CN113122820A - 一种粉体专用真空气相沉积炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种粉体专用真空气相沉积炉，所述真空气相沉积炉包括加热炉体、冷却炉体、称重传感器、真空通道、上电极、下电极、进料管、测温部件；所述加热炉体内设置有搅拌轴和导流板。所述上电极和下电极分别与射频电源的两个输出电极相连或/和直流电源的两个输出电极相连。各部分受控的气压、气氛、电场、磁场、加热方式组合使用实现对粉体材料的真空气相沉积工艺。

Description

一种粉体专用真空气相沉积炉
技术领域
本发明涉及粉体热处理技术领域，更具体地，涉及一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉。
背景技术
现有技术对制品材料实施表面气相沉积较为成熟，但粉体材料表面气相沉积技术有待提高，随着科学技术的不断进步，一些高端粉体材料需要在基体颗粒表面均匀、牢固的沉积或包覆一层纳米材料。
现有粉体气相沉积技术一般采用转炉或沸腾炉。但转炉由于气体与粉体不能充分接触，导致效率较低；沸腾炉由于真空度低难以满足产品品质需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足和缺陷，提供一种能够提供多种气相沉积环境，表面沉积均匀、沉积材料与基体材料粘结牢固的粉体专用真空气相沉积炉。
本发明为解决所述技术问题所提供的技术方案为：
一种粉体专用真空气相沉积炉，包括加热炉体，所述加热炉体包括炉身（1）和炉盖(2)；所述炉身（1）为一容器，炉身内为炉膛，内设搅拌轴（101），炉身外设有驱动装置（107）用于驱动搅拌轴（101）；炉身（1）上设有加热元件（1010）和保温层；所述搅拌轴（101）上设有搅拌机构；
所述炉盖（2）设置在炉身（1）上方，炉盖内侧设有保温层；炉盖（2）上至少设有一个真空管道（3），工作时真空管道（3）出气口插入粉体物料中，真空管道（3）连接抽真空装置（305）；
所述炉身内设有上电极（5）和下电极（20），所述上电极（5）底部设有上电极板（501），上电极板（501）上设有至少一个布气通孔，上电极板（501）上的布气孔连接进气管（502）和进气接头（503），工作气体通过进气接头（503）、进气管（502）和上电极板（501）上的布气孔进入炉膛；所述下电极（20）与上电极对应设置，下电极包括下电极板（2001）、连杆（2002）、绝缘连接件（2003），所述下电极连接有震动装置（21）；下电极板（2001）与水平面呈一定夹角，沿物料流动方向高度逐渐降低，即在物料流动的上游方向的高度高于下游方向的高度；
所述上电极（5）和下电极（20）分别与射频电源（14）的两个输出电极相连或/和直流电源（15）的两个输出电极相连。
进一步地，所述上电极（5）设置在炉盖(2)或炉身（1）上，所述上电极与炉盖(2)或炉身（1）之间绝缘。
进一步地，所述下电极还包括套管（2004）、端板（2005），所述连杆（2002）一端与下电极板（2001）连接，另一端与端板（2005）连接；所述下电极（20）通过端板（2005）与外部震动装置（21）连接，下电极板（2001）在外部震动装置（21）的驱动下震动。
进一步地，所述下电极设置在搅拌轴（101）上方和上电极的下方，所述上电极板（501）和下电极板（2001）平行设置。
进一步地，所述下电极板还设有导流板。
进一步地，所述炉身外部设有支撑架（10）；所述支撑架（10）连接震动装置，震动装置驱动炉身左右晃动。
进一步地，炉体上还设有称重传感器（9）；所述称重传感器（9）布置于加热炉体炉身（1）与其炉体支撑架（10）之间，或布置于地面上对加热炉体和炉体支撑架（10）予以支撑。
进一步地，炉盖（2）上至少设有一个法兰窗口（201），每个法兰窗口（201）上设有带通孔的绝缘盖板（11），上电极（5）穿过绝缘盖板（11）的通孔，并固定在绝缘盖板（11）上。
进一步地，上电极(5）的数量大于或等于法兰窗口的数量，即可多个上电极（5）共用一个法兰窗口（201）。
进一步地，所述加热炉体的炉盖（2）上还设有用于检测物料水平高度的粉体物料平面检测装置（13）。
进一步地，所述进气接头（503）上连接干路气体流量计（504），所述干路气体流量计（504）进气端设有至少两个支路气体流量计。
进一步地，所述真空管道（3）内设有至少一个阻止粉体物料通过的可拆卸的、可上下调节的用于炉内气体通过的粉尘过滤器（301），粉尘过滤器（301）通过连杆（304）固定在真空管道（3）上方的固定板上。
进一步地，所述真空管道（3）中的粉尘过滤器（301）的形状包括平面状或球面状或桶状；所述真空管道（3）可上下移动，即底部进气口可移动在粉体物料平面（12）下方，也可向上移动到粉体物料平面（12）的上方。
进一步地，炉身上设有测温部件（7），所述测温部件为热电偶或光学测温探头。
进一步地，还包括冷却炉体（8），所述冷却炉体（8）通过出料管（104）与加热炉体连接；所述冷却炉体（8）的炉盖（804）上设有排气管（807），炉体内设有搅拌轴（801），冷却炉体（8）通过底部出料管（810）卸料。
进一步地，所述冷却炉体（8）的炉壳为夹层结构，夹层内循环冷却水。
本发明通过所述搅拌轴（101）旋转、下电极板（2001）震动、加热炉体的整体倾斜摆动配合，使粉体物料流动形成大小两个循环回路。大循环回路是，粉体物料从导流板与炉体之间的缝隙不断从下往上进入震动状态的下电极板上端，经过下电极板（2001）上方、上电极板（501）下方的气相沉积区域，在下电极板（2001）上以跳跃、沸腾方式流动，再从下电极板（2001）另一侧下落到下电极板（2001）下方区域，通过搅拌轴（101）的搅拌作用，再次输送到下电极板（2001）上方，周而复始，实现粉体物料的大循环流动；小循环回路是，粉体物料在搅拌轴（101）作用下，在下电极板（2001）下方的循环流动；大循环回路为气相沉积工作回路，小循环回路为粉体物料均匀混合回路；所述真空通道（3）及其真空装置（305）控制炉内气压；所述各支路气体流量计（505）、（506）通过上电极（5）上方的进气接头（503）、进气管（502）、上电极板（501）上的布气孔向炉内通入工作气体或保护气体以控制炉内气氛状态；所述电阻加热元件为炉体供热；所述射频装置、直流装置借助真空、温度作用将含有效成分气体电离或热分解，所述各部分受控的气压、气氛、电场、磁场、加热方式组合使用实现对粉体材料的真空气相沉积工艺。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明所提供的粉体专用真空气相沉积炉设置搅拌轴和带振动下电极板，可不断传输粉体物料并在下电极板上将粉体物料扬起和翻动，同时设有射频电源装置和\或直流电源，分别连接上下电极，工作气体进入炉内后，在射频或\和直流电场，以及温度和真空的作用快速电离和热解，气体中的有效成分以离子形式与带负电位的快速运动的粉体充分和均匀接触，并牢固粘结。在沉积过程中，有助于反应快速、彻底完成。
（2）本发明设置搅拌轴和导流板，使粉体沸腾后导入下电极板与上电极板之间的电离区，并配合炉体振动装置和下电极振动装置，使粉体在上下电极之间不断循环，使粉体充分接触电离区。粉体物料在搅拌轴和电离区域始终定向循环运动。
（3）本发明所提供的粉体专用的多搅拌轴真空气相沉积炉的加热炉体与冷却炉体均设置有相应水冷、风冷结构，可快速便捷地冷却加热完成的粉体。
（4）本发明所提供的粉体专用的多搅拌轴真空气相沉积炉的加热炉体设置有测温部件、粉体物料平面检测装置、称重传感器，可根据数据的反馈得知炉内的工作状况，从而便于进行接下来的操作。
附图说明
图1为本发明所提供的粉体专用的真空气相沉积炉正视图；
图2为冷却炉体为水平搅拌轴的轴真空气相沉积炉侧视图；
图3为本发明所提供的粉体专用的真空气相沉积炉；
图4为本发明所提供的摆动中的真空气相沉积炉；
图5为本发明所提供的带导流板真空气相沉积炉。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，一种粉体专用真空气相沉积炉，包括加热炉体、冷却炉体8，如图1所示，包括炉身1与炉盖11。加热炉体通过出料管104与冷却炉体8连接。炉盖11上设有真空通道3、上电极5、进料管6、测温部件7。
所述炉身1是一容器，本实施例是由U型槽和两个端板焊接而成的槽状容器。如图2所示，所述加热炉体内设有搅拌轴101，贯穿U型槽两端的端板，并与端板外侧的驱动装置107连接。端板内侧设有隔板105和隔板106，端板外壁和隔板之间设有保温层，隔板105和隔板106之间的空间为容纳粉体物料的工作区域。所述搅拌轴101由三段轴串联而成，中间段轴上设有上设有梨刀或刮板或螺带，其作用为是输送粉体物料并使粉体物料均匀混合；粉体物料工作区域的最上端定义为粉体物料平面12，粉体物料平面12的下方、搅拌轴101的上方，设有下电极。搅拌轴101与炉身1之间通过绝缘件连接；与粉体物料接触的U型槽的壳体上布置有加热元件1010，本实施采用电阻丝加热，加热元件外层布置保温层。
所述炉盖2设置在炉身1上方，炉盖2上至少设有一个真空管道3，真空管道3底部设置有进气口，进气口伸入炉身内；炉盖2上至少设有一个法兰窗口201，至少设有一个上电极5，每个法兰窗口201上设有带通孔的绝缘盖板11；上电极5穿过绝缘盖板11的通孔，并固定在绝缘盖板11上；每个绝缘盖板11下方设有绝缘型保温层4，上电极5的数量可大于或等于法兰窗口的数量，即可多个上电极5公用一个法兰窗口201。所述炉盖2为可通循环冷却水的夹层不锈钢结构，内侧设有轻质材料保温层。炉盖上还设有用于检测物料水平高度的粉体物料平面检测装置13。
上电极5底部设有上电极板501，上电极板501上设有至少一个布气通孔，上电极5顶部设有进气接头503；工作气体通过进气接头503、进气管502、上电极板501上的布气孔进入炉膛；所述进气接头503与干路阀门507、气体流量计504串联连接；所述干路气体流量计504进气端设有至少两个支路气体流量计。上电极板501下端面为平面或球面或圆弧面或它们之间的任意组合。
所述下电极20与上电极对应设置，由下电极板2001、连杆2002、绝缘连接件2003、套管2004、端板2005组成；所述下电极板2001设置在上电极板501下方位置，下电极板2001与上电极板501平行，上电极板501在粉体物料平面12的上方，下电极板2001在粉体物料平面12的下方；所述连杆2002一端与下电极板2001连接，另一端与端板2005连接；所述下电极20通过端板2005与外部震动装置21连接，即下电极板2001在外部震动装置21的驱动下做往复震动。所述下电极20通过端板2005、套管2004、绝缘连接件2003与加热炉体炉身1之间连接，绝缘连接件用于下电极与炉身的绝缘。所述套管2004中至少设有一段软管。下电极板2001上端面为平面；工作时，下电极板2001与水平面呈一定夹角，如图3所示，下电极板沿物料流动方向的高度逐渐降低，搅拌轴101搅动物料转动，使物料沿搅拌轴转动方向翻腾转动，下电极板在水平方向上，上游的一端高度高于下游一端的高度，翻腾的物料从下电极板2001与炉身之间的缝隙进入下电极板上端面，在下电极板震动下物料从较高一端向较低一端运动，最终落入搅拌区内；如图3所示的搅拌轴逆时针转动，此时物料逆时针流动，在下电极板上端面呈从右向左流动，下电极板右高左低；搅拌轴顺时针旋转则相反。所述震动装置21采用常规机构（如电动、气动、液动等）即可，本实施例采用震动电机。搅拌轴搅动粉体物料定向流动并沿着导流板进入下电极板上的布料孔，进入上电极和下电极之间的电离区域，设置导流板可以将物料通过下电极板的布料孔进入电离区域，不设导流板物料沿着切线方向逃逸，大部分物料难以通过布料孔。下电极板2001上端面设为球形和弧形，落在上端面上的物料在震动下，容易滑落入炉体内，再通过搅拌轴循环。
加热炉体外侧设有支架10，称重传感器9布置于加热炉体炉身1与其炉体支撑架10之间，对加热炉体予以支撑；或称重传感器9布置于地面上，对加热炉体和炉体支撑架10予以支撑。通过称重传感器9的称重，可以控制物料的干燥程度和反应程度。物料干燥时，通过观察重量的变化，判断水份是否干燥完毕；物料反应时，通过重量变化，判断与物料反应的气体的重量，进而判断物料表面粘结元素的多少。
所述支撑架与炉身之间设有摆动机构，摆动机构驱动炉身左右摆动，即加热炉体在炉体支撑架10的作用下，可处于左高右低、或右高左低、或左右水平三种状态或三种状态之间往复摆动。采用现有常规摆动机构即可，本实施例所述摆动机构采用电机实现，电机带动减速机，减速机的轴连接支撑架的轴109，控制减速机正负转动，驱动支撑架左右摆动。如图4所示，炉身的摆动可以配合物料在下电极板上的流动，搅拌轴搅拌方向变动时，可以调整炉身的摆动角度，调整下电极板左右两端的高度差，如搅拌轴逆时针转动时，下电极板右高左低，当搅拌轴改为顺时针转动时，可以通过摆动炉身偏转方向，使下电极板变为左高右低。
加热炉体通过出料管104与冷却炉体8连接，热炉体与冷却炉体8之间的粉体物料输送管道至少设有一段软管108，炉身左右摆动时，有软管的连接，不会影响到冷却炉体8的稳定。
真空管道3内设有至少一个阻止粉体物料通过的可拆卸的、可上下调节的用于炉内气体通过的粉尘过滤器301，粉尘过滤器301通过连杆304固定在真空管道3上方的固定板上；真空管道3与真空装置305相通，多个真空管道3可连接同一真空装置；所述真空管道3与上分别设有真空计303和真空计202。。所述真空管道3中的粉尘过滤器301的形状包括平面状或球面状或桶状。所述真空管道3可上下移动，即底部出气口可设置在粉体物料平面12下方，也可向上移动到粉体物料平面12的上方，工作时出气口必须在物料下面，才能保证进入的工作气体与物料接触。真空管道3上下移动的实现方式上，本实施例采用真空波纹管，在真空管道3与炉盖连接处设置波纹管，真空管道外侧设置调节螺栓，通过螺栓可以使真空管道3上下移动。也可以使用其他现有的技术实现上下移动功能。
所述上电极5和下电极20分别与射频电源（交流）14的两个输出电极相连；或上电极5和下电极20分别与直流电源15的两个输出电极相连；或上电极5和下电极20分别与射频电源（交流）14的两个输出电极和直流电源15的两个输出电极相连，即加热炉体同时与射频电源（交流）14和直流电源15相连。上下电极板带电后，上下电极板之间的区域形成电离工作区。上下电极单独连接射频电源（交流）时，可以获得较高的频率以降低等离子启弧电压，单独相连直流电源时，可以获得方向稳定的电离场，同时连接直流电源和射频电源，可以兼顾两者优势，优选为两者同时并联连接。
所述冷却炉体8通过下料管与加热炉体相连，炉盖804上设有排气管807，炉体内垂直设有搅拌轴801，冷却炉体8通过底部出料管810与炉外包装装置相通。所述冷却炉体8的炉壳为可通循环冷却水的夹层不锈钢结构。
真空管道3、进料管6、出料管104、出料管810上均设有至少一个真空阀门。
所述测温部件7为热电偶或光学测温探头。
炉内设有用于检测粉体物料平面的检测装置13，本实施例检测装置13为接触式传感器，其他实施例采用非接触式传感器。
本发明的具体工作方式如下：
加工艺要求，采用硅烷+氢气体系，在碳或石墨粉体颗粒表面沉积纳米硅。
真空管道3及其真空装置305运转至低真空状态，开启转轴101到低速干燥状态，加热炉体的电阻加热元件对粉体进行加热干燥，干燥完毕后，调节真空装置到高真空状态，使炉内真空度达到工艺要求；打开射频电源和\或直流电源，此时上下电极分别带有正负电荷，形成等离子所需的电场，由干路气体流量计504及其支路气体流量计按工艺要求顺序通入氢气和硅烷气体，此时炉膛上下电极之间处于等离子状态，由于真空管道底部进气口在粉体物料中，气体必须通过粉体物料才能进入真空通道，促使气体中的有效成分硅沉积至粉体物料颗粒表面，而排出炉外的气体只有氢气，同时提高转轴101转速到工艺值，使粉体物料与工作气体充分、均匀接触。由于本反应炉将粉体定向流动并充分搅拌，工作气体电离和热分解完全，工作气体中的有效成分-硅，以纳米颗粒形式与碳（石墨）粉体物料充分、均匀接触并粘结牢固；在称重传感器、流量计的精确度量下，可精确控制硅在碳（石墨）中的比例；氢气与硅烷同时注入，起到稀释硅烷气体的作用，根据工艺要求，可以调节氢气和硅烷气体的配比比例。粉体物料热处理完成后流经冷却炉体8，进行冷却后送出炉外。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例上电极设置在炉身上端，上电极板与下电极上下对应平行设置，构成上下电极工作区域。
实施例3
与实施例1不同的是，本实施例加热元件为电磁感应加热。此种加热模式，电磁感应装置设置在保温层外侧。
实施例4
搅拌轴101与下电极之间设有导流板30，如图5所示，导流板的顶部连接下电极板的两端，呈喇叭形罩在搅拌轴上部，导流板作用是将搅拌轴搅起的物料导向下电极板上端，由于物料在搅拌轴带动下随搅拌齿转动，设置导流板可以避免物料向下电极板下端面流动，使物料尽可能多的进入下电极上端面。
上述实施方式只是对本发明的进一步解释与说明，而并非对本发明的限定。对于本发明所属领域的普通技术人员，在上述发明构思的基础上所作出的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (18)

1.一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，包括加热炉体，所述加热炉体包括炉身（1）和炉盖(2)；所述炉身（1）为一容器，内设搅拌轴（101），炉身外设有驱动装置（107）用于驱动搅拌轴（101）；炉身（1）上设有加热元件（1010）和保温层；所述炉盖（2）设置在炉身（1）上方，炉盖内侧设有保温层；炉盖（2）上至少设有一个真空管道（3），真空管道底部设有进气口，进气口伸入炉身内，真空管道（3）连接抽真空装置（305）；
所述炉身内设有上电极（5）和下电极（20），所述上电极（5）底部设有上电极板（501），上电极板（501）上设有至少一个布气通孔，所述布气孔连接进气管（502）和进气接头（503），工作气体通过进气接头（503）、进气管（502）和上电极板（501）上的布气孔进入炉身内；所述下电极（20）设置在上电极下方，下电极包括下电极板（2001）、连杆（2002），所述下电极板（2001）与水平面呈一定夹角，所述下电极板（2001）通过连杆（2002）连接有震动装置（21）；
所述上电极（5）和下电极（20）分别与射频电源（14）的两个输出电极相连或/和直流电源（15）的两个输出电极相连。
2.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述上电极（5）设置在炉盖(2)或炉身（1）上，所述上电极与炉盖(2)或炉身（1）之间绝缘。
3.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述下电极(20)还包括套管（2004）、端板（2005），所述连杆（2002）一端与下电极板（2001）连接，另一端与端板（2005）连接；所述下电极（20）通过端板（2005）与外部震动装置（21）连接，下电极板（2001）在外部震动装置（21）的驱动下震动。
4.根据权利要求3所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述下电极(20)设置在搅拌轴（101）上方和上电极(5)的下方，所述上电极板（501）和下电极板（2001）平行设置。
5.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述下电极板（2001）沿物料流动方向高度逐渐降低。
6.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，炉体上还设有称重传感器（9）；所述称重传感器（9）布置于加热炉体炉身（1）与其炉体支撑架（10）之间，或布置于地面上对加热炉体和炉体支撑架（10）予以支撑。
7.根据权利要求6所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述炉身外部设有支撑架（10）；所述支撑架（10）连接摆动装置，所述摆动装置驱动炉身左右晃动。
8.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，下电极板上连接有导流板。
9.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，还包括冷却炉体（8），所述冷却炉体（8）通过出料管（104）与加热炉体连接；所述冷却炉体（8）的炉盖（804）上设有排气管（807），炉体内设有搅拌轴（801），冷却炉体（8）通过底部出料管（810）卸料。
10.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述冷却炉体（8）的炉壳为夹层结构，夹层内循环冷却水。
11.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，炉盖（2）上至少设有一个法兰窗口（201），每个法兰窗口（201）上设有带通孔的绝缘盖板（11），上电极（5）穿过绝缘盖板（11）的通孔，并固定在绝缘盖板（11）上。
12.根据权利要求11所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，上电极(5）的数量大于或等于法兰窗口（201）的数量，即可多个上电极（5）共用一个法兰窗口（201）。
13.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述加热炉体的炉盖（2）上还设有用于检测物料水平高度的粉体物料平面检测装置（13）。
14.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述进气接头（503）上连接干路气体流量计（504），所述干路气体流量计（504）进气端设有至少两个支路气体流量计。
15.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述真空管道（3）内设有至少一个阻止粉体物料通过的粉尘过滤器（301），粉尘过滤器（301）通过连杆（304）固定在真空管道（3）上方的固定板上。
16.根据权利要求15所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述真空管道（3）可上下移动，底部进气口可移动至粉体物料平面上部或下部。
17.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，炉身上设有测温部件（7），所述测温部件为热电偶或光学测温探头。
18.根据权利要求1所述的一种粉体专用真空气相沉积炉，其特征在于，所述炉身加热元件为电阻加热、感应加热或燃料加热。
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