CN113122821B - 一种搅拌式粉体真空气相沉积炉 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，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、进料管、测温部件；所述加热炉体内设置有弧形凹槽，凹槽内布置搅拌轴；炉盖上设有上电极，炉身内设有下电极。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，具有效率高，反应快的优点。

Description

一种搅拌式粉体真空气相沉积炉
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：
一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，包括加热炉体、冷却炉体（8），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，内设置多个弧形凹槽，每个弧形凹槽内设一个搅拌轴（101），炉身外设有驱动装置（107）用于驱动搅拌轴（101）；炉身（1）设有加热元件（1010）和保温层；
所述炉盖（2）设置在炉身（1）上方，炉盖设有保温层；炉盖（2）上至少设有一个真空管道（3），真空管道（3）底部设有进气口，所述进气口伸入炉膛，真空管道（3）连接抽真空装置（305）；
炉身（1）内设有上电极和下电极，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，所述布气通孔连接进气管（502）、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；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），所述下电极板（2001）通过连杆（2002）连接有震动装置（21），物料在搅拌轴搅动下进入下电极板上端面，在上端面上流动；
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，所述相邻搅拌轴轴心距离小于两个搅拌轴搅拌齿的长度和，相邻两个搅拌轴的齿交错设置，并以相同速度转动。
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）与震动装置（21）连接的一端设有端板（2005），所述下电极（20）通过端板（2005）与震动装置（21）连接，下电极板（2001）在震动装置（21）的驱动下震动。
进一步地，所述下电极板（2001）与水平面呈一定夹角，沿物料流动方向高度降低。
进一步地，所述下电极板（2001）上设有布料通孔，下电极板上端面中间高两端低。
进一步地，所述下电极设置在搅拌轴（101）上方与上电极的下方，所述上电极板（501）和下电极板（2001）平行设置。
进一步地，所述炉身外部设有支撑架（10）；炉体上还布置有称重传感器（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）内设有至少一个粉尘过滤器（301）。
进一步地，炉身上设有测温部件（7）。
进一步地，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）与加热炉体之间的出料管（104）数量不少于搅拌轴（101）数量。
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。
通过所述搅拌轴（101）旋转、下电极板（2001）震动，使粉体物料流动形成大小两个循环回路。大循环回路是，粉体物料在搅拌轴搅动下，被搅拌轴上的梨刀、刮板或螺带卷起，在弧形凹槽边缘作用下，物料向上飞扬，透过下电极板上的布料孔或下电极边缘缝隙进入上电极上方与上电极板（501）下方的气相沉积区域，下电极振动，将落在下电极上的物料从边缘振动进入炉身的凹槽内，再被卷起，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负极板，可不断传输粉体物料并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）通过炉体内弧形凹槽使粉尘通过下电极板的布料孔进入电离区域，并配合下电极震动，使粉体不断在上下电极之间循环，使粉体物料沉积或包覆均匀。
（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为本发明所提供多搅拌轴粉体真空气相沉积炉正视图；
图2为冷却炉体为多搅拌轴粉体真空气相沉积炉侧视图；
图3为本发明所提供中间上料多搅拌轴粉体真空气相沉积炉；
图4为本发明所提供一端上料多搅拌轴粉体真空气相沉积炉。
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，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。所述加热炉体内设有两个弧形凹槽，每个凹槽内布置一个搅拌轴101，两个搅拌轴的轴心距离略大于两个搅拌轴的半径之和，搅拌轴能将凹槽内放置的物料卷起，在凹槽边缘作用下物料向下电极板飞扬；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。炉身壁上设有加热元件1010，本实施例为电阻加热，U型槽壳体外部设有加热电阻丝。加热元件外侧设置保温层。
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底部设有进气口，进气口通入炉膛；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，上方设有具有防爆作用的压紧弹簧1101。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2内侧设有保温层。
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。其他实施例中，进气接头503不设在上电极顶部，与电极分开设置，能方便通入气体为佳。
所述下电极20与上电极对应设置，包括下电极板2001、连杆2002、绝缘连接件2003、套管2004、端板2005；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，下电极板2001上布置有布料通孔；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的驱动下做震动；所述下电极20通过绝缘连接件2003与加热炉体炉身1之间绝缘连接；所述套管2004中至少设有一段软管。所述震动装置采用常规现有装置即可，本实施例采用震动电机。下电极板2001上设有布料通孔，下电极板2001的上端面优选为弧形、球形、人字形或锥形，中间高两侧低，方便物料在震动下落入炉身下部的搅拌区；下电极板2001的上端面也可为平面。
本实施例中弧形凹槽设置两个，左边的搅拌轴逆时针旋转，右边的搅拌轴顺时针旋转，两个弧形凹槽之间的弧形边是物料上扬的一端，物料在搅拌轴转动下沸腾，通过布料通孔进入下电极上端面，进入电离区域，如图3所示，由于上端面中间高两侧低，物料在下电极板引导下向电极板两侧流动，在电极板上震动下，从两侧落入搅拌区内，再次循环。加热炉体与冷却炉体8之间的出料管104数量大于或等于搅拌轴101数量，即每个搅拌轴至少对应设置一个出料管，本实施例设有两个出料管，每个凹槽底部设置一个。
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。
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。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。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。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，但工作时进气口必须在粉体物料平面下部，使气体与物料能够充分接触。本实施例采用波纹管实现真空管道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14（交流）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14（交流）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14（交流）和直流电源15相连。上下电极通电流后，之间的区域构成电离工作区域。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。
所述加热炉体与冷却炉体8之间的出料管104数量大于或等于搅拌轴101数量，即每个搅拌轴直接对应设置一个出料管。所述冷却炉体8的炉盖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的炉壳为夹层结构，夹层内循环冷却水。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。
测温部件7为热电偶或光学测温探头。
炉身内还设有测量物料平面的检测装置，所述检测装置采用接触式传感器。
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，开启搅拌轴低速转动，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，同时提高搅拌轴运转速度到工艺值，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充分搅拌并定向流动，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，根据工艺需求，可以调节氢气和硅烷气体的配比关系。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
炉身1内设有多个弧形凹槽，每个凹槽内设置一个搅拌轴，搅拌轴在驱动装置驱动下转动，与实施例1不同之处在于，下电极板2001与水平面呈一定夹角，一端高一端低。多个搅拌轴旋转方向一致，最边缘的搅拌轴负责上料，上料一端的下电极板高度高。本实施中搅拌轴均逆时针旋转，物料从右侧上料，下电极板右高左低，物料在右一搅拌轴搅动下从右侧进入下电极板上端面，在震动下流向另一端，从左端落入下部的左一搅拌轴的弧形凹槽内，搅拌轴搅动，将物料搅动至相邻的左二搅拌轴凹槽，依次类推，物料又重新进入右一的搅拌轴凹槽内重新上料，物料依次循环。由于搅拌轴的功率有限，采用一个搅拌轴时，物料无法装填太多，采用此种多搅拌轴结构，可以将物料分散搅拌，循环流动，产能较大。搅拌旋转方向相反，电极板的倾斜方向也做相应的调整。相邻的两个搅拌轴之间的轴心距离小于或等于其半径和，两个搅拌轴的搅拌齿交替等速转动，搅拌齿互不干涉。此种结构与轴心距离大于半径和的结构相比，物料搅拌更加充分。
实施例3
本实施例与实施例1不同地方在于，上电极设置在炉身上端，上电极板与下电极上下平行对应设置，构成上下电极工作区域。
实施例4
本实施例与实施例1不同地方在于，加热元件感应加热，U型槽壳体外壁设置保温层，保温层外侧设置电磁感应加热装置。
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 (16)

1.一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，包括加热炉体、冷却炉体(8)，所述加热炉体包括炉身(1)和炉盖(2)；所述炉身(1)为一容器，容器内设置多个弧形凹槽，弧形凹槽内设有搅拌轴(101)，炉身外设有驱动装置(107)用于驱动搅拌轴(101)；炉身(1)设有加热元件(1010)和保温层；
所述炉盖(2)设置在炉身(1)上方，炉盖设有保温层；炉盖(2)上至少设有一个真空管道(3)，真空管道(3)底部设有进气口，所述进气口伸入炉身内，真空管道(3)连接抽真空装置(305)；
炉身(1)内设有上电极和下电极，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，所述布气通孔连接进气管(502)、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)上的布气孔进入炉身内；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)通过连杆(2002)连接有震动装置(21)，物料在所述搅拌轴(101)搅动下进入下电极板(2001)上端面，在上端面上流动；
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；
有两个相邻的所述弧形凹槽中的搅拌轴向相反的方向转动，两个弧形凹槽之间的弧形边是物料上扬的一端，所述上电极板(501)设在粉体物料平面(12)的上方，下电极板(2001)在粉体物料平面(12)和搅拌轴(101)之间，物料在炉身内同时形成大小两个循环，大循环是物料在搅拌轴转动下沸腾，进入下电极上端面，进入电离区域，在下电极板震动下落入搅拌区内，并再次循环流动，小循环是物料在搅拌轴作用下在下电极板下方循环流动。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，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。
3.根据权利要求2所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，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。
4.根据权利要求2所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，所述冷却炉体(8)与加热炉体之间的出料管(104)数量不少于搅拌轴(101)数量。
5.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，所述下电极板(2001)与水平面呈一定夹角，沿物料流动方向高度降低。
6.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，所述下电极板(2001)上设有布料通孔，下电极板上端面中间高两端低。
7.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，所述相邻搅拌轴轴心距离小于两个搅拌轴半径之和，相邻两个搅拌轴的搅拌齿交错转动。
8.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，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。
9.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，所述下电极还包括套管(2004)、端板(2005)，所述连杆(2002)与震动装置(21)连接的一端设有端板(2005)，所述下电极(20)通过端板(2005)与震动装置(21)连接，下电极板(2001)在震动装置(21)的驱动下震动。
10.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，所述炉身外部设有支撑架(10)；炉体上还布置有称重传感器(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。
11.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，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所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，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所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，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。
14.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，所述真空管道(3)内设有至少一个粉尘过滤器(301)。
15.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，炉身上设有测温部件(7)。
16.根据权利要求1所述的一种搅拌式粉体真空气相沉积炉，其特征在于，加热元件为电阻加热、感应加热或燃料加热。
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