CN115055140A - 一种循环一体式同轴dbd粉体包覆装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种循环一体式同轴DBD粉体包覆装置设置旋风分离器，旋风分离器上方设有顶盖，顶盖和外壳连接，顶盖中包含出气管，外电极下方设置有底座，底座内含进气管，混气腔分别和第一高压气瓶、鼓泡法装置连接，进气管包裹纳米薄膜滤网嵌入接口部分，外径嵌入介质管中，底座通过内阶梯连接外壳，凸孔上设有多个开孔，多个开孔呈圆周阵列均匀布满凸孔外壁，外壳底部通过圆弧形连接体和进气管连接。本发明与传统液相包覆方法相比，无需繁琐的干燥程序且无废液污染，高效又环保。本发明采用了同轴DBD结合流动处理技术，提高了低温等离子体中活性粒子产生和输送的效率，粉体与活性成分接触更充分。
Description
技术领域
本发明属于粉体包覆领域，涉及一种循环一体式同轴DBD粉体包覆装置。
背景技术
当下芯片在变小的同时需容纳更多的电路和电源，因此需要更好的散热条件。绝缘基板的导热性是影响整体器件散热的关键。具有优异电学和粘接性能的环氧树脂EpoxyResin , EP已被广泛用作导热复合基板的基体材料，但是其导热系数低、热稳定性差等缺点，严重限制了其在热管理系统中的应用。EP基复合材料的热导率可以通过向其中引入兼具高导热及高绝缘性能的陶瓷粉体加以改善，如Si3N4、h-BN、AlN、TiN、SiC等。其中，氮化硼h-BN不仅具有高导热性、优异的抗氧化性和低介电常数，同时5~6eV的宽带隙也使其具有极高的电绝缘性能。因此h-BN成为了制备高导热EP基复合材料最有前途的候选填料之一。但将h-BN填料简单地随机分散在EP基体中时，由于其表面基团少，两者之间存在界面不相容的现象，导致复合材料的热导率提升不充分且绝缘性能下降，此外填料粉体由于粒径小、表面能高，容易团聚，导致其在聚合物基体内部分散不均匀。因此，通常需要对陶瓷粉体进行表面包覆处理来改变表面物化特性，从而提高填料与基体间的界面相容性及填料在基体中的分散性。
包覆无机粉体的方法有很多，如机械包覆法、水热法、溶胶-凝胶法、液相包覆法、微乳液原位合法及沉淀法等，这些方法有利于实现分子、原子水平上的均匀包覆，但其反应通常所消耗的表面活性剂及化学溶剂的量很多，也很难从获得的最后材料表面除去这些有机物，且不易控制、耗时长、伴随着废液污染，后续干燥工艺中化学废液残留和处理效率低始终是上述化学气相沉积方法所面临的难题。而且上述方法中多次使用各类化学试剂，造成大量浪费，且在接枝基团时由于粉体存在团聚问题，存在效率低，无法均匀包覆。因此，为了高效处理粉体，需要一种可以既提高粉体分散性又实现粉体表面包覆的技术方法。
等离子态是继固、液、气之后的物质第四态，其体系中富含高能电子、离子、激发态原子、自由基等活性成分，广泛用于新能源制备、环境保护、材料处理和航空航天等领域。大气压低温等离子体是一种利用气体放电在敞开大气压条件下产生的非平衡态等离子体，具有较高的化学活性和接近室温的气体温度，已经作为一种新型的分子活化手段，被应用于处理无机粉体、绝缘材料表面等材料中。
合理的反应器设计是提升活性粒子产生和运输效率的关键，也是等离子体包覆粉体的前提。根据放电原理的不同，常见的反应器可分为介质阻挡放电Dielectric BarrierDischarge, DBD型和射流型反应器两类。DBD通过在金属电极间插入阻挡介质的方式来避免电弧放电从而产生大面积的低温等离子体；射流放电则利用气流和电场的共同作用，将放电区域电离产生的活性粒子输送至敞开区域，有效地分离放电区域和待处理区域。DBD虽然可以产生大面积等离子体，但由于粉体静止平铺在电极上，存在处理量小，处理不均匀只有电极间表面粉体可被处理的问题，如果加入间断式搅拌处理又会增加处理步骤繁琐程度，且仍不能保证粉体的均匀处理；射流处于开放区域，处理粉体时粉体受气流影响会发生不可控飞散。因此，如何实现粉体的均匀处理，提高等离子体的处理效率，是粉体表面包覆领域关注的重点问题。
发明内容
1.所要解决的技术问题：
传统液相包覆法能使处理后的粉体获得完整稳定的包覆层，但存在干燥工艺繁琐、废液污染等问题。
现有等离子体流化床装置虽然可以使等离子体与粉体充分反应，但气体无序流动会造成粉体反混现象，导致流化效果不完全，这是目前等离子体流化床装置在粉体包覆领域应用不广的主要原因。
等离子体流动处理装置的驱动源多采用射频电源和微波管，且反应通常需要低气压条件，装置实用性不高。
2.技术方案：
为了解决以上问题，本发明提供了一种循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，包括设置在外壳内的同轴的内电极、介质管和外电极，所述内电极位于介质管内，所述外电极位于介质管外，所述内电极接高压，所述外电极接地，通电时所述介质管与内电极之间放电产生低温等离子体，所述介质管上方设置同轴的旋风分离器，介质管顶部与旋风分离器底部重合紧贴，所述旋风分离器上方设有顶盖，所述顶盖和外壳连接，所述顶盖的形状从上到下，截面积逐渐增大，所述顶盖中包含出气管，所述介质管下方设置有底座，所述底座内含进气管，所述进气管和混气腔连接，所述混气腔分别和第一高压气瓶、鼓泡法装置连接，所述第一高压气瓶内装有工作气体，鼓泡法装置内装有媒介，所述进气管接口部分处和顶盖处嵌入纳米薄膜滤网，所述底座通过内阶梯连接外壳，所述凸孔上设有多个开孔，多个所述开孔呈圆周阵列均匀布满凸孔外壁，所述外壳底部通过圆弧形连接体和所述进口管连接。
优选的，所述旋风分离器是直进直出形式，气固混合物从一侧进入，另一侧固体颗粒由于离心力作用沿内壁从环隙排出，气体从中间流出，所述旋风分离器的直径与介质管一致，所述旋风分离器的叶片空心处，所述内电极为实心圆头棒状，所述内电极插入叶片空心处。
优选的，所述叶片的角度为40-50度。
进一步，还包括第一固定环和第二固定环，所述第一固定环和第二固定环都包括内圈，四个支撑以及外圈，所述第一固定环位于旋风分离器与外壳之间，内圈内径与旋风分离器外径一致，外圈外径与外壳内径一致；第二固定环位于内电极与介质管之间，内圈内径与内电极直径一致，外圈外径与介质管内径一致。
进一步，所述外壳设有孔，所述孔是使得外电极接线引出，后通过热熔胶密封处理。
优选的，所述外电极紧裹于所述介质管上，为细密网状。
优选的，所述内电极接的高压为激励源，所述激励源为高频交流电源，放电电压可调1~9 kV，频率可调0~5 kHz；或纳秒脉冲电源，设置上升沿、下降沿、脉宽、放电电压、频率来调整电源参数。
优选的，所述工作气体为Ar惰性气体，所述媒质为含Si媒质。
进一步，所述第一高压气瓶和混气腔之间设有流量计，所述鼓泡法装置和混气腔之间设有流量计和单向阀。
3.有益效果：
本发明与传统液相包覆方法相比，无需繁琐的干燥程序且无废液污染，高效又环保。本发明采用了同轴DBD结合流动处理技术，提高了低温等离子体中活性粒子产生和输送的效率，粉体与活性成分接触更充分。本发明融合了旋风分离器技术，通过设计出与同轴DBD电极相匹配的旋风分离器，保证了气固两相的有序流动与分离，避免了反混现象；循环一体式的设计与普通同轴DBD相比能让反应不间断进行，促进处理效率的提升；该装置能在大气压条件下工作，具备较高的实用性。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
图2是反应器装置部分结构图。
图3是固定环示意图。
图4是旋风分离器示意图。
图5是旋风分离器流场仿真图。
图6是同轴DBD反应装置示意图。
图7是装置整体外壳示意图。
图8是顶盖与出气管示意图。
图9是底座示意图。
图10是同轴DBD等离子体反应装置的工作原理图。
附图标记说明：1.出气管；2.顶盖；3.第一固定环；4. 旋风分离器；5.内电极；6.介质管；7.外电极；8.开孔外壳；9.第二固定环；10.底座；11.进气管；12.尾气室；13.单向阀；14.流量计；15.混气腔；16.第一高压气瓶；17.鼓泡法装置；18.激励电源；1001. 内阶梯；1002.凸孔外径；1003.开孔；1004. 圆弧形连接体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
如图1所示，一种循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，包括设置在外壳8内的同轴的内电极5、介质管6和外电极7，所述内电极5位于介质管6内，所述外电极7位于介质管6外，所述内电极5接高压，所述外电极7接地，通电时所述介质管6与内电极5之间放电产生低温等离子体。所述介质管6上方设置同轴的旋风分离器4，介质管6顶部与旋风分离器4底部重合紧贴，所述旋风分离器4上发设有顶盖2，所述顶盖2和外壳8连接，所述顶盖2的形状从上到下，截面积逐渐增大，所述顶盖2中包含出气管1，所述介质管6下方设置有底座10，所述底座10内含进气管11，所述进气管11和混气腔15连接，所述混气腔15分别和第一高压气瓶16、鼓泡法装置17连接，所述第一高压气瓶16内装有工作气体，鼓泡法装置17内装有媒质，所述进气管11包裹纳米薄膜滤网嵌入接口部分，凸孔外径1002嵌入介质管6中，所述底座10通过内阶梯1001连接外壳8，所述凸孔上设有多个开孔1003，多个所述开孔1003呈圆周阵列均匀布满凸孔外壁，所述外壳8底部通过圆弧形连接体1004和所述进口管11底部连接。
粉末放置在进气管11上包裹的纳米薄膜滤网上，为粉末初始放置位置。在一定流速的气体吹动下，粉末有序通过放电区域，这有助于提高等离子体对粉末的包覆效果。同时，内电极5、气隙、介质管6与外电极7为粉体流动提供了完整的回路。具体的回路如图2所示：通入气体时粉末随气流流经放电区域与等离子体充分接触进行粉末包覆反应，粉末从电极放电区域到达分离器实现气固分离后，沿顶盖半球形表面滑落到外壳层中，受重力作用向下运动，最后经底部小孔落回内部石英介质管中，循环此过程。
如图10所示，当激励源18输出端提供一个幅值4 kV~8 kV、频率0~5 kHz的高压脉冲或者高频交流电压时，可以击穿外电极、介质管与内电极之间的气体间隙，产生大气压低温等离子体。在产生低温等离子体过程中，气体中的Ar、HMDSO和NH3分子被电离产生ArⅡ +、Si和NH2等活性粒子，这些粒子在放电区域对粉末进行表面包覆。通过将同轴DBD放电区域与旋风分离器相结合，利用气固两相经过旋风分离器时的惯性差异达到气固分离的目的，从而实现对纳米颗粒的有序循环流动处理，以提升等离子体放电活性粒子与颗粒表面的接触面积和频率。
在一个实施例中，所述内电极5连接高压是激励源18，激励源18可选用高频交流电源，放电电压可调1~9 kV，频率可调0~5 kHz；或选用纳秒脉冲电源，设置上升沿、下降沿、脉宽、放电电压、频率来调整电源参数。出气管1和尾气室12连接，尾气室12用于收集排出的废气。
在一个实施例中，第一高压气瓶16和鼓泡法装置17分别装有工作气体和反应媒质，工作气体拟采用Ar惰性气体。为了降低粉末与聚酰亚胺之间的极性差异，主要采用含Si媒质，如HMDSO和TMS等。对于气态媒质直接将其和工作气体通过混气腔15混合后通入放电区域，对于液态媒质则由工作气体将其带入放电区域，通过流量控制器14调节反应媒质和工作气体的配比，单向阀13用于防止气体倒吸，保证气体单向通入。
在一个实施例中，如图3所示，第一固定环3和第二固定环9，二者由环氧树脂材料制成，主要用于支撑固定内电极5和旋风分离器4。第一固定环3和第二固定环9都是由内圈，四个支撑以及外圈构成，较细长的支撑保证气流与粉末顺利通过。第一固定环3位于旋风分离器4与开孔外壳8之间，内圈内径与旋风分离器外径一致，外圈外径与外壳内径一致；第二固定环9位于内电极5与介质管6之间，内圈内径与内电极直径一致，外圈外径与介质管内径一致。
如图4所示，旋风分离器4，由透明环氧树脂制成，它的功能是进行气固分离，采用新型轴流型旋风分离器，是直进直出形式，气固混合物从一侧进入，另一侧固体颗粒由于离心力作用沿内壁从环隙排出，气体从中间流出。
分离器叶片角度为40-50度，优选45度后通过仿真验证，如图5所示，本装置可以实现气固的有序流动，在一体化装置内循环往复，提高处理效率。旋风分离器直径与介质管6一致，叶片空心处，内电极5可插入固定，使得介质管与其一侧底面重合，便于密封处理，防止粉末露出。
如图6所示，在一个实施例中，内电极5和外电极7均为不锈钢材质，内电极5直径3-5 mm，为实心圆头棒状，可以避免极不均匀电场引起的放电不均匀，外电极7长度5-7 cm，紧裹于介质管上，为细密网状。介质管6为石英玻璃材质，内径10 mm，厚度1 mm，长10 cm，反应时竖直放置，内电极5突出位置与旋风分离器4相接，介质管6顶部与旋风分离器4底部重合紧贴，进行密封处理。
如图7所示，外壳8主要功能是使粉末在重力作用下回落至底部，通过底座10回到粉末初始放置位置。顶盖2底部外径与外壳8顶部内径一致，外壳8底部外径与底座10顶部内径一致，所示外壳8设有孔，设有孔的目的是使得外电极接线引出，后通过热熔胶密封处理。
如图8所示，所述顶盖2的形状从上到下，截面积逐渐增大，所述顶盖2中包含出气管1，在一个实施例中，所述顶盖2为半球形，粉末从电极放电区域到达分离器实现气固分离后，沿顶盖半球形表面滑落到外壳层中，受重力作用向下运动，最后经底部小孔落回内部石英介质管中。
在一个实施例中，所述顶盖2表面也设有纳米薄膜滤网，阻挡粉末从出气管流出。
如图9所示，底座的材质为透明环氧树脂材料，由底座10内含进气管11。进气管接口内径5-7 mm，包裹纳米薄膜滤网嵌入接口部分，粉末放置在纳米薄膜上，为粉末初始放置位置。所述底座10通过内阶梯1001连接外壳8，所述内阶梯1001上设有多个开孔1003，所述进气管外径与介质管6内径一致，嵌入介质管中。开孔1003直径1-2 mm，呈圆周阵列均匀布满凸体外壁，主要功能是使粉末经过回到初始位置。所述外壳8底部通过圆弧形连接体1004和所述进气管11连接。圆弧形连接体1004呈1/4圆弧状，使得粉末在重力作用下沿弧线滑入开孔位置。
本发明提供了的循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，该装置可在大气压条件下运行，实用性高；装置全部可灵活拆卸，易清洗。本发明将轴流式旋风分离器与同轴DBD电极相结合，通过对旋风分离器进行参数匹配设计，实现气固分离及对粉体的循环处理。本发明设计的一体式循环结构能引导气流与粉体有序流动，规避了等离子体流化床中的反混现象；此外，该循环结构与普通同轴DBD相比还能让反应不间断进行，促进处理效率的提升。
Claims (9)
1.一种循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，包括设置在外壳（8）内的同轴的内电极（5）、介质管（6）和外电极（7），所述内电极（5）位于介质管（6）内，所述外电极（7）位于介质管（6）外， 所述内电极（5）接高压，所述外电极（7）接电，通电时所述介质管（6）与内电极（5）之间放电产生低温等离子体，其特征在于：所述介质管（6）上方设置旋风分离器（4），介质管（6）顶部与旋风分离器（4）底部重合紧贴，所述旋风分离器（4）上发设有顶盖（2），所述顶盖（2）和外壳（8）连接，所述顶盖（2）的形状从上到下，截面积逐渐增大，所述顶盖（2）中包含出气管（1），所述介质管（6）下方设置有底座（10），所述底座（10）内设有凸孔，所述凸孔外径（1002）上方嵌入介质管（6）中，所述凸孔下方和含进气管（11）连接，所述进气管（11）的另一端和混气腔（15）连接，所述混气腔（15）分别和第一高压气瓶（16）、鼓泡法装置（17）连接，所述第一高压气瓶（16）内装有工作气体，鼓泡法装置（17）内装有媒质，所述进气管（11）接口部分处和顶盖（2）处嵌入纳米薄膜滤网，所述底座（10）通过内阶梯（1001）连接外壳（8），所述凸孔上设有多个开孔（1003），多个所述开孔（1003）呈圆周阵列均匀布满凸孔外壁，所述外壳（8）底部通过圆弧形连接体（1004）和所述进口管（11）连接。
2.如权利要求1所述的循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，其特征在于：所述旋风分离器（4）是直进直出形式，气固混合物从一侧进入，另一侧固体颗粒由于离心力作用沿内壁从环隙排出，气体从中间流出，所述旋风分离器（4）的直径与介质管（6）一致，所述旋风分离器（4）的叶片空心处，所述内电极（5）为实心圆头棒状，所述内电极（5）插入叶片空心处。
3.如权利要求2所述的循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，其特征在于：所述叶片的角度为40-50度。
4.如权利要求1所述的循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，其特征在于：还包括结构相同第一固定环（3）和第二固定环（9），所述第一固定环（3）包括内圈，四个支撑以及外圈，所述第一固定环（3）位于旋风分离器（4）与外壳（8）之间，内圈内径与旋风分离器外径一致，外圈外径与外壳内径一致；第二固定环（9）位于内电极（5）与介质管（6）之间，内圈内径与内电极直径一致，外圈外径与介质管内径一致。
5.如权利要求1所述的循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，其特征在于：所述外壳设有孔，所述孔是使得外电极接线引出，后通过热熔胶密封处理。
6.如权利要求1-5任一项权利要求所述的循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，其特征在于：所述外电极（7）紧裹于所述介质管（6）上，为细密网状。
7.如权利要求1-5任一项权利要求所述的循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，其特征在于：所述内电极（5）接的高压为激励源（18），所述激励源（18）为高频交流电源或纳秒脉冲电源。
8.如权利要求1-5任一项权利要求所述的循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，其特征在于：所述工作气体为Ar惰性气体，所述媒质为含Si媒质。
9.如权利要求1-5任一项权利要求所述的循环一体式同轴DBD粉体包覆装置，其特征在于：所述第一高压气瓶（16）和混气腔（15）之间设有流量计（14），所述鼓泡法装置（17）和混气腔（15）之间设有流量计（14）和单向阀（13）。
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