CN108672712B - 一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，包括金属丝电爆炸试验单元和高压脉冲电容器，高压脉冲电容器的一端经电容放电开关与金属丝电爆炸试验单元连接，高压脉冲电容器的另一端与金属丝电爆炸试验单元的金属腔体共地连接，金属丝电爆炸试验单元包含两段金属丝，两段金属丝用于在一个脉冲放电过程中按放电顺序先后形成两次电爆炸过程进而分别生成纳米颗粒。本发明在同一个实验腔体内即可实现双丝电爆炸，可大大减小电爆炸实验装置的尺寸，有效减小实验装置的体积，可将实验装置的生产效率提高1.2～1.7倍。

Description

一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置

技术领域

本发明属于电爆炸制备纳米颗粒技术领域，具体涉及一种应用于大规模制造金属纳米分体中提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置。

背景技术

金属纳米颗粒具有尺寸小、比表面积大以及量子尺寸效应，在光吸收、敏感、催化、能源以及其他功能材料等领域表现出引人注目的应用前景，收到广泛关注。近年来，金属纳米颗粒制造技术的发展非常迅速，设计出了多种纳米粉体制备方法，包括气体冷凝法、电弧法、化学还原以及金属丝电爆炸等方法，但国内受制于各种制备方法存在生产效率低下，能够实现金属纳米颗粒量产的装置还不多，且存在结构复杂，操作和使用不便等缺点。采用金属丝通过大电流形成电爆炸过程能够制备金属纳米颗粒，但受到电爆炸沉积能量效率和丝爆炸过程中出现的不均匀现象的影响，目前电爆炸过程一般在金属丝较细(＜0.5mm)，长度较短(＜200mm)的场合实现，这严重制约了纳米颗粒的产量和生成效率，增加了生产投入的时间和设备成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，该实验装置采用一次放电形成两次金属丝电爆炸过程，可大大提高单次放电过程中纳米颗粒的产量，提高纳米颗粒的生产效率，对于大规模生产具有十分重要的意义。

本发明采用以下技术方案：

一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，包括金属丝电爆炸试验单元和高压脉冲电容器，高压脉冲电容器的一端经电容放电开关与金属丝电爆炸试验单元连接，高压脉冲电容器的另一端与金属丝电爆炸试验单元的金属腔体共地连接，金属丝电爆炸试验单元包含两段金属丝，两段金属丝用于在一个脉冲放电过程中按放电顺序先后形成两次电爆炸过程进而分别生成纳米颗粒。

具体的，金属丝电爆炸试验单元包括送丝机构、丝承接盘、送气装置和纳米材料收集装置，丝承接盘设置在金属腔体内，送气装置8与金属腔体10的上部连通，纳米材料收集装置9与金属腔体10的下部连通，送气装置8与纳米材料收集装置9之间通过气流连接通道连通，送气装置形成循环气流将纳米颗粒从金属腔体送至纳米材料收集装置中。

进一步的，送丝机构垂直固定在丝承接盘上方，通过电机将金属丝垂直送入金属腔体，送丝机构包括第一送丝机构和第二送丝机构，丝承接盘包括第一丝承接盘和第二丝承接盘，第一送丝机构将第一金属丝送至第一丝承接盘接触放电，第二送丝机构将第二金属丝送至第二丝承接盘接触放电。

进一步的，金属丝的长度为5～20cm，且第一金属丝的长度大于第二金属丝的长度。

进一步的，第二金属丝的长度为第一金属丝长度的0.6～0.9倍。

进一步的，第一丝承接盘与第二丝承接盘之间通过转换开关连接。

进一步的，转换开关采用稍不均匀场的气体火花开关，在工作电压下不发生击穿，在金属丝电爆炸形成的过电压下发生击穿。

进一步的，第一丝承接盘和第二丝承接盘与金属腔体之间采用绝缘子形成绝缘连接。

进一步的，电容放电开关一端与高压脉冲电容器相连，另一端与第一丝承接盘连接，高压脉冲电容器的充电电压为10～50kV，电容容量为0.1～10μF。

具体的，金属腔体内设置有氩气、氮气或腔体内部抽真空。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，高压脉冲电容器的一端经电容放电开关与金属丝电爆炸试验单元连接，高压脉冲电容器的另一端与金属丝电爆炸试验单元的金属腔体共地连接，金属丝电爆炸试验单元用于形成两段金属丝，两段金属丝用于在一个脉冲放电过程中按放电顺序先后形成两次电爆炸过程进而分别生成纳米颗粒，采用单次放电形成双丝电爆炸过程可有效提高单位时间内生产纳米颗粒的产量，可有效降低纳米颗粒大规模生产时生产设备的规模，提高纳米颗粒生产效率，形成第二次金属丝电爆炸过程可有效利用高压脉冲电容器中储存的能量，提高能量利用效率。

进一步的，金属丝电爆炸试验单元内送丝机构用于将金属丝送至丝承接盘进行接触放电，通过先后顺序的金属丝爆炸过程分别形成纳米颗粒，送气装置形成循环气流将纳米颗粒从金属腔体送至纳米材料收集装置中，可在一次电容放电周期内形成两次独立的金属丝电爆炸过程，大大增加了单次放电过程中电爆炸丝的总长度，提高了金属纳米颗粒的生产效率，同时将电容器剩余能量用于第二次金属丝电爆炸，提高了能量利用率。

进一步的，金属丝单位质量沉积的能量对于形成纳米颗粒尺寸的分布有重要影响，为确保两次金属丝电爆炸形成的纳米颗粒尺寸分布相同或接近，需保证两次金属丝电爆炸过程中单位丝质量沉积的能量相同。由于第二次丝爆炸过程中脉冲电容电压降低，因此需缩短第二次丝爆炸过程时的长度，确保两次电爆炸过程形成的纳米颗粒尺寸分布一致。

进一步的，转换开关在第一根金属丝电爆炸形成的过电压作用下击穿，实现将电容器存储的能量转移至第二根金属丝的功能，避免对第一根丝形成再加热过程，形成第二次金属丝电爆炸过程，大大增加了单次放电过程中电爆炸金属丝的总长度。

进一步的，绝缘子在放电过程中承受直流和脉冲高压，避免电爆炸过程中电容器储能从金属腔体流走，确保了金属丝电爆炸过程顺利进行。

进一步的，高压脉冲电容器的容量在0.1～10μF之间，电压在0～50kV之间，通过放电形成脉冲为微秒级的电流脉冲驱动形成单铝丝电爆炸。

进一步的，金属腔体内填充氩气、氮气或真空环境能够避免形成的纳米颗粒在高温下与周围环境发生反应。

综上所述，本发明在同一个实验腔体内即可实现双丝电爆炸，可大大减小电爆炸实验装置的尺寸，有效减小实验装置的体积，可将实验装置的生产效率提高1.2～1.7倍。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为单丝电爆炸过程电压和电流波形示意图；

图3为双丝电爆炸过程电压和电流波形示意图。

其中：1.第一送丝机构；2.第二送丝机构；3.第一丝承接盘；4.第二丝承接盘；5.转换开关；6.第一金属丝；7.第二金属丝；8.送气装置；9.纳米收集装置；10.金属腔体；11.高压脉冲电容器；12.电容放电开关。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参阅图1，本发明一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，包括金属丝电爆炸试验单元、高压脉冲电容器11和电容放电开关12，高压脉冲电容器11的一端经电容放电开关12与金属丝电爆炸试验单元连接，高压脉冲电容器11的另一端与金属丝电爆炸试验单元的金属腔体10共地连接，金属丝电爆炸试验单元内形成两段金属丝，两段金属丝在一个脉冲放电过程中按照先后放电顺序形成两次电爆炸过程分别生成纳米颗粒。

金属丝电爆炸试验单元包括两套送丝机构、两套丝承接盘、转换开关5、送气装置8、纳米材料收集装置9和金属腔体10，送丝机构将细金属丝送出，与对应的丝承接盘接触放电，形成先后顺序的金属丝爆炸过程，后爆炸金属丝的长度较先形成爆炸过程的金属丝短，爆炸形成纳米颗粒，送气装置8与金属腔体10的上部连通，纳米材料收集装置9与金属腔体10的下部连通，送气装置8与纳米材料收集装置9之间设计有气流连接通道，送气装置8形成循环气流将纳米颗粒从金属腔体10带至纳米材料收集装置9中，重复运行实现纳米颗粒量产。

送丝机构垂直固定在丝承接盘上方，通过电机将丝垂直送入电爆炸实验腔体。

两套送丝机构包括第一送丝机构1和第二送丝机构2，两套丝承接盘包括第一丝承接盘3和第二丝承接盘4，第一丝承接盘3与第二丝承接盘4设置在金属腔体10内，第一丝承接盘3与第二丝承接盘4之间通过转换开关5连接，放电过程形成的两段金属丝按照先后顺序形成电爆炸过程，第一送丝机构1将第一金属丝6送出，与第一丝承接盘3接触放电，第二送丝机构2将第二金属丝7送出，与第二丝承接盘4接触放电，第一金属丝6形成电爆炸过程后在转换开关5的两端形成过电压，转换开关5自击穿并将能量转移至第二金属丝7，第二金属丝7较短，第二金属丝7在高压脉冲电容器充电电压为0.8～0.5倍的电压下形成电爆炸，实现在一个脉冲放电过程中形成两次电爆炸过程，有效提高电爆炸制备纳米颗粒的效率。

第一丝承接盘3和第二丝承接盘4与金属腔体10之间采用绝缘子形成绝缘。

电容放电开关12一端与高压脉冲电容器11相连，另一端与第一丝承接盘3连接，高压直流电源的电压为10～50kV，高压脉冲电容器11的充电电压20～50kV，电容容量为0.1～10μF，金属丝的长度范围为5～20cm，且第二金属丝7的长度为第一金属丝6长度的0.6～0.9倍。

转换开关5采用稍不均匀场的开关，在工作电压下不发生击穿，在金属丝电爆炸形成的过电压下发生击穿。

优选的，转换开关5为两电极自击穿开关，包括伪火花气体开关、真空开关和气体火花开关。

转换开关5可放置在金属腔体10内，也可以放置在金属腔体10外部，与电容放电开关12放置在同一个腔体内。

金属腔体10内设置保护气体以避免形成的纳米颗粒被迅速氧化，保护气体包括氩气、氮气或真空环境。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

金属铝和铜的纳米颗粒由于具有高比表面积和高的氧化能量释放率，量子尺寸效应、高导热率、低电阻和高效的催化活性，在诸多领域具有重要的应用价值。

在铝或铜丝电爆炸制备纳米颗粒过程中，一般采用惰性气体氩气作为保护气，气压在1.0～3.0bar之间，大规模制备过程中一般采用直径在毫米至百微米级的金属丝通过电爆炸产生。

高压脉冲电容器11的容量在0.1～10.0μF之间，电压在10～50kV之间，通过放电形成脉冲为微秒级的电流脉冲驱动形成单铝丝电爆炸。为提高纳米颗粒单位产量，可采用本发明装置提高金属丝电爆炸效率，将电容量适当增大，调节电流脉冲宽度确保第一段金属丝发生电爆炸时沉积的能量与原装置相同；

调节第二金属丝的长度和直径，使得其发生电爆炸过程的参数与第一金属丝爆炸参数相同。这样既可确保生产的纳米颗粒尺寸与原装置结果相同，也能够大幅提高铝纳米颗粒的生产效率。

实施例2

金属铝和铜的纳米颗粒制备过程中，金属丝需要在一定的加热速率下汽化，这使得金属丝爆炸过程往往出现在电流迅速上升的后期，此后脉冲电容器中储存的能量对于形成更多的纳米颗粒是没有贡献的。

为提高纳米颗粒的产量，可采用本发明装置提高金属丝电爆炸效率，在第一根金属丝爆炸后，将脉冲电容器中的能量转移至第二金属丝，调节第二金属丝的长度，使得其发生电爆炸过程的参数与第一金属丝爆炸参数相同，根据第一金属丝长度的不同，第二金属丝的长度可为第一金属丝长度的0.6～0.9倍。这样可确保生产的纳米颗粒尺寸与原装置结果相同，并能够将纳米颗粒的生产效率提高1.5～1.8倍，根据电容器容量、充电电压等参数确定，其目的是为了确保两次电爆炸形成的纳米颗粒尺寸分布一致。实验研究了第一根铝丝长度12cm，第二根铝丝长度为11cm，直径为0.3mm条件下形成的双丝电爆炸过程电流和电压波形，并与单丝电爆炸波形进行对比，可计算分别获得第一根金属丝与第二根金属丝上沉积能量的大小，由计算可知丝电爆炸实验装置单次消耗的铝丝质量是单丝电爆炸质量的1.9倍，可有效提高纳米颗粒的生产效率。

由图2和图3可以看出，相同放电参数下(电容量和充电电压相同)，双丝电爆炸过程可以在一个放电脉冲内多形成一次电爆炸过程，且第一次电爆炸过程与采用单丝电爆炸过程的放电波形与金属丝上沉积的能量是相同。这意味着采用本发明装置形成的双丝电爆炸过程可在放电过程中额外增加一次电爆炸过程，且对第一次金属丝电爆炸过程沉积的能量和放电波形不产生任何影响，可大大提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒的效率和电爆炸过程中的能量利用率。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，其特征在于，包括金属丝电爆炸试验单元和高压脉冲电容器(11)，高压脉冲电容器(11)的一端经电容放电开关(12)与金属丝电爆炸试验单元连接，高压脉冲电容器(11)的另一端与金属丝电爆炸试验单元的金属腔体(10)共地连接，金属丝电爆炸试验单元包含两段金属丝，两段金属丝用于在一个脉冲放电过程中按放电顺序先后形成两次电爆炸过程进而分别生成纳米颗粒，金属丝电爆炸试验单元包括送丝机构、丝承接盘、送气装置(8)和纳米材料收集装置(9)，丝承接盘设置在金属腔体(10)内，送气装置(8)与金属腔体(10)的上部连通，纳米材料收集装置(9)与金属腔体(10)的下部连通，送气装置(8)与纳米材料收集装置(9)之间通过气流连接通道连通，送气装置(8)形成循环气流将纳米颗粒从金属腔体(10)送至纳米材料收集装置(9)中，送丝机构垂直固定在丝承接盘上方，通过电机将金属丝垂直送入金属腔体(10)，送丝机构包括第一送丝机构(1)和第二送丝机构(2)，丝承接盘包括第一丝承接盘(3)和第二丝承接盘(4)，第一送丝机构(1)将第一金属丝(6)送至第一丝承接盘(3)接触放电，第二送丝机构(2)将第二金属丝(7)送至第二丝承接盘(4)接触放电，第一丝承接盘(3)与第二丝承接盘(4)之间通过转换开关(5)连接，金属丝的长度为5～20cm，且第一金属丝(6)的长度大于第二金属丝(7)的长度，第二金属丝(7)的长度为第一金属丝(6)长度的0.6～0.9倍。

2.根据权利要求1所述的一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，其特征在于，转换开关(5)采用稍不均匀场的气体火花开关，在工作电压下不发生击穿，在金属丝电爆炸形成的过电压下发生击穿。

3.根据权利要求1所述的一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，其特征在于，第一丝承接盘(3)和第二丝承接盘(4)与金属腔体(10)之间采用绝缘子形成绝缘连接。

4.根据权利要求1所述的一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，其特征在于，电容放电开关(12)一端与高压脉冲电容器(11)相连，另一端与第一丝承接盘(3)连接，高压脉冲电容器(11)的充电电压为10～50kV，电容容量为0.1～10μF。

5.根据权利要求1所述的一种提高金属丝电爆炸制备纳米颗粒产量的实验装置，其特征在于，金属腔体(10)内设置有氩气、氮气或腔体内部抽真空。