作且便于工業(yè)應(yīng)用的裝置還沒有推廣開來。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種用于制備納米材料的微波等離子體反應(yīng)裝置，在常壓下能夠持續(xù)長時間工作，便于工業(yè)上的大規(guī)模推廣應(yīng)用。本發(fā)明提出的用于制備納米材料的微波等離子體反應(yīng)裝置，包括等離子體激發(fā)裝置、矩形波導(dǎo)、反應(yīng)器和收集器，所述的等離子體激發(fā)裝置置于矩形波導(dǎo)的一側(cè)，所述的反應(yīng)器置于矩形波導(dǎo)的另一側(cè)，反應(yīng)器與矩形波導(dǎo)通過等離子體出口相連通，所述的收集器置于反應(yīng)器下部，反應(yīng)器與收集器相連通；所述的等離子體激發(fā)裝置由外殼、工作氣體通道、冷卻水通道、外調(diào)節(jié)柱和內(nèi)調(diào)節(jié)柱組成，所述的外殼固定在矩形波導(dǎo)上，所述的工作氣體通道、冷卻水通道、內(nèi)調(diào)節(jié)柱和外調(diào)節(jié)柱同軸安裝于外殼的中央，工作氣體通道、冷卻水通道、內(nèi)調(diào)節(jié)柱和外調(diào)節(jié)柱的下端部伸入矩形波導(dǎo)中，工作氣體通道、冷卻水通道和內(nèi)調(diào)節(jié)柱的下端部伸出外調(diào)節(jié)柱后，與所述的等離子體出口相互貼近，所述的冷卻水通道與冷卻水入口和冷卻水出口相連；所述的矩形波導(dǎo)中由前向后依次安裝有前密封片、后密封片和短路活塞，前密封片和后密封片分別安裝在等離子體激發(fā)裝置的兩側(cè)；所述的反應(yīng)器中安裝有兩個氣流旋轉(zhuǎn)片，兩個氣流旋轉(zhuǎn)片相互偏心安裝在反應(yīng)器內(nèi)，兩個氣流旋轉(zhuǎn)片的上、下端分別固定在反應(yīng)器的上、下殼體上，反應(yīng)器的下部設(shè)有反應(yīng)器氣體進出口，反應(yīng)器底部通過管道與所述的收集器相連。本發(fā)明提出的用于制備納米材料的微波等離子體反應(yīng)裝置，其優(yōu)點是能夠在常溫常壓下利用微波等離子體進行納米材料的制備；反應(yīng)器具有封閉的氣體環(huán)境，制備納米材料之前，可先將反應(yīng)器抽真空，并用惰性氣體反復(fù)沖洗，使得反應(yīng)生成的納米材料具有很高的純凈度；為等離子體激發(fā)裝置設(shè)計了水循環(huán)冷卻系統(tǒng)，能夠使激發(fā)裝置長時間工作而不會因溫度過高而發(fā)生損壞；反應(yīng)器內(nèi)設(shè)計了氣流旋轉(zhuǎn)片，能夠在反應(yīng)器內(nèi)生成旋轉(zhuǎn)氣流， 使生成的納米材料不致造成大量堆積，導(dǎo)致反應(yīng)不能持續(xù)進行。整套裝置能夠在常溫常壓下持續(xù)工作，生產(chǎn)高純度、高質(zhì)量的納米材料，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。


圖I是本發(fā)明提供的用于制備納米材料的微波等離子體發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I的局部放大圖。圖3是圖I的A —A剖視圖。圖I 一圖3中，I是矩形波導(dǎo)，2是外調(diào)節(jié)柱，3是內(nèi)調(diào)節(jié)柱，4是等離子體激發(fā)裝置，5是冷卻水入口，6是冷卻水出口，7是工作氣體入口，8是短路活塞，9是前密封片，10是后密封片，11是氣流旋轉(zhuǎn)片，12是反應(yīng)器，13是反應(yīng)器氣體進出口，14是收集器，15是等離子體出口，16是外殼，17是冷卻水通道，18是工作氣體通道。
具體實施例方式本發(fā)明提出的用于制備納米材料的微波等離子體反應(yīng)裝置，其結(jié)構(gòu)如圖I和圖2所示，包括等離子體激發(fā)裝置4、矩形波導(dǎo)I、反應(yīng)器12和收集器14。等離子體激發(fā)裝置4置于矩形波導(dǎo)I的一側(cè)，反應(yīng)器12置于矩形波導(dǎo)I的另一側(cè)，反應(yīng)器12與矩形波導(dǎo)I通過等離子體出口 15相連通。收集器14置于反應(yīng)器12下部，反應(yīng)器12與收集器14相連通。等離子體激發(fā)裝置4由外殼16、工作氣體通道18、冷卻水通道17、外調(diào)節(jié)柱2和內(nèi)調(diào)節(jié)柱3組成。外殼16固定在矩形波導(dǎo)I上，工作氣體通道18、冷卻水通道17、內(nèi)調(diào)節(jié)柱3和外調(diào)節(jié)柱2同軸安裝于外殼16的中央，工作氣體通道18、冷卻水通道17、內(nèi)調(diào)節(jié)柱3和外調(diào)節(jié)柱2的下端部伸入矩形波導(dǎo)I中，工作氣體通道18、冷卻水通道17和內(nèi)調(diào)節(jié)柱3的下端部伸出外調(diào)節(jié)柱2后，與等離子體出口 15相互靠近，冷卻水通道17與冷卻水入口5和冷卻水出口 6相連。
矩形波導(dǎo)I中，由前向后依次安裝有前密封片9、后密封片10和短路活塞8，前密封片9和后密封片10分別安裝在等離子體激發(fā)裝置4的兩側(cè)。反應(yīng)器12中安裝有兩個氣流旋轉(zhuǎn)片11，兩個氣流旋轉(zhuǎn)片11相互偏心安裝在反應(yīng)器12內(nèi)，兩個氣流旋轉(zhuǎn)片11的上、下端分別固定在反應(yīng)器12的上、下殼體上，反應(yīng)器12的下部設(shè)有反應(yīng)器氣體進出口 13，反應(yīng)器12的底部通過管道與所述的收集器14相連。以下結(jié)合附圖詳細介紹本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點和工作原理本發(fā)明提出的用于制備納米材料的微波等離子體反應(yīng)裝置，包括矩形波導(dǎo)I、等離子體激發(fā)裝置4、反應(yīng)器12和收集器14。矩形波導(dǎo)I通過法蘭與微波傳輸裝置(圖中未示出)相連，矩形波導(dǎo)I的兩側(cè)設(shè)有密封片9和10，作用是使反應(yīng)器內(nèi)形成封閉的氣體環(huán)境，密封片的材料可選用石英玻璃，基本不影響微波在矩形波導(dǎo)中的傳輸。矩形波導(dǎo)I后端設(shè)有短路活塞8，短路活塞8的位置可在左右方向上進行調(diào)節(jié)，使微波在波導(dǎo)內(nèi)形成駐波。 等離子體激發(fā)裝置4包括外調(diào)節(jié)柱2、內(nèi)調(diào)節(jié)柱3和外殼16，外調(diào)節(jié)柱2和矩形波導(dǎo)I之間為螺紋連接，外調(diào)節(jié)柱2和內(nèi)調(diào)節(jié)柱3之間為螺紋連接，外調(diào)節(jié)柱2和內(nèi)調(diào)節(jié)柱3為圓柱形結(jié)構(gòu)，可在上下方向上進行位置調(diào)節(jié)，通過外調(diào)節(jié)柱2、內(nèi)調(diào)節(jié)柱3和短路活塞8三個調(diào)節(jié)裝置的配合，使得微波能量在內(nèi)調(diào)節(jié)柱3的下端尖嘴處形成高場強區(qū)域。內(nèi)調(diào)節(jié)柱3中設(shè)有水循環(huán)冷卻系統(tǒng)和工作氣體通道18，冷卻水由冷卻水入口 5流入，由冷卻水出口 6流出，其目的是使等離子體激發(fā)裝置在工作時不致溫度過高而損壞。內(nèi)調(diào)節(jié)柱3中心為工作氣體通道18，工作氣體(承載氣體及納米材料的原料如金屬蒸汽等)由工作氣體入口 7進入，經(jīng)工作氣體通道18到達內(nèi)調(diào)節(jié)柱3的下端尖嘴處，在該處高場強的作用下被擊穿并形成等離子體，該等離子體由于氣流的作用經(jīng)由矩形波導(dǎo)I上的等離子體出口 15噴入下方的反應(yīng)器12，并在其中生成所需的納米材料。工作氣體可由工作氣體通道18到達內(nèi)調(diào)節(jié)柱3下方尖嘴的高場強區(qū)域生成等離子體，等離子體在氣流作用下由矩形波導(dǎo)I上的等離子體出口噴入反應(yīng)器12。反應(yīng)器12內(nèi)設(shè)有兩片氣流旋轉(zhuǎn)片11，由兩塊半圓柱形石英玻璃相互偏心安裝，兩塊玻璃之間存在縫隙可供氣流進入，氣流旋轉(zhuǎn)片11用于在反應(yīng)器12內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)氣流的氣體一般為不參與反應(yīng)的惰性氣體(如氦氣等)，由反應(yīng)器氣體進出口 13進入，然后由氣流旋轉(zhuǎn)片11的一側(cè)進入，由氣流旋轉(zhuǎn)片11的另一側(cè)流出，在氣流旋轉(zhuǎn)片11所包圍的區(qū)域中形成旋轉(zhuǎn)氣流，其目的是防止生成的納米材料在反應(yīng)器內(nèi)堆積，堵塞矩形波導(dǎo)I上的等離子體出口 15而導(dǎo)致反應(yīng)不能持續(xù)進行。一般在制備納米材料之前需要將反應(yīng)器12抽真空，以保證納米材料的純度，反應(yīng)器氣體進出口 13的作用一方面是能夠作為反應(yīng)器氣體的入口，另一方面也可作為反應(yīng)器12抽真空時的氣體出口。生成的納米材料最終進入收集器14進行收集和提取。
權(quán)利要求
1.一種用于制備納米材料的微波等離子體反應(yīng)裝置，其特征在于該反應(yīng)裝置包括等離子體激發(fā)裝置、矩形波導(dǎo)、反應(yīng)器和收集器，所述的等離子體激發(fā)裝置置于矩形波導(dǎo)的一偵牝所述的反應(yīng)器置于矩形波導(dǎo)的另一側(cè)，反應(yīng)器與矩形波導(dǎo)通過等離子體出口相連通，所述的收集器置于反應(yīng)器下部，反應(yīng)器與收集器相連通；所述的等離子體激發(fā)裝置由外殼、工作氣體通道、冷卻水通道、外調(diào)節(jié)柱和內(nèi)調(diào)節(jié)柱組成，所述的外殼固定在矩形波導(dǎo)上，所述的工作氣體通道、冷卻水通道、內(nèi)調(diào)節(jié)柱和外調(diào)節(jié)柱同軸安裝于外殼的中央，工作氣體通道、冷卻水通道、內(nèi)調(diào)節(jié)柱和外調(diào)節(jié)柱的下端部伸入矩形波導(dǎo)中，工作氣體通道、冷卻水通道和內(nèi)調(diào)節(jié)柱的下端部伸出外調(diào)節(jié)柱后與所述的等離子體出口相互貼近，所述的冷卻水通道與冷卻水入口和冷卻水出口相連；所述的矩形波導(dǎo)中由前向后依次安裝有前密封片、后密封片和短路活塞，前密封片和后密封片分別安裝在等離子體激發(fā)裝置的兩側(cè)；所述的反應(yīng)器中安裝有兩個氣流旋轉(zhuǎn)片，兩個氣流旋轉(zhuǎn)片相互偏心安裝在反應(yīng)器內(nèi)，兩個氣流旋轉(zhuǎn)片的上、下端分別固定在反應(yīng)器的上、下殼體上，反應(yīng)器的下部設(shè)有反應(yīng)器氣體進出口，反應(yīng)器底部通過管道與所述的收集器相連。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于制備納米材料的微波等離子體反應(yīng)裝置，屬于微波應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域。本反應(yīng)裝置包括矩形波導(dǎo)、等離子體激發(fā)裝置、反應(yīng)器和收集器。矩形波導(dǎo)兩側(cè)設(shè)有密封片，用于使反應(yīng)器形成封閉的氣體環(huán)境。等離子體激發(fā)裝置包括外調(diào)節(jié)柱、內(nèi)調(diào)節(jié)柱和外殼，外調(diào)節(jié)柱和矩形波導(dǎo)之間為螺紋連接，內(nèi)調(diào)節(jié)柱中設(shè)有水循環(huán)冷卻系統(tǒng)和工作氣體通道，工作氣體通過通道到達內(nèi)調(diào)節(jié)柱下方尖嘴的高場強區(qū)域生成等離子體，等離子體在氣流作用下由矩形波導(dǎo)上的等離子體出口噴入反應(yīng)器。反應(yīng)器下部與收集器相連，收集器對納米材料進行收集和提純。本反應(yīng)裝置能夠在常溫常壓下持續(xù)工作，生成高純度、高質(zhì)量的納米材料，具有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。
文檔編號H05H1/46GK102794146SQ20121029564
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月17日
發(fā)明者王強, 王仲, 廖姍姍, 張貴新, 羅承沐, 李東紅 申請人:清華大學(xué), 張家港智電電工高技術(shù)研究所有限公司