CN104275488A

CN104275488A - 利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法

Info

Publication number: CN104275488A
Application number: CN201410050221.XA
Authority: CN
Inventors: 朴贞昱
Original assignee: DR AXION Co Ltd
Current assignee: DR AXION Co Ltd
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-01-14
Also published as: EP2875882A1; US20150135898A1; JP2015101786A; KR101367836B1

Abstract

本发明涉及利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法，其特征在于，包括：将金属丝成型为螺旋形弹簧结构的步骤，向供给器供给所成型的上述金属丝的步骤，在将供给到上述供给器的金属丝供给到腔室的内部后，向金属丝施加高电压来使上述金属丝电爆炸的电爆炸步骤，以及收集在上述电爆炸步骤中上述金属丝爆炸而生成的纳米粉末的步骤；成型为螺旋形弹簧结构的上述金属丝具有0.4～0.8mm的螺距、10～13次的卷绕数、1～2mm的直径。

Description

利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法

技术领域

本发明涉及利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法，更为具体地，涉及利用供给螺旋形弹簧结构的金属丝来能够提高纳米粉末的产量的电爆炸方法的纳米粉末制备方法（Producing method of nanopowders using the electrical wire explosion）。

背景技术

一般制备单一金属粉末的方法有雾化方法（atomization）、液状还原法、利用等离子的方法等。

但是，以雾化方法无法制备纳米大小的粉末，可制备约50μm程度大小的粉末。

由于液状还原法只能以纳米大小制备几种金属，因而具有无法适用于一般金属的缺点。

由于等离子方法具有与生产相比电力消耗大，并且在捕集粉末时需要另外的用于防止氧化的装置等的问题，因而以常规的方法无法稳定地生产纳米大小的金属粉末。

作为解决这种问题的解决方法，在专利10-0394390号公开了“基于电爆炸方法的金属纳米粉末制备方法及其装置”。

上述常规的技术，其特征在于，包括以下步骤：从金属丝供给装置向反应器内部供给金属丝的步骤；通过金属丝供给装置内的测定辊测定金属丝的爆炸长度的步骤；由金属丝爆炸长度测定信号产生放电器的驱动信号的步骤；对蓄电池进行充电直到向放电器的驱动电极供给驱动信号的步骤；借助放电器的驱动信号充电的蓄电池的高电压贯通放电器的高电压电极和低电压电极之间的绝缘体来供给到反应器的高电压电极的步骤；供给到反应器内的金属丝借助上述高电压爆炸而得到纳米金属粉末的步骤；以及在正常氧压力下捕集纳米金属粉末的步骤。

但是，常规技术具有不仅用于捕集所生产的粉末的装置由多段的缓冲气旋、过滤器以及储料器构成因而复杂，而且所生产的粉末的投入产出比率也只到50～60%的问题。

发明内容

技术问题

因此，本发明用于解决上述的问题，其目的在于，提供一种利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法，上述利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法以螺旋形弹簧结构供给常规以直线形态供给的金属丝，从而可将纳米粉末的生产量从数倍提高到数十倍。

技术方案

为实现上述及其他本发明的目的，根据本发明的一实施例，提供一种利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法，其特征在于，包括：将金属丝成型为螺旋形弹簧结构的步骤，向供给器供给所成型的上述金属丝的步骤，在将供给到上述供给器的金属丝供给到腔室的内部后，向金属丝施加高电压来使上述金属丝电爆炸的电爆炸步骤，以及收集在上述电爆炸步骤中上述金属丝爆炸而生成的纳米粉末的步骤；成型为螺旋形弹簧结构的上述金属丝具有0.4～0.8mm的螺距、10～13次的卷绕数、1～2mm的直径。

本发明的另一目的在于，提供一种利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法，其特征在于，包括：向供给器供给金属丝的步骤，将供给到上述供给器的金属丝成型为螺旋形弹簧结构，并向腔室的内部供给所成型的上述金属丝后，向所成型的上述金属丝施加高电压来使上述金属丝爆炸的电爆炸步骤，以及收集在上述电爆炸步骤中上述金属丝爆炸而生成的纳米粉末的步骤；成型为螺旋形弹簧结构的上述金属丝具有0.4～0.8mm的螺距、10～13次的卷绕数、1～2mm的直径。

本发明的特征在于，成型为螺旋形弹簧结构的上述金属丝的端部形成封闭端、开放端、切尾端、猪尾端中的某一形状。

发明效果

根据具有上述结构的本发明，具有以螺旋形弹簧结构供给常规以直线形态供给的金属丝，从而可将纳米粉末的生产量从数倍提高到数十倍的效果。

附图说明

图1为本发明的一实施例的利用电爆炸方法的纳米粉末制备工序图。

图2为本发明的另一实施例的利用电爆炸方法的纳米粉末制备工序图。

图3为用于制备本发明的一实施例的利用电爆炸方法的纳米粉末的制备装置的略图。

图4为示出本发明的一实施例的金属丝的形状的图。

图5是示出基于金属丝的单位体积的弹簧的直径和螺距的变化的纳米粉末的生产量的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施例进行更加详细的说明。在这过程中，出于说明的明了性和便利性，可夸张地示出附图中的线的厚度或结构要素的大小等。

并且，后述的用语为考虑本发明中的功能而定义的用语，这可根据用户、应用者的意图或惯例而不同。因而，对这种用语的定义应以本说明书整体的内容为基础来定义。

图1为本发明的一实施例的利用电爆炸方法的纳米粉末制备工序图，图2为本发明的另一实施例的利用电爆炸方法的纳米粉末制备工序图，图3为用于制备本发明的一实施例的利用电爆炸方法的纳米粉末的制备装置的略图，图4为示出本发明的一实施例的金属丝的形状的图。

参照图1至图4，本发明的一实施例的利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法包括成型步骤（步骤S110）、供给步骤（步骤S120）、电爆炸步骤（步骤S130）、收集步骤（步骤S140）。

在这里，如图3所示，用于本发明的一实施例的利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法的装置100包括金属丝供给器110、腔室120、纳米粉末移送线130、缓冲区140、旋风区150以及网眼过滤器160等，是用于制备金属纳米粉末的一般装置，省略对装置的详细说明。

成型步骤（步骤S110）为将金属丝10成型为螺旋形弹簧结构的步骤，优选地，成型为螺旋形弹簧结构的金属丝10具有0.4～0.8mm的螺距（Pitch）、10～13次的卷绕数、1～2mm的直径。

并且，参照图3，成型为螺旋形弹簧结构的金属丝10的端部形成（a）封闭端、（b）开放端、（c）切尾端以及（d）猪尾端中的某一形状。

供给步骤（S120）为向供给器110供给在成型步骤（步骤S110）中以螺旋形弹簧结构成型的金属丝10的步骤。

在电爆炸步骤（步骤S130），将供给到供给器110的金属丝10成型为螺旋形弹簧结构，并向腔室的内部供给所成型的金属丝10后，向所成型的金属丝10施加高电压来使金属丝10电爆炸来生成纳米粉末。

在这里，当金属丝10的材质为铜（Cu）的情况下，所需的能量和电压由下式求出。

此时，金属丝10的直径d为0.4mm、长度L为80mm，铜（Cu）的升华能量（W_σ）为47.8J/mm³。

[数学式1]

W_{s} = V \times w_{s} = \frac{{πd}^{2}}{4} \times 1 \times w_{s}

W_σ：注入的单位体积金属丝的升华能量（J）

w_σ：材料固有的升华能量（J/mm³）

d：金属丝直径（mm），L：金属丝长度（mm）

将实际条件记入以上数学式来进行计算，则

W_{s} = \frac{π {(0.4 mm)}^{2}}{4} \times 80 mm \times 47.8 J / {mm}^{3} = 480.5 J .

即，若向金属丝注入480.5J的能量，则可升华相关长度的金属丝。但是，为了利用电爆炸方法来制备作为原本目的的纳米粉末，则需要增加向金属丝注入的能量，需要表现出那程度的值。因此，引入作为“K”值的因子，则Wσ和K具有以下关系。

在这里，将K定义为线材（wire material）的过热（overheat）或超级加热因子（super heating factor）。

[数学式2]

K = \frac{W}{W_{s}}

W：一次爆炸时从脉冲电源部向金属丝注入的能量（J）

若以数学的角度表示K值，则是借助数学式2来从脉冲电源部向金属丝注入的能量与金属丝的升华能量的比率。若“K”值为“1”，则可视为，从脉冲电源部向金属丝注入的能量仅用于使金属丝升华。但是，由于电爆炸方法的本来目的是制备纳米粉末，因而K值越大于1，越有利于形成纳米大小的粉末。实验性地，若K值为“2”以上，则能够制备100nm级别的纳米粉末，因而可由以下数学式3来表示数学式2。

[数学式3]

W＝K×W_s＝2×480.5＝961.0(J)

因此，当K＝2时，从脉冲电源部向金属丝注入的能量为961.0J。另一方面，当该能量通过回路及电缆实际向金属丝注入时，产生约15%的损失，考虑这一点，应注入过量的能量。将该值用U来表示，如以下数学式4。

[数学式4]

U = \frac{W}{η}

U：考虑损失的脉冲电源部的能量（J）

η：回路及高电压电缆的效率（85%）

由于W为961.0J，因而

U = \frac{W}{η} = \frac{961.0}{0.85} = 1130.6 (J) .

为注入如上所述的1130.6J的能量，则能够以以下数学式5来计算所需的电压（V）。[数学式5]

U = \frac{C \times V^{2}}{2}

V：用于施加所需注入的能量的电压（KV）

C：蓄电器容量（μF）

利用上述数学式5来求所需的电压则如下。

最终，以K值为2的条件来将直径为0.4mm、长度为80mm的铜（Cu）材质的金属丝制备为纳米粉末所需的电压为19.4KV。

将使用通过上述数学式求得的电压的，并基于金属丝10的单位体积的弹簧的直径和螺距(Pitch)的变化的纳米粉末的生产量图示于图5。

如图5所示，可知，本发明的纳米粉末的生产量随着弹簧的直径越大，产量越多，弹簧的螺距增加，则产量减少。

即，即使金属丝的直径相同，通过弹簧的直径和螺距可将纳米粉末的生产量较常规很容易提高到数倍到数十倍。

收集步骤（步骤S140）为收集在电爆炸步骤（步骤S130）中生成的纳米粉末。

另一方面，图2为本发明的另一实施例的利用电爆炸方法的纳米粉末制备工序图，在图2所示的本发明的另一实施例的供给步骤（步骤S210）中，除了向供给器110供给金属丝10来在供给器110将金属丝10成型为螺线型结构后，向腔室120的内部进行供给之外，与图1所示的本发明的一实施例大同小异，因而将省略对此重复的说明。

以上，参照附图对本发明的优选实施例进行了说明，但本技术领域的熟练技术人员应该能够理解，在不脱离专利权利范围所记载的本发明的技术思想的范围内，可对本发明进行多种修改及变更。

附图标记

S110：成型步骤

S120、S210：供给步骤

S130、S220：电爆炸步骤

S140、S230：收集步骤

110：金属丝供给器

120：腔室

120a：接地电极

120b：高电压电极

130：纳米粉末移送线

140：缓冲区

150：旋风区

160：网眼过滤器

Claims

1.一种利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法，其特征在于，包括：

将金属丝成型为螺旋形弹簧结构的步骤，

向供给器供给所成型的上述金属丝的步骤，

在将供给到上述供给器的金属丝供给到腔室的内部后，向上述金属丝施加高电压来使上述金属丝电爆炸的电爆炸步骤，以及

收集在上述电爆炸步骤中上述金属丝爆炸而生成的纳米粉末的步骤；

成型为螺旋形弹簧结构的上述金属丝具有0.4～0.8mm的螺距、10～13次的卷绕数、1～2mm的直径。

2.一种利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法，其特征在于，包括：

向供给器供给金属丝的步骤，

将供给到上述供给器的金属丝成型为螺旋形弹簧结构，并向腔室的内部供给所成型的上述金属丝后，向所成型的上述金属丝施加高电压来使上述金属丝爆炸的电爆炸步骤，以及

3.根据权利要求1或2所述的利用电爆炸方法的纳米粉末制备方法，其特征在于，成型为螺旋形弹簧结构的上述金属丝的端部形成封闭端、开放端、切尾端、猪尾端中的某一形状。