CN101628712A - 制备单相纳米ε-Fe3N或γ＇-Fe4N粉体的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种制备单相纳米ε－Fe₃N或γ′－Fe₄N粉体的方法和装置，装置由等离子体蒸发制粉系统、粉体收集及改性系统、真空系统和循环系统组成。制备单相纳米ε－Fe₃N或γ′－Fe₄N粉体的工艺步骤为：抽真空、强制气体循环，然后进行等离子体蒸发制粉，再进行粉体改性，控制氨、氢体积流量比为(1.4～1.6)∶1，粉体捕集室温度为345～355℃，保温5～7小时，获得纳米单相γ′－Fe₄N粉体；控制氨、氢体积流量比为(2.4～2.6)∶1，粉体捕集室温度为445～455℃，保温1～3小时，获得纳米单相ε－Fe₃N粉体。通过精确的反应气氛控制，可确保产品为高纯度、单相、纳米氮化铁粉体。

Description

制备单相纳米ε-Fe3N或γ＇-Fe4N粉体的方法和装置

技术领域

本发明属于磁性材料技术领域，具体涉及氮化铁材料的制备方法和装置。

背景技术

氮化铁主要包括Fe₂N、ε-Fe₃N、γ′-Fe₄N和α″-Fe₁₆N₂等，它们大都具有优异软磁性能和良好的耐腐蚀和抗氧化性，是理想的磁记录介质、磁感元件和吸波材料。比如，γ′-Fe₄N相的比饱和磁化强度为193emu/g，稍低于纯铁(208.5emu/g)。密度为7.18g/cm³低于铁和铁钴合金。居里温度为767K，成金属型导电，钝化后的化学稳定性远远优于铁粉。从磁性能、密度、耐氧化性能来说γ′-Fe₄N相是一种优异的磁记录介质、磁感元件材料和吸波材料，在电子、化工及国防高科研究领域具有特殊的用途。

目前，制备纳米氮化铁粉体的方法主要有以下两种：

1)纳米铁粉氮化法。首先要制备纳米铁粉，可以通过H₂还原赤铁矿、磁铁矿等粉体制备纳米纯铁粉体。而后，再将纳米铁粉体在NH₃-H₂混合气氛中进行氮化，以获得单一成分(比如ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N单相)或混合成分的氮化铁粉体(包含Fe₂N、ε-Fe₃N和γ′-Fe₄N等)。由于还原温度一般在500℃左右，在该温度易于造成纳米粉体的团聚和长大，所以氮化铁产物粒径一般大于200nm，形状为针状等不规则形状。

2)蒸发-冷凝法。在N₂或NH₃-H₂混合气氛中蒸发纯铁，形成铁的蒸汽。铁蒸汽在高温与含氮气氛进行化学反应，可以制取混合成分的纳米氮化铁粉体(包含α-Fe、Fe₂N、ε-Fe₃N和γ′-Fe₄N等)。该方法很难制备单相的纳米氮化铁粉体。

由于制备方法的限制，市场上现有氮化铁产品特别是ε-Fe₃N和γ′-Fe₄N的品质参差不齐。随着科学技术的快速发展，在应用过程中对氮化铁产品质量的要求越来越高。所以开发品质优异的氮化铁生产技术，尤其是开发高纯度、品质优良的单相纳米氮化铁生产技术，变得极为重要。

发明内容

针对目前氮化铁材料特别是ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N材料制备方法存在的不足之处，本发明提供一种制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的方法和装置。

本发明的制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的装置，由等离子体蒸发制粉系统、粉体收集及改性系统、真空系统和循环系统组成：

等离子体蒸发制粉系统构成为：一个带有上盖的反应器，内部装有水冷坩埚，在反应器壳体侧壁上连接有出粉通道和反应器进气管，反应器进气管上安装有反应器进气流量计，电弧枪穿过上盖并与上盖固定在一起，直流等离子体加热电源的电极通过电缆线分别与电弧枪和水冷坩锅相连；

粉体收集及改性系统的构成为：一个具有上端盖、下端盖、内壁、电加热体、水冷套和收集叶片的粉体捕集器，内壁外部依次是电加热体和水冷套，粉体捕集器内部即粉体捕集室内设置有收集叶片，收集叶片由内叶片和外叶片通过加强筋固定连接在一起构成，收集叶片通过连接轴连接在一起，并通过连接轴固定在上端盖上。进气管穿过下端盖与粉体捕集室连通，进气管有两个支管，排气管穿过上端盖与粉体捕集室连通，排气管伸入粉体捕集室内的一端安装有粉尘过滤器，在粉体捕集室外的排气管上安装有排气阀门，在排气阀门上游的排气管上安装有排气支管，并在排气支管上安装有排气支管阀门，排气阀门的下游排气管分成两个支管，其中一个支管上与废气净化器连通，另一支管与氨分解率测量仪连通。

热电偶穿过上端盖伸入粉体捕集室内。

排气支管与反应器内部连通，出粉通道穿过粉体捕集器的下端盖与粉体捕集室连通；在出粉通道上安装有出粉阀门。

真空系统构成为：在排气支管阀门下游的排气支管上安装有一抽真空支管，在该抽真空支管上串联安装有涡轮分子泵和真空泵；真空系统的运行能够在反应器和粉体捕集器中获得高真空度(5.0×10^-4Pa)，保证高纯度氮化铁粉末的生产要求。

循环系统构成为：在抽真空支管下游的排气支管上串联安装有可变频罗茨泵和冷凝器。

循环系统的运行能够在保护气体或反应气体充入反应器后，实现保护气体或反应气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却。

粉体收集及改性系统中的进气管有两个支管，即氢气管线和氨气管线，两个支管上分别设置有氢气流量计和氨气流量计。

采用上述本发明的装置制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的方法如下。其中单相的意义为单一成分。

(1)抽真空、强制气体循环

在水冷坩锅中装入纯铁原料(块状，纯度≥99.99％)后，关闭排气阀门，打开排气支管阀门，打开出粉通道阀门，依次启动真空泵和涡轮分子泵，将反应器抽真空至1.0×10^-4～5.0×10^-4Pa。然后打开反应器进气流量计充入保护气体(Ar)或反应气体(N₂或NH₃)，充气气压为0.01～0.1MPa，充气同时关闭涡轮分子泵，充气完成后关闭真空泵，开启可变频罗茨泵，实现保护气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却，循环流速范围为1～5m/s。循环气体通过冷凝器，冷凝器为列管式冷凝器，以温度为0℃的冰水混和物为冷却介质，可实现气体冷却至0～10℃。

(2)等离子体蒸发制粉

启动电弧枪(控制电压600～900V)，在水冷坩锅中的纯铁阴极和电弧枪阳极间引燃放电，产生等离子高温电弧(温度能够达到2000～6000℃)。在高温电弧的作用下，纯铁迅速熔化并蒸发形成铁蒸汽。铁蒸汽在上升过程中，遇到强制循环的低温(0～10℃)保护气体(Ar)，急冷后凝聚形成纳米铁粉体，或者遇到强制循环的反应气体(N₂或NH₃)，并与反应气体化合形成氮化铁粉末(包含α-Fe、Fe₂N、ε-Fe₃N和γ′-Fe₄N)。粉体产生后，在强制循环的气体带动下，通过出粉通道进入粉体捕集室，沉降到内叶片上。

(3)粉体改性

当粉体收集达到预定量后，关闭电弧枪和反应器进气流量计，关闭可变频罗茨泵，关闭排气支管阀门以及出粉通道阀门，打开排气阀门，而后向粉体捕集室中通入氨气和氢气，通过氨气流量计和氢气流量计分别控制两种气体的流量。粉体的最终成分由捕集室内温度、保温时间和气氛条件共同决定。控制氨、氢体积流量比为NH₃∶H₂＝(1.4～1.6)∶1，粉体捕集室温度为345～355℃，保温5～7小时，获得纳米结构的单相γ′-Fe₄N粉体；或者控制氨、氢体积流量比为NH₃∶H₂＝(2.4～2.6)∶1，粉体捕集室温度为445～455℃，保温1～3小时，获得纳米结构的单相ε-Fe₃N粉体。粉体改性反应过程中，炉内氨分解率通过氨分解率测量仪检测，废气通过废气净化器处理后排入外界，废气净化器的吸收液为水。

用X射线衍射分析确定粉体产品的成分(ε-Fe₃N和γ′-Fe₄N有其特征X射线衍射谱线)，用透射电子显微镜确定产品粉体的直径。

本发明具有如下特点：

1)等离子体蒸发制粉系统，具有蒸发效率高，制粉速度快的特点，适合于连续、批量生产的要求；

2)采用大风量的可变频罗茨泵等强制循环内部气体，可实现铁蒸汽的快速冷却，能有效降低粉体的平均直径，使其粒径分布范围窄，粉体分散性好，保证粉体的质量稳定性；

3)粉体收集后直接进行改性处理，避免了外部杂质的污染，通过精确的反应气氛控制，可确保产品为高纯度、单相、纳米氮化铁粉体。

附图说明

图1为本发明的制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的装置构成示意图；

图2为内叶片和外叶片的结构示意图主视图；

图3为图2的A-A向视图。

图中：1直流等离子加热电源，2电缆线，3电弧枪，4反应器，5反应器进气流量计，6水冷坩锅，7粉尘过滤器，8氨气流量计，9氢气流量计，10热电偶，11下端盖，12上端盖，13排气阀门，14排气支管，15排气支管阀门，16水冷套，17电加热体，18内壁，19内叶片，20可变频罗茨泵，21出粉阀门，22出粉通道，23冷凝器，24氨分解率测量仪，25废气净化器，26涡轮分子泵，27真空泵，28进气管，29排气管，30反应器进气管，31反应器壳体，32上盖，33抽真空支管，34外叶片，35连接轴，36加强筋。

具体实施方式

如附图所示，本发明装置由等离子体蒸发制粉系统、粉体收集及改性系统、真空系统和循环系统组成。

等离子体蒸发制粉系统构成为：一个带有上盖32的反应器4，内部装有水冷坩埚6，在反应器壳体31侧壁上连接有出粉通道22和反应器进气管30，反应器进气管30上安装有反应器进气流量计5，电弧枪3穿过上盖32并与上盖32固定在一起，直流等离子体加热电源1的电极通过电缆线2分别与电弧枪3和水冷坩锅6相连。

粉体收集及改性系统的构成为：一个具有上端盖12、下端盖11、内壁18、电加热体17、水冷套16和收集叶片的粉体捕集器，内壁18外部依次是电加热体17和水冷套16，粉体捕集器内部即粉体捕集室内设置有收集叶片，收集叶片由内叶片19和外叶片34通过加强筋36固定连接在一起构成，收集叶片通过连接轴35连接在一起，并通过连接轴35固定在上端盖12上。进气管28穿过下端盖11与粉体捕集室连通，进气管28有两个支管，排气管29穿过上端盖12与粉体捕集室连通，排气管29伸入粉体捕集室内的一端安装有粉尘过滤器7，在粉体捕集室外的排气管上安装有排气阀门13，在排气阀门13上游的排气管上安装有排气支管14，并在排气支管14上安装有排气支管阀门15，排气阀门13的下游排气管分成两个支管，其中一个支管上与废气净化器25连通，另一支管与氨分解率测量仪24连通。

热电偶10穿过上端盖12伸入粉体捕集室内。

内壁18、内叶片19、连接轴35、加强筋36、外叶片34、上端盖12和下端盖11均采用不锈钢制造。

排气支管14与反应器4内部连通，出粉通道22穿过粉体捕集器的下端盖11与粉体捕集室连通；在出粉通道22上安装有出粉阀门21。

真空系统构成为：在排气支管阀门15下游的排气支管上安装有一抽真空支管33，在该抽真空支管33上串联安装有涡轮分子泵26和真空泵27；真空系统的运行能够在反应器4和粉体捕集器中获得高真空度(5.0×10^-4Pa)，保证高纯度氮化铁粉末的生产要求。

循环系统构成为：在抽真空支管33下游的排气支管上串联安装有可变频罗茨泵20和冷凝器23。冷凝器23选用常用的列管式冷凝器。

循环系统的运行能够在保护气体或反应气体充入反应器后，实现保护气体或反应气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却。

粉体收集及改性系统中的进气管有两个支管，即氢气管线和氨气管线，两个支管上分别设置有氢气流量计9和氨气流量计8。

上述装置涉及到的各设备、构件(直流等离子加热电源1、电弧枪3、反应器进气流量计5、水冷坩锅6、粉尘过滤器7、氨气流量计8，氢气流量计9、热电偶10、排气阀门13、排气支管阀门15、水冷套16、电加热体17、可变频罗茨泵20、出粉阀门21、冷凝器23、氨分解率测量仪24、废气净化器25、涡轮分子泵26及真空泵27)均选用常规设备、构件，废气净化器25为一盛有水的容器。

实施例1

制备单相纳米γ′-Fe₄N粉体的方法如下。

(1)抽真空、强制气体循环

在水冷坩锅中装入纯铁原料(块状，纯度≥99.99％)后，关闭排气阀门，打开排气支管阀门，打开出粉通道阀门，依次启动真空泵和涡轮分子泵，将反应器抽真空至3.0×10^-4Pa。然后打开反应器进气流量计充入保护气体(Ar气)，充气气压为0.05MPa，充气同时关闭涡轮分子泵，充气完成后关闭真空泵，开启可变频罗茨泵，实现保护气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却。循环流速为3m/s。循环气体通过冷凝器，冷凝器为列管式冷凝器，以温度为0℃的冰水混和物为冷却介质，将气体冷却至5℃。

(2)等离子体蒸发制粉

启动电弧枪，控制电压750V，在水冷坩锅中的纯铁阴极和电弧枪阳极间引燃放电，产生等离子高温电弧。在高温电弧的作用下，纯铁迅速熔化并蒸发形成铁蒸汽。铁蒸汽在上升过程中，遇到强制循环的低温(5℃)保护气体(Ar气)，急冷后凝聚形成纳米铁粉体，粉体产生后，在强制循环的气体带动下，通过出粉通道进入粉体捕集室，沉降到内叶片上。

粉体产率为80g/h，5小时获得400g粉体。

(3)粉体改性

当粉体收集达到预定量(400g)后，关闭电弧枪和反应器进气流量计，关闭可变频罗茨泵，关闭排气支管阀门以及出粉通道阀门，打开排气阀门，而后向粉体捕集室中通入氨气和氢气，通过氨气流量计和氢气流量计分别控制两种气体的流量。控制氨、氢体积流量比为恒定值NH₃∶H₂＝1.5∶1，粉体捕集室温度为350℃，保温6小时，获得纳米结构的单相的γ′-Fe₄N粉体；粉体改性反应过程中，炉内氨分解率通过氨分解率测量仪检测，废气通过废气净化器处理后排入外界，废气净化器的吸收液为水。制备的纳米结构的γ′-Fe₄N粉体平均直径30nm。

实施例2

制备单相纳米γ′-Fe₄N粉体的方法如下。

(1)抽真空、强制气体循环

在水冷坩锅中装入纯铁原料(块状，纯度≥99.99％)后，关闭排气阀门，打开排气支管阀门，打开出粉通道阀门，依次启动真空泵和涡轮分子泵，将反应器抽真空至5.0×10^-4Pa。然后打开反应器进气流量计充入反应气体(N₂)，充气气压为0.1MPa，充气同时关闭涡轮分子泵，充气完成后关闭真空泵，开启可变频罗茨泵，实现保护气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却，循环流速范围为5m/s。循环气体通过冷凝器，冷凝器为列管式冷凝器，以温度为0℃的冰水混和物为冷却介质，可实现气体冷却至10℃。

(2)等离子体蒸发制粉

启动电弧枪(控制电压900V)，在水冷坩锅中的纯铁阴极和电弧枪阳极间引燃放电，产生等离子高温电弧。在高温电弧的作用下，纯铁迅速熔化并蒸发形成铁蒸汽。铁蒸汽在上升过程中，遇到强制循环的低温(10℃)反应气体(N₂)，并与反应气体化合形成氮化铁粉末(包含α-Fe、Fe₂N、ε-Fe₃N和γ′-Fe₄N)。粉体产生后，在强制循环的气体带动下，通过出粉通道进入粉体捕集室，沉降到内叶片上。

粉体产率为133.3g/h，6小时获得800g粉体。

(3)粉体改性

当粉体收集达到预定量(800g)后，关闭电弧枪和反应器进气流量计，关闭可变频罗茨泵，关闭排气支管阀门以及出粉通道阀门，打开排气阀门，而后向粉体捕集室中通入氨气和氢气，通过氨气流量计和氢气流量计分别控制两种气体的流量。粉体的最终成分由捕集室内温度、保温时间和气氛条件共同决定。控制氨、氢体积流量比为NH₃∶H₂＝1.6∶1，粉体捕集室温度为355℃，保温7小时，获得纳米结构的γ′-Fe₄N粉体；粉体改性反应过程中，炉内氨分解率通过氨分解率测量仪检测，废气通过废气净化器处理后排入外界，废气净化器的吸收液为水。制备的纳米结构的γ′-Fe₄N粉体平均直径32nm。

实施例3

制备单相纳米γ′-Fe₄N粉体的方法如下。

(1)抽真空、强制气体循环

在水冷坩锅中装入纯铁原料(块状，纯度≥99.99％)后，关闭排气阀门，打开排气支管阀门，打开出粉通道阀门，依次启动真空泵和涡轮分子泵，将反应器抽真空至1.0×10^-4Pa。然后打开反应器进气流量计充入反应气体(NH₃)，充气气压为0.01MPa，充气同时关闭涡轮分子泵，充气完成后关闭真空泵，开启可变频罗茨泵，实现保护气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却，循环流速范围为1m/s。循环气体通过冷凝器，冷凝器为列管式冷凝器，以温度为0℃的冰水混和物为冷却介质，可实现气体冷却至1℃。

(2)等离子体蒸发制粉

启动电弧枪(控制电压600V)，在水冷坩锅中的纯铁阴极和电弧枪阳极间引燃放电，产生等离子高温电弧。在高温电弧的作用下，纯铁迅速熔化并蒸发形成铁蒸汽。铁蒸汽在上升过程中，遇到强制循环的低温(1℃)反应气体(NH₃)，并与反应气体化合形成氮化铁粉末(包含α-Fe、Fe₂N、ε-Fe₃N和γ′-Fe₄N)。粉体产生后，在强制循环的气体带动下，通过出粉通道进入粉体捕集室，沉降到内叶片上。

粉体产率为100g/h，6小时获得600g粉体。

(3)粉体改性

当粉体收集达到预定量(600g)后，关闭电弧枪和反应器进气流量计，关闭可变频罗茨泵，关闭排气支管阀门以及出粉通道阀门，打开排气阀门，而后向粉体捕集室中通入氨气和氢气，通过氨气流量计和氢气流量计分别控制两种气体的流量。控制氨、氢体积流量比为NH₃∶H₂＝1.4∶1，粉体捕集室温度为345℃，保温5小时，获得纳米结构的单相γ′-Fe₄N粉体；粉体改性反应过程中，炉内氨分解率通过氨分解率测量仪检测，废气通过废气净化器处理后排入外界，废气净化器的吸收液为水。制备的纳米结构的γ′-Fe₄N粉体平均直径41nm。

实施例4

制备单相纳米ε-Fe₃N粉体的方法如下。

(1)抽真空、强制气体循环

在水冷坩锅中装入纯铁原料(块状，纯度≥99.99％)后，关闭排气阀门，打开排气支管阀门，打开出粉通道阀门，依次启动真空泵和涡轮分子泵，将反应器抽真空至3.0×10^-4Pa。然后打开反应器进气流量计充入保护气体(Ar)，充气气压为0.05MPa，充气同时关闭涡轮分子泵，充气完成后关闭真空泵，开启可变频罗茨泵，实现保护气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却，循环流速范围为3m/s。循环气体通过冷凝器，冷凝器为列管式冷凝器，以温度为0℃的冰水混和物为冷却介质，可实现气体冷却至5℃。

(2)等离子体蒸发制粉

启动电弧枪(控制电压750V)，在水冷坩锅中的纯铁阴极和电弧枪阳极间引燃放电，产生等离子高温电弧。在高温电弧的作用下，纯铁迅速熔化并蒸发形成铁蒸汽。铁蒸汽在上升过程中，遇到强制循环的低温(5℃)保护气体(Ar)，急冷后凝聚形成纳米铁粉体。粉体产生后，在强制循环的气体带动下，通过出粉通道进入粉体捕集室，沉降到内叶片上。

粉体产率为120g/h，5小时获得600g粉体。

(3)粉体改性

当粉体收集达到预定量后(600g)，关闭电弧枪和反应器进气流量计，关闭可变频罗茨泵，关闭排气支管阀门以及出粉通道阀门，打开排气阀门，而后向粉体捕集室中通入氨气和氢气，通过氨气流量计和氢气流量计分别控制两种气体的流量。粉体的最终成分由捕集室内温度、保温时间和气氛条件共同决定。控制氨、氢体积流量比为NH₃∶H₂＝2.5∶1，粉体捕集室温度为450℃，保温2小时，获得纳米结构的单相ε-Fe₃N粉体。粉体改性反应过程中，炉内氨分解率通过氨分解率测量仪检测，废气通过废气净化器处理后排入外界，废气净化器的吸收液为水。制备的纳米结构的ε-Fe₃N粉体平均直径36nm。

实施例5

制备单相纳米ε-Fe₃N粉体的方法如下。

(1)抽真空、强制气体循环

在水冷坩锅中装入纯铁原料(块状，纯度≥99.99％)后，关闭排气阀门，打开排气支管阀门，打开出粉通道阀门，依次启动真空泵和涡轮分子泵，将反应器抽真空至5.0×10^-4Pa。然后打开反应器进气流量计充入反应气体(N₂)，充气气压为0.1MPa，充气同时关闭涡轮分子泵，充气完成后关闭真空泵，开启可变频罗茨泵，实现保护气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却，循环流速范围为5m/s。循环气体通过冷凝器，冷凝器为列管式冷凝器，以温度为0℃的冰水混和物为冷却介质，可实现气体冷却至10℃。

(2)等离子体蒸发制粉

启动电弧枪(控制电压900V)，在水冷坩锅中的纯铁阴极和电弧枪阳极间引燃放电，产生等离子高温电弧。在高温电弧的作用下，纯铁迅速熔化并蒸发形成铁蒸汽。铁蒸汽在上升过程中，遇到强制循环的低温(10℃)反应气体(N₂)，并与反应气体化合形成氮化铁粉末(包含α-Fe、Fe₂N、ε-Fe₃N和γ′-Fe₄N)。粉体产生后，在强制循环的气体带动下，通过出粉通道进入粉体捕集室，沉降到内叶片上。

粉体产率为133.3g/h，6小时获得800g粉体。

(3)粉体改性

当粉体收集达到预定量后(800g)，关闭电弧枪和反应器进气流量计，关闭可变频罗茨泵，关闭排气支管阀门以及出粉通道阀门，打开排气阀门，而后向粉体捕集室中通入氨气和氢气，通过氨气流量计和氢气流量计分别控制两种气体的流量。粉体的最终成分由捕集室内温度、保温时间和气氛条件共同决定。控制氨、氢体积流量比为NH₃∶H₂＝2.6∶1，粉体捕集室温度为455℃，保温1小时，获得纳米结构的单相ε-Fe₃N粉体。粉体改性反应过程中，炉内氨分解率通过氨分解率测量仪检测，废气通过废气净化器处理后排入外界，废气净化器的吸收液为水。制备的纳米结构的ε-Fe₃N粉体平均直径31nm。

实施例6

制备单相纳米ε-Fe₃N粉体的方法如下。

(1)抽真空、强制气体循环

在水冷坩锅中装入纯铁原料(块状，纯度≥99.99％)后，关闭排气阀门，打开排气支管阀门，打开出粉通道阀门，依次启动真空泵和涡轮分子泵，将反应器抽真空至1.0×10^-4Pa。然后打开反应器进气流量计充入反应气体(NH₃)，充气气压为0.01MPa，充气同时关闭涡轮分子泵，充气完成后关闭真空泵，开启可变频罗茨泵，实现保护气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却，循环流速范围为1m/s。循环气体通过冷凝器，冷凝器为列管式冷凝器，以温度为0℃的冰水混和物为冷却介质，可实现气体冷却至0℃。

(2)等离子体蒸发制粉

启动电弧枪(控制电压600V)，在水冷坩锅中的纯铁阴极和电弧枪阳极间引燃放电，产生等离子高温电弧。在高温电弧的作用下，纯铁迅速熔化并蒸发形成铁蒸汽。铁蒸汽在上升过程中，遇到强制循环的低温(0℃)反应气体(NH₃)，并与反应气体化合形成氮化铁粉末(包含α-Fe、Fe₂N、ε-Fe₃N和γ′-Fe₄N)。粉体产生后，在强制循环的气体带动下，通过出粉通道进入粉体捕集室，沉降到内叶片上。

粉体产率为80g/h，5小时获得400g粉体。

(3)粉体改性

当粉体收集达到预定量(400g)后，关闭电弧枪和反应器进气流量计，关闭可变频罗茨泵，关闭排气支管阀门以及出粉通道阀门，打开排气阀门，而后向粉体捕集室中通入氨气和氢气，通过氨气流量计和氢气流量计分别控制两种气体的流量。粉体的最终成分由捕集室内温度、保温时间和气氛条件共同决定。控制氨、氢体积流量比为NH₃∶H₂＝2.4∶1，粉体捕集室温度为445℃，保温3小时，获得纳米结构的单相ε-Fe₃N粉体。粉体改性反应过程中，炉内氨分解率通过氨分解率测量仪检测，废气通过废气净化器处理后排入外界，废气净化器的吸收液为水。制备的纳米结构的ε-Fe₃N粉体平均直径35nm。

Claims (5)

1、一种制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的装置，其特征在于由等离子体蒸发制粉系统、粉体收集及改性系统、真空系统和循环系统组成：

等离子体蒸发制粉系统构成为：一个带有上盖的反应器，内部装有水冷坩埚，在反应器壳体侧壁上连接有出粉通道和反应器进气管，反应器进气管上安装有反应器进气流量计，电弧枪穿过上盖并与上盖固定在一起，直流等离子体加热电源的电极通过电缆线分别与电弧枪和水冷坩锅相连；

粉体收集及改性系统的构成为：一个具有上端盖、下端盖、内壁、电加热体、水冷套和收集叶片的粉体捕集器，内壁外部依次是电加热体和水冷套，粉体捕集室内设置有收集叶片，进气管穿过下端盖与粉体捕集室连通，进气管有两个支管，排气管穿过上端盖与粉体捕集室连通，排气管伸入粉体捕集室内的一端安装有粉尘过滤器，在粉体捕集室外的排气管上安装有排气阀门，在排气阀门上游的排气管上安装有排气支管，并在排气支管上安装有排气支管阀门，排气阀门的下游排气管分成两个支管，其中一个支管上与废气净化器连通，另一支管与氨分解率测量仪连通；

排气支管与反应器内部连通，出粉通道穿过粉体捕集器的下端盖与粉体捕集室连通；

真空系统构成为：在排气支管阀门下游的排气支管上安装有一抽真空支管，在该抽真空支管上串联安装有涡轮分子泵和真空泵；

循环系统构成为：在抽真空支管下游的排气支管上串联安装有可变频罗茨泵和冷凝器。

2、按照权利要求1所述的制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的装置，其特征在于粉体收集及改性系统中的收集叶片由内叶片和外叶片通过加强筋固定连接在一起构成，收集叶片通过连接轴连接在一起，并通过连接轴固定在上端盖上；热电偶穿过上端盖伸入粉体捕集室内。

3、按照权利要求1所述的制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的装置，其特征在于粉体收集及改性系统中的进气管有两个支管，即氢气管线和氨气管线，两个支管上分别设置有氢气流量计和氨气流量计。

4、采用权利要求1所述的制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的装置制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的方法，其特征在于工艺步骤如下：

(1)抽真空、强制气体循环

在水冷坩锅中装入纯铁原料后，依次启动真空泵和涡轮分子泵，关闭排气阀门，打开排气支管阀门，打开出粉通道阀门，将反应器抽真空至1.0×10^-4～5.0×10^-4Pa，然后打开反应器进气流量计充入氩气或N₂或NH₃，充气气压为0.01～0.1MPa，充气同时关闭涡轮分子泵，充气完成后关闭真空泵，开启可变频罗茨泵，实现保护气体经反应器、出粉通道、粉体捕集室、排气管、排气支管、可变频罗茨泵和冷凝器的强制循环及冷却，循环流速范围为1～5m/s，循环气体通过冷凝器，以温度为0℃的冰水混和物为冷却介质，实现气体冷却至0～10℃；

(2)等离子体蒸发制粉

启动电弧枪，控制电压600～900V，在水冷坩锅中的纯铁阴极和电弧枪阳极间引燃放电，产生等离子高温电弧，在高温电弧的作用下，纯铁迅速熔化并蒸发形成铁蒸汽，铁蒸汽在上升过程中，遇到强制循环的0～10℃的氩气，急冷后凝聚形成纳米铁粉体，或者遇到强制循环的N₂或NH₃，并与N₂或NH₃化合形成氮化铁粉末，粉体产生后，在强制循环的气体带动下，通过出粉通道进入粉体捕集室，沉降到收集叶片上；

(3)粉体改性

当粉体收集达到预定量后，关闭电弧枪和反应器进气流量计，关闭可变频罗茨泵，关闭排气支管阀门以及出粉通道阀门，打开排气阀门，而后向粉体捕集室中通入氨气和氢气，通过氨气流量计和氢气流量计分别控制两种气体的流量，控制氨、氢体积流量比为NH₃∶H₂＝(1.4～1.6)∶1，粉体捕集室温度为345～355℃，保温5～7小时，获得纳米结构的单相γ′-Fe₄N粉体；或者控制氨、氢体积流量比为NH₃∶H₂＝(2.4～2.6)∶1，粉体捕集室温度为445～455℃，保温1～3小时，获得纳米结构的单相ε-Fe₃N粉体。

5、按照权利要求4所述的制备单相纳米ε-Fe₃N或γ′-Fe₄N粉体的方法，其特征在于粉体改性反应过程中，炉内氨分解率通过氨分解率测量仪检测，废气通过废气净化器处理后排入外界。

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