CN104399996A

CN104399996A - 一种纳米镁铝粉末的电爆炸装置及制备方法

Info

Publication number: CN104399996A
Application number: CN201410841818.6A
Authority: CN
Inventors: 喻更生; 周益春; 段仲星; 林建国
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2014-12-30
Filing date: 2014-12-30
Publication date: 2015-03-11

Abstract

本发明公开了一种纳米镁铝粉末的电爆炸装置及制备方法，所述电爆炸装置包括电爆炸室、电路系统、马达传动装置、收集装置、氩气瓶、氩气循环泵、高压极板，所述马达传动装置、高压极板相对设置于电爆炸室内，电路系统安装在电爆炸室外部，电路系统与高压极板电连接，氩气瓶经供气管道与电爆炸室连接，电爆炸室的下部位于高压极板正下方处设有竖直管道，竖直管道下方设有收集装置，竖直管道的一侧设有氩气循环泵，氩气循环泵的入气口与竖直管道连通，氩气循环泵的出气口经氩气循环管道与供气管道相连。本发明的电爆炸装置结构简单、成本低、应用广泛，能制备多种纳米金属粉末和这些金属的合金，并且产品纯度高。

Description

一种纳米镁铝粉末的电爆炸装置及制备方法

技术领域

本发明涉及金属粉末的制备领域，特别涉及一种纳米镁铝粉末的电爆炸装置及制备方法。

背景技术

镁/铝粉具有耗氧量低、燃烧焓搞、密度高的优点，在固体推进剂中可以添加较高的镁/铝粉含量，对提高比冲的作用相当显著，再加上镁/铝粉原材料丰富，成本也较低，使镁/铝粉成为固体火箭推进剂及火炸药最为适合的金属添加剂。

目前在固体推进剂和炸药中加入的镁/铝粉直径在 30μm 左右。微米级镁/铝粉颗粒在推进剂燃烧表面上往往经历一个先熔化再燃烧的过程，镁/铝粉在燃面熔融后容易突破表面氧化镁/铝壳层而互相熔联形成凝滴，并凝结成大的“集块”，其尺寸可达 50～200μm，需要 10～100ms 才能烧完，从而导致推进剂燃烧速率低，延长了燃烧时间。此外，由于微米镁/铝粉燃烧释放出的大部分热量位于远离推进剂表面处，对推进剂的热反馈小，通常金属燃烧对推进剂本身燃速没有影响；同时，有可能存在燃烧不完全、特征信号过强、喷管的两相流损失和形成羽烟状的气体排出等缺陷。因此，使用纳米尺寸镁/铝粉取代微米镁/铝粉应用于固体火箭推进剂中以克服这些缺陷具有重要应用价值。目前这种高端技术被俄罗斯、美国等少数国家垄断，进口该设备市场价格高达100万美元，每公斤铝粉销售价格15万人民币。但是这些进口设备都存在制备效率底，浪费严重，铝粉收集困难等缺陷。

纳米镁/铝粉是含能材料的一种新型金属燃烧剂，由于其具有普通镁/铝粉不具备的特性，近年来倍受关注。纳米镁/铝粉可显著提高推进剂的燃烧速率、比冲，降低其特征信号等；纳米镁/铝粉可独立作为燃烧剂使用，如俄罗斯暴风雪鱼雷使用镁/铝粉推进剂，可使鱼雷在水中的航速达到数百节。然而活性丧失的纳米镁/铝粉在含能材料中反而起到相反的作用，因此系统地研究纳米镁/铝粉的活性及其活性保持机制显得尤为重要和迫切。

目前纳米镁/铝粉的制备方法很多，分物理方法和化学方法两类；包括蒸发冷凝法，物理粉碎法，机械合金化法，溅射法，固体相变法，超声膨胀法，电爆炸丝法，电弧法，化学气相法，水热合成法，蒸发法，溶胶凝胶法，模板法等等。总的来说，化学方法的产率很高，但得到的纳米镁/铝粉纯度不高，成本高，制备时间较长；某些物理方法，比如激光烧蚀，直流电弧放电等，得到的纳米镁/铝粉纯度很高，但同样成本高，生产时间较长。

电爆炸法制备超细金属及其合金粒子的方法最早是由俄罗斯发明并首先采用，此后美国、日本、韩国等相继进行相关产业的开发与应用。它是一种物理制备金属超细粒子的新方法，利用导体的电爆炸方法控制生产高弥散超细金属、合金、类金属和化学化合物粒子，适合规模化生产。其特点是能量转化率高、工艺参数可调、适用性广，是一种高产量的制备方法，用电爆炸技术可获得较高质量的金属纳米粉末。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低的纳米镁铝粉末的电爆炸装置及其制备方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种纳米镁铝粉末的电爆炸装置，包括电爆炸室、电路系统、马达传动装置、收集装置、氩气瓶、氩气循环泵、高压极板，所述马达传动装置、高压极板相对设置于电爆炸室内，马达传动装置将需爆炸的材料输送至高压极板上，所述电路系统安装在电爆炸室外部，电路系统与高压极板电连接，所述氩气瓶经供气管道与电爆炸室连接，所述电爆炸室的下部位于高压极板正下方处设有竖直管道，竖直管道下方设有收集装置，竖直管道的一侧设有氩气循环泵，氩气循环泵的入气口与竖直管道连通，氩气循环泵的出气口经氩气循环管道与供气管道相连。

上述纳米镁铝粉末的电爆炸装置中，所述电路系统包括电源、二极管、球隙和储能电容，所述电源的输出端与二极管的负极相连，二极管的正极经球隙与高压极板相连，所述储能电容的一端连接在二极管的负极与球隙之间，另一端接地。

上述纳米镁铝粉末的电爆炸装置中，所述马达传动装置包括马达、卷筒、铝丝和铝丝导槽，所述马达的输出轴与卷筒固接，带动卷筒转动，所述卷筒卷绕有铝丝，铝丝的出丝端穿过铝丝导槽与高压极板相接触。

上述纳米镁铝粉末的电爆炸装置中，所述氩气循环管道上设有冷却系统。

一种纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，包括以下步骤：

1）往电爆炸室中放入金属丝，将金属丝卷绕在卷筒上，金属丝的出丝端穿过铝丝导槽伸向高压极板；

2）打开氩气瓶上的阀门，往电爆炸室中充入氩气作为保护气体，当电爆炸室内气压达到1.3MPa时，停止输气；

3）启动电路系统的电源，储能电容开始充电，调节球隙的大小使得高压极板上的电压达到击穿电压；

4）开启马达传动装置，在马达的作用下将金属丝送到高压极板，金属丝充分爆炸生成纳米粉末；

5）启动氩气循环泵，氩气在电爆炸室-竖直管道-氩气循环管道-供气管道循环流通，在氩气气流的作用下金属纳米粉末经竖直管道落入收集装置中。

上述纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，所述步骤1）中，金属丝为镁丝或铝丝。

上述纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，所述步骤4）中，金属丝上的电流密度为10⁵A/cm²～10¹⁰A/cm²。

上述纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，所述步骤4）中，爆炸生成的纳米粉末的粒径为30～140 nm。

上述纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，所述步骤4）中，金属丝送往高压极板的速度与金属丝的爆炸燃烧速率一致。

本发明的有益效果在于：

1、本发明的电爆炸装置结构简单、成本低、应用广泛，利用电爆炸装置能制备Al/Mg等多种纳米金属粉末和这些金属的合金，生产能力强，产品纯度高，完全可以实现工业化生产；

2、本发明通过在密封氩气氛围中提供大功率脉冲电流使镁/铝丝瞬间爆炸生成纳米粉末，保证了纳米镁/铝粉末的纯度，并保证了纳米粉末的活性，制备方法工艺简单、成本低，适合大规模生产，解决了现有的其它方法得到的纳米镁/铝粉末纯度不高、成本高、制备时间长等缺点。

附图说明

图1为本发明电爆炸装置的结构示意图。

图2为制备纳米铝粉的过程中铝丝的状态变化示意图。

图中：101、电源，102、二极管，103、储能电容，104、球隙，105、氩气循环泵，106、电爆炸室，107、高压极板，108、铝丝导槽， 109、卷筒，110、马达，111、收集装置，112、冷却系统，113、气压表，114、氩气瓶，201、冷却腔体，202、铝丝，203、铝蒸汽，204、纳米铝粉。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，图1 是电爆炸丝法制备纳米镁/铝粉过程示意图。

电爆炸丝法产生纳米镁/铝粉的基本原理是将大功率脉冲电流通过镁/铝丝，利用镁/铝丝的电阻热储能使镁/铝丝内部的纯镁/铝在几μs或更短时间内熔化、气化、冲破镁/铝丝外皮的氧化物，形成镁/铝蒸气或进一步形成等离子体与周围气体发生碰撞，最后冷凝形成纳米镁/铝粉。

如图2所示，本电爆炸装置包括电爆炸室106、电路系统、马达传动装置、收集装置111、氩气瓶114、氩气循环泵105、高压极板107，所述马达传动装置、高压极板107相对设置于电爆炸室106内，马达传动装置将需爆炸的材料输送至高压极板107上，所述电路系统安装在电爆炸室106外部，电路系统与高压极板107电连接，所述氩气瓶114经供气管道与电爆炸室106连接，供气管道上设有气压表113，所述电爆炸室106的下部位于高压极板107正下方处设有竖直管道，竖直管道下方设有收集装置111，竖直管道的一侧设有氩气循环泵105，氩气循环泵105的入气口与竖直管道连通，氩气循环泵105的出气口经氩气循环管道与供气管道相连，所述氩气循环管道上设有冷却系统112。

所述电路系统包括电源101、二极管102、球隙104和储能电容103，所述电源101的输出端与二极管102的负极相连，二极管102的正极经球隙104与高压极板107相连，所述储能电容103的一端连接在二极管102的负极与球隙104之间，另一端接地。

所述马达传动装置包括马达110、卷筒109、铝丝和铝丝导槽108，所述马达110的输出轴与卷筒109固接，带动卷筒109转动，所述卷筒109卷绕有铝丝，铝丝的出丝端穿过铝丝导槽108与高压极板107相接触。

一种制备镁铝粉末的方法，包括以下步骤：

1）往电爆炸室106中放入金属丝，金属丝为镁丝或铝丝，将金属丝卷绕在卷筒109上，金属丝的出丝端穿过铝丝导槽108伸向高压极板107；

2）打开氩气瓶114上的阀门，往电爆炸室106中充入氩气作为保护气体，当电爆炸室106内气压达到1.3MPa时，停止输气；

3）启动电路系统的电源101，储能电容103开始充电，调节球隙104的大小使得高压极板107上的电压达到击穿电压；

4）开启马达传动装置，在马达110的作用下将金属丝送到高压极板107，金属丝送往高压极板107的速度与金属丝的爆炸燃烧速率一致，金属丝充分爆炸生成纳米粉末，纳米粉末的粒径为30～140 nm；

5）启动氩气循环泵105，氩气在电爆炸室106-竖直管道-氩气循环管道-供气管道循环流通，在氩气气流的作用下金属纳米粉末经竖直管道落入收集装置111中。

图2中（a）为爆炸前铝丝的状态图，图（b）为爆炸中铝丝的状态图，图（c）为爆炸后铝丝的状态图，图中201为冷却腔体，202为铝丝，203为铝蒸汽，204为纳米铝粉。

其中电路系统所提供的能量必须大于或等于导体汽化所需的能量，导电体才会发生爆炸，否则仅像普通保险丝那样熔化，能使导电体发生爆炸的电流密度为10⁵A/cm²～10¹⁰A/cm²。

镁的熔点648℃，沸点1107℃，铝的熔点660.4℃，沸点2467℃，比重2.7kg/m³，镁丝外皮氧化镁的熔点2852℃，沸点3600oC，铝丝外皮氧化铝的熔点2054℃，沸点2980oC，镁/铝丝外皮氧化镁/铝的厚度直接影响电爆炸生成镁/铝粉的粒度。实验证明，沸腾的镁/铝冲破外皮气化，生成纳米镁/铝粉；镁/铝丝直径在0.2mm～0.3mm，爆炸室内燃烧的长度为长度12mm，能生成粒度小于100nm的镁/铝粉。

Claims

1.一种纳米镁铝粉末的电爆炸装置，其特征在于：包括电爆炸室、电路系统、马达传动装置、收集装置、氩气瓶、氩气循环泵、高压极板，所述马达传动装置、高压极板相对设置于电爆炸室内，马达传动装置将需爆炸的材料输送至高压极板上，所述电路系统安装在电爆炸室外部，电路系统与高压极板电连接，所述氩气瓶经供气管道与电爆炸室连接，所述电爆炸室的下部位于高压极板正下方处设有竖直管道，竖直管道下方设有收集装置，竖直管道的一侧设有氩气循环泵，氩气循环泵的入气口与竖直管道连通，氩气循环泵的出气口经氩气循环管道与供气管道相连。

2.如权利要求1所述的纳米镁铝粉末的电爆炸装置，其特征在于：所述电路系统包括电源、二极管、球隙和储能电容，所述电源的输出端与二极管的负极相连，二极管的正极经球隙与高压极板相连，所述储能电容的一端连接在二极管的负极与球隙之间，另一端接地。

3.如权利要求2所述的纳米镁铝粉末的电爆炸装置，其特征在于：所述马达传动装置包括马达、卷筒、铝丝和铝丝导槽，所述马达的输出轴与卷筒固接，带动卷筒转动，所述卷筒卷绕有铝丝，铝丝的出丝端穿过铝丝导槽与高压极板相接触。

4.如权利要求3所述的纳米镁铝粉末的电爆炸装置，其特征在于：所述氩气循环管道上设有冷却系统。

5.一种纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，所述步骤1）中，金属丝为镁丝或铝丝。

7.如权利要求5所述的纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，所述步骤4）中，金属丝上的电流密度为10⁵A/cm²～10¹⁰A/cm²。

8.如权利要求5所述的纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，所述步骤4）中，爆炸生成的纳米粉末的粒径为30～140 nm。

9.如权利要求5所述的纳米镁铝粉末的电爆炸制备方法，所述步骤4）中，金属丝送往高压极板的速度与金属丝的爆炸燃烧速率一致。