CN117598032A - 使用微波等离子体生产具有期望特性的材料的系统、方法和设备 - Google Patents

Abstract

本文中公开的实施例涉及使用微波等离子体生产具有期望特性的材料的系统、方法和设备。在一些实施例中，执行迭代过程可用于产生具有期望特性的材料，该过程包括：在反应室内形成微波等离子体，分析等离子体以确定等离子体的特性是否在预期产生材料的期望特性的范围内；以及基于对等离子体的分析来调节所述参数中的一者或多者。在一些实施例中，在微波等离子体装置内提供延伸管以延伸微波等离子体的长度。

Description

使用微波等离子体生产具有期望特性的材料的系统、方法和 设备

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2021年6月30日提交的美国临时申请号63/202,921以及于2022年2月2日提交的临时申请号63/267,469的优先权权益，每份申请的全部公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

在一些实施例中，本发明大体上涉及使用微波等离子体装置从原料生产材料。

背景技术

需要使用微波等离子体生产具有期望特性的材料的新型系统、方法和设备。

发明内容

出于该概述的目的，本文中描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。应当理解的是，并非所有这些优点都必须根据本发明的任何特定实施例来实现。因此，例如，本领域的技术人员将会认识到的是，本发明可以以实现本文中教导的一个优点或一组优点的方式来实施或执行，而不必实现本文中教导或建议的其它优点。

本文中的一些实施例涉及在微波等离子体中处理材料以产生材料的期望特性的方法，该方法包括：提供微波等离子体装置，该微波等离子体装置包括反应室；基于材料的期望特性来选择以下参数中的至少一者：微波功率、等离子体气体流率、等离子体气体类型、馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口尺寸、馈入材料入口形状、馈入材料入口数量、等离子体温度、旋流气体流率、旋流气体类型、或停留时间；执行迭代过程，包括：在反应室内形成微波等离子体；将馈入材料注入反应室内的气体流中，以将馈入材料引导到等离子体中以产生所得材料；分析所得材料以确定所得材料的特性是否在期望特性的阈值范围内；以及基于对所得材料的分析来调节所述参数中的一者或多者；以及重复迭代过程，直到所得材料的特性在期望特性的阈值范围内。

在一些实施例中，该方法还包括在调节所述参数中的一者或多者之前淬火(quench)微波等离子体。在一些实施例中，连续地形成微波等离子体，直到所得材料的特性在期望特性的阈值范围内。在一些实施例中，微波等离子体在反应室内包括一长度，微波等离子体至少部分地被管限制，该管在反应室内沿着等离子体的长度的一部分向下延伸。在一些实施例中，参数还包括：管材料、反应室或管的隔热(insulation)水平、管的涂层水平或管的几何形状。在一些实施例中，参数包括：微波功率、等离子体气体流率、旋流气体流率或粉末输送气体流率。在一些实施例中，参数包括等离子体气体类型或旋流气体类型。在一些实施例中，参数包括：馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口尺寸、馈入材料入口形状或馈入材料入口数量。

在一些实施例中，分析所得材料包括测量所得材料的球形度。在一些实施例中，材料的期望特性包括球形度并且阈值范围是高于90％的球形度。

本文中的一些实施例涉及在微波等离子体中处理材料以产生材料的期望特性的方法，该方法包括：提供微波等离子体装置，该微波等离子体装置包括反应室；基于材料的期望特性来选择以下参数中的至少一者：微波功率、等离子体气体流率、等离子体气体类型、馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口尺寸、馈入材料入口形状、馈入材料入口数量、等离子体温度、旋流气体流率、旋流气体类型、或停留时间；执行迭代过程，包括：在反应室内形成微波等离子体；分析等离子体以确定等离子体的属性(property)是否在预期产生材料的期望特性的范围内；以及基于对等离子体的分析来调节所述参数中的一者或多者；以及重复迭代过程，直到等离子体的属性在该范围内。

在一些实施例中，该方法还包括在调节所述参数中的一者或多者之前淬火微波等离子体。在一些实施例中，连续地形成微波等离子体，直到等离子体的属性在该范围内。在一些实施例中，微波等离子体在反应室内包括一长度，微波等离子体至少部分地被管限制，该管在反应室内沿着等离子体的长度的一部分向下延伸。在一些实施例中，参数还包括：管材料、反应室或管的隔热水平、管的涂层水平或管的几何形状。

在一些实施例中，参数包括：微波功率、等离子体气体流率、旋流气体流率、或停留时间。在一些实施例中，参数包括等离子体气体类型或旋流气体类型。在一些实施例中，参数包括：馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口尺寸、馈入材料入口形状或馈入材料入口数量。

本文中的一些实施例涉及在微波等离子体中处理材料以产生材料的特定特性的方法，该方法包括：提供微波等离子体装置，该微波等离子体装置包括反应室；形成微波等离子体，该微波等离子体在反应室内具有一长度，该微波等离子体至少部分地被管限制，该管在反应室内沿着等离子体的长度的一部分向下延伸；以及将馈入材料注入反应室内的气体流中，以将馈入材料引导到等离子体中而气体流不会上升到管中并淬火等离子体。

在一些实施例中，该方法还包括在反应室的内表面上提供不粘涂层。在一些实施例中，不粘涂层包括碳化钨、碳化铬或镍合金。在一些实施例中，该方法还包括搅动、振荡或振动管或反应室。在一些实施例中，随着管在反应室中向下延伸，管径向向外逐渐变窄。在一些实施例中，管包括在反应室中向下延伸的一个或多个柱形体积。在一些实施例中，所述一个或多个柱形体积被布置成阶梯形构造，使得随着管在反应室中向下延伸，每个接连的柱形体积包括比每个先前的柱形体积更大的直径。在一些实施例中，通过向微波等离子体装置提供微波功率来形成微波等离子体。在一些实施例中，管包括在反应室中向下延伸的一个或多个锥形体积。在一些实施例中，管包括在反应室中向下延伸的第一锥形体积和第二锥形体积。在一些实施例中，第一锥形体积的最宽部分连接到第二锥形体积的最宽部分。在一些实施例中，使用两个锥形体积进一步将等离子体与周围环境隔离，这可以防止热等离子体气体与反应室内相对较冷的气体混合，从而导致更均匀的等离子体温度梯度。在一些实施例中，更均匀的等离子体温度梯度可以产生更均匀的过程。更均匀的过程可以允许在材料处理期间改进材料的修整(tailoring)，从而导致可能更有效的过程。

在一些实施例中，该方法还包括增加提供给微波等离子体装置的微波功率。在一些实施例中，形成微波等离子体包括使一种或多种气体流入反应室中并使一种或多种气体暴露于微波功率。

在一些实施例中，该方法还包括改变一种或多种气体进入反应室中的流率。在一些实施例中，一种或多种气体包括氧气、氮气或稀有气体中的至少一种。在一些实施例中，管包括不锈钢。在一些实施例中，管或反应室利用陶瓷毡隔热。在一些实施例中，管包括的长度在12英寸和18英寸之间。在一些实施例中，管包括的直径在3英寸和24英寸之间。在一些实施例中，馈入材料包括钨、钛、不锈钢、铬镍铁合金625或铬镍铁合金718。

在一些实施例中，该方法还包括基于材料的特定特性选择以下参数中的一者：延伸管材料、反应室或延伸管的隔热水平、延伸管的涂层水平或延伸管的几何形状。

附图说明

提供附图是为了图示示例性实施例，而不是旨在限制本公开的范围。结合附图参考以下描述将领会到对本文中描述的系统和方法的更好理解，其中：

图1示出了根据本文中的一些实施例的可在材料生产中使用的微波等离子体炬(plasma torch)的实施例。

图2示出了根据本文中的一些实施例的可在材料生产中使用的微波等离子体炬的包括延伸管的下游部分的实施例。

图3示出了根据本文中的一些实施例的可在材料生产中使用的微波等离子体炬的包括延伸管的下游部分的另一实施例。

图4示出了根据本文中的一些实施例的可在材料生产中使用的微波等离子体炬的延伸管的实施例。

图5示出了根据本文中的一些实施例的可在材料生产中使用的微波等离子体炬的延伸管的另一实施例。

图6示出了根据本文中的一些实施例的可在材料生产中使用的微波等离子体炬的延伸管的另一实施例。

具体实施方式

尽管下文公开了某些优选实施例和示例，但发明主题超出具体公开的实施例而延伸到其它备选实施例和/或用途并且延伸到其修改和等同物。因此，所附权利要求的范围不受下文描述的特定实施例中的任一者的限制。例如，在本文中公开的任何方法或过程中，方法或过程的动作或操作可以以任何合适的顺序来执行并且不必然限于任何特定公开的顺序。各种操作可以依次以可能有助于理解某些实施例的方式描述为多个分立的操作；然而，描述的顺序不应解释为暗示这些操作是取决于顺序的。另外，本文中所述的结构、系统和/或设备可体现为整体结合的部件或分开的部件。为了比较各种实施例的目的，描述了这些实施例的某些方面和优点。不必然所有这样的方面或优点都由任何特定实施例实现。因此，例如，各种实施例可以以实现或优化如本文中所教导的一个优点或一组优点的方式来执行，而不必然实现如本文中也可教导或建议的其它方面或优点。

现在将描述某些示例性实施例以提供对本文中公开的设备和方法的结构、功能、制造和使用的原理的总体理解。在附图中示出了这些实施例的一个或多个示例。本领域中的技术人员将理解的是，本文中具体描述并且在附图中示出的设备和方法是非限制性示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施例示出或描述的特征可与其它实施例的特征组合。这样的修改和变型旨在包括在本技术的范围内。

本文中公开了使用微波等离子体处理(microwave plasma processing)用于由原料形成材料的方法、设备和组件的实施例。对于微波等离子体处理，每种不同的原料都有其自己关键的、专门的和独特的要求，以获得期望的材料特性，例如球化、形态、纵横比、粒度分布(PSD)、化学性质、密度、直径、球形度、氧化度、硬度和延展性等。如本文中所公开的，在微波等离子体炬中的处理可包括将原料馈入到微波等离子体炬、微波等离子体炬的等离子体羽流和/或微波等离子体炬的排气中。馈入位置可根据期望的材料而变化，因为馈入位置可影响原料的停留时间和热暴露，从而改变材料特性。

本文中的一些实施例涉及在微波等离子体炬内延伸微波等离子体。在一些实施例中，延伸微波等离子体可包括获得足够长度的等离子体来处理原料以生产具有期望的材料特性的材料。本文中的一些实施例涉及自动地或者手动地转变或改变微波等离子体的长度，以便获得期望的处理特性，包括微波等离子体装置内的材料停留时间和温度分布。在一些实施例中，根据本文中的实施例的微波等离子体装置可包括延伸管，该延伸管向下延伸到微波等离子体装置的反应室中，该延伸管限制并引导微波等离子体以延伸其长度。在一些实施例中，延伸管可以集中由微波功率源提供的能量和功率，以便在装置内形成更长的微波等离子体。

在传统微波等离子体装置中，等离子体可通过过热和电离等离子体气体而被形成并且然后被向下引导到反应室中，在反应室中，原料材料被提供给等离子体并被处理成材料。传统微波等离子体装置中的等离子体、等离子体羽流或等离子体排气的长度可能受到限制。例如，随着等离子体在反应室中远离微波功率源向下延伸，等离子体被周围气体冷却，使得等离子体中的自由电子与等离子体气体原子重新结合，导致等离子体终止。此外，随着等离子体从功率源进一步延伸，提供给等离子体气体的能量不足，再次导致等离子体重新结合成气体。此外，因为过热的等离子体的密度小于周围气体的密度，等离子体自然上升到周围气体之上，这限制了等离子体在装置内的长度。此外，在传统装置中，产生的等离子体可能具有极其动态的长度和形状，因为等离子体通常不保持固定的形状或体积。

为了抵消等离子体长度和稳定性中的这些限制，本文中所描述的方法和装置可利用延伸管，该延伸管从核心(core)等离子体管向下延伸到反应室中。在一些实施例中，延伸管可以将来自微波功率源的能量集中到更小的体积中，以比使用传统微波等离子体装置可能达到的更大的长度来延伸和引导等离子体。在一些实施例中，可以通过配置一个或多个以下参数来转变或改变等离子体的长度：功率、等离子体气体流量、气体类型、延伸管材料、反应室或延伸管的隔热水平、延伸管的涂层水平以及延伸管的几何形状(例如，圆锥形/阶梯形)。

可优化过程参数，以获得期望的材料特性。对于每种独特的原料和期望的材料特性，可以针对特定的结果优化过程参数。美国专利公开号2018/0297122、US 8748785 B2和US 9,932,673 B2公开了可以用于所公开的过程的某些处理技术，特别是用于微波等离子体处理。因此，美国专利公开号2018/0297122、US 8748785 B2和US 9,932,673 B2的全部内容通过引用并入本文中，并且所描述的技术应当被认为适用于本文中描述的过程。

将延伸管引入微波等离子体装置中可能会带来额外的处理挑战。例如，当原料被延伸管内的等离子体加热时，由于核心管(即，炬衬套)或延伸管的表面相对于反应室壁的接近，原料可能会粘附到所述表面上。这个问题与粉末原料特别相关，粉末原料可能会粘在或涂在核心管或延伸管的壁上，这可能会不期望地影响处理条件和期望的材料的质量。当核心管中的涂层变得太厚时，微波能量被屏蔽而不能进入等离子体热区，且等离子体耦合降低。有时，等离子体甚至会熄灭并变得不稳定。等离子体强度的降低会导致所得材料质量的降低。在一些实施例中，为了防止原料粘附到延伸管(或反应室)的表面，可以在那些表面上提供不粘涂层。

此外，在一些实施例中，可提供搅拌器、振动器或其它设备，从而防止粘附和/或从而从延伸管表面移除原料粒子。在一些实施例中，提供具有特定形状的延伸管可有助于防止材料在微波等离子体炬的一个或多个表面上积聚。例如，锥形延伸管可以防止在延伸管的表面上堆积。

在微波等离子体装置的反应室内提供延伸管的另一复杂因素是，延伸管可能不期望地影响微波等离子体装置内的气体循环。特别地，延伸管可能导致系统气体动力学的变化，使得室气体被吸入等离子体放电区域，从而降低火焰的处理功率。这种上升可能不期望地淬火上方被形成的等离子体。在一些实施例中，为了保持反应室内适当的气体循环并防止等离子体淬火，延伸管可以被成形、定尺寸和定向成使得气体不会熄灭等离子体。例如，在一些实施例中，延伸管可以形成为锥形，或者阶梯形、圆锥形或其它形状，以允许适当的气体循环。

在一些实施例中，本文中所描述的延伸管可向下延伸到微波等离子体装置的反应室中。在一些实施例中，延伸管可以以一长度向下延伸，该长度是反应室长度的至少5％、至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少30％、至少35％、至少40％、至少45％、至少50％、至少55％、至少60％、至少65％、至少70％、至少75％、至少80％、至少85％、至少90％、至少95％或至少100％或在前面提及的值之间的任何值。

本文中的一些实施例涉及用于在微波等离子体中处理材料以使用迭代过程产生材料的期望特性的系统、方法和设备。例如，在一些实施例中，可以提供微波等离子体装置，该微波等离子体装置包括反应室。在一些实施例中，可以基于材料的期望特性来选择以下参数中的至少一者：微波功率、等离子体气体流率、等离子体气体类型、馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口尺寸、馈入材料入口形状、馈入材料入口数量、等离子体温度、旋流气体流率、旋流气体类型、或停留时间。

在一些实施例中，可执行迭代过程，包括：在反应室内形成微波等离子体；将馈入材料注入反应室内的气体流中，以将馈入材料引导到等离子体中以产生所得材料；分析所得材料以确定所得材料的特性是否在期望特性的阈值范围内；以及基于对所得材料的分析来调节所述参数中的一者或多者。在一些实施例中，可以重复迭代过程，直到所得材料的特性在期望特性的阈值范围内。

在一些实施例中，迭代过程可包括：在反应室内形成微波等离子体；分析等离子体以确定等离子体的属性是否在预期产生材料的期望特性的范围内；以及基于对等离子体的分析来调节所述参数中的一者或多者。在一些实施例中，可以重复迭代过程，直到等离子体的属性在该范围内。

在一些实施例中，本文中所描述的过程可由微波等离子体装置的操作员手动完成。在一些实施例中，可以使用例如控制器来自动完成这些过程，该控制器包括与一个或多个计算机可读存储设备通信的一个或多个硬件计算机处理器，并且被配置为执行多个计算机可执行指令。在一些实施例中，计算机可执行指令可包括用于自动完成本文中所描述的迭代过程的算法，以提供具有期望特性的材料。在一些实施例中，可以利用人工智能(AI)和/或机器学习(ML)来自动完成本文中所描述的迭代过程，以提供具有期望特性的材料。

在一些实施例中，可与微波等离子体装置的各种致动器和传感器通信的控制器可从用户输入设备接收材料的期望特性的输入，并控制(例如，通过访问数据库或查找表，或执行与不同输入相关的控制过程，或利用诸如AI/ML算法的算法)装置的各种部件以调节各种参数。例如，控制器可以接收成组的期望的材料特性，并且可以选择预期产生期望的材料特性的原料和等离子体处理参数。在一些实施例中，如上文所论述，控制器可以引导迭代过程来产生期望的材料特性。

微波等离子体装置

图1示出了根据本文中的一些实施例的可在材料生产中使用的微波等离子体炬100的实施例。在一些实施例中，原料可经由一个或多个原料入口102被引入到微波等离子体104中。在一些实施例中，夹带气体流和/或鞘流可被注入到微波等离子体炬100中，以在经由微波辐射源106点燃等离子体104之前在等离子体炬内产生流动条件。在一些实施例中，夹带流和鞘流都是轴对称的和层流的，而在其它实施例中，气体流是旋流的。在一些实施例中，原料可被引入到微波等离子体炬100中，在那里原料可由将材料朝向等离子体104引导的气体流夹带。

如上文所论述，气体流可包括元素周期表中的惰性气体栏，诸如氦、氖、氩等。尽管可以使用上文所描述的气体，但是应该理解的是，根据期望的材料和处理条件，可以使用各种气体。在一些实施例中，在微波等离子体104内，原料可经历物理和/或化学转变。入口102可用于引入工艺气体，以将原料夹带并加速至等离子体104。在一些实施例中，可以产生第二气体流来为核心气体管108和反应室110的内壁提供护套，以保护这些结构不会由于来自等离子体104的热辐射所致而熔化。

微波等离子体104的各种参数可以被手动或自动调节，以获得期望的材料。例如，这些参数可包括：功率、等离子体气体流率、等离子体气体类型、延伸管的存在、延伸管材料、反应室或延伸管的隔热水平、延伸管的涂层水平、延伸管的几何形状(例如圆锥形/阶梯形)、馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口数量、等离子体温度、停留时间和冷却速率。所得材料可以离开等离子体进入密封室112中，在那里材料被淬火然后被收集。

在一些实施例中，原料在微波等离子体炬施加器之后被注入以便在微波等离子体炬的“羽流”或“排气”中进行处理。因此，微波等离子体炬的等离子体在等离子体炬核心管108的出口端或更下游处被接合。在一些实施例中，可调节的下游馈入允许通过精确瞄准(precise targeting)温度水平和停留时间在适于原料最佳熔化的温度下使原料与等离子体羽流在下游接合。调节入口位置和等离子体特性可以允许进一步定制材料特性。此外，在一些实施例中，通过调节功率、气体流率、压力和设备配置(例如，引入延伸管)，可以调节等离子体羽流的长度。

在一些实施例中，馈入配置可包括围绕等离子体羽流的一个或多个单独馈入喷嘴。原料可以从任何方向进入等离子体，并且可以根据入口102的位置和方向在等离子体周围360°进给。此外，通过调节入口102的位置，原料可以在沿着等离子体104的长度的特定位置处进入等离子体，在那里已经测量了特定的温度并且估算了停留时间以便提供所得材料的期望特性。

在一些实施例中，可调节入口102相对于等离子体104的角度，使得可相对于等离子体104以任何角度注入原料。例如，可调节入口102，使得原料可相对于等离子体的方向以以下角度注入等离子体中：约0度、约5度、约10度、约15度、约20度、约25度、约30度、约35度、约40度、约45度、约50度、约55度、约60度、约65度、约70度、约75度、约80度、约85度或约90度或在前面提及的值中的任一者之间的角度。

在一些实施例中，下游注入方法的实施可使用下游旋流或淬火。下游旋流指代可以从等离子体炬下游引入的附加旋流分量，以防止粉末接触核心管108、反应室110和/或延伸管114的壁。

在一些实施例中，微波等离子体装置的反应室110的长度可为约1英尺、约2英尺、约3英尺、约4英尺、约5英尺、约6英尺、约7英尺、约8英尺、约9英尺、约10英尺、约11英尺、约12英尺、约13英尺、约14英尺、约15英尺、约16英尺、约17英尺、约18英尺、约19英尺、约20英尺、约21英尺、约22英尺、约23英尺、约24英尺、约25英尺、约26英尺、约27英尺、约28英尺、约29英尺或约30英尺，或在前面提及的值之间的任何值。

在一些实施例中，等离子体104的长度可通过调节各种处理条件和设备配置来延伸，等离子体104的长度可为约1英尺、约2英尺、约3英尺、约4英尺、约5英尺、约6英尺、约7英尺、约8英尺、约9英尺、约10英尺、约11英尺、约12英尺、约13英尺、约14英尺、约15英尺、约16英尺、约17英尺、约18英尺、约19英尺、约20英尺、约21英尺、约22英尺、约23英尺、约24英尺、约25英尺、约26英尺、约27英尺、约28英尺、约29英尺或约30英尺，或在前面提及的值之间的任何值。

微波等离子体处理

在微波等离子体过程中，原料可被夹带在惰性和/或还原气体环境中，并被注入微波等离子体、微波等离子体羽流或微波等离子体排气中。在注入热等离子体(或等离子体羽流或排气)中时，原料可经历物理和/或化学转变(例如，球化)。在处理之后，所得材料可以被释放到填充有惰性气体的室中并被引导到密封的桶中，所得材料储存在那里。该过程可以在大气压、部分真空或比大气压稍高的压力下进行。

在替代实施例中，该过程可在低、中或高真空环境中进行。该过程可以分批或连续地进行，其中当鼓装满处理过的材料时，就更换这些鼓。通过控制过程参数，例如冷却气体流率、停留时间、等离子体条件、冷却气体成分，可以控制各种材料特性。

也可调节粒子在等离子体热区内的停留时间，以提供对所得材料特性的控制。也就是说，粒子暴露于等离子体的时间的长度决定了原料粒子的熔化程度(即，与粒子的最内部或核心相比，粒子的熔化的表面)。停留时间可以通过调节热区内粒子注入速率和流率(以及条件，如层流或湍流)的此类操作变量来调节。设备的改变也可以用来调节停留时间。例如，可以通过改变等离子体的横截面积(例如通过使等离子体延伸)来调节停留时间。在一些实施例中，使等离子体延伸可包括将延伸管结合到微波等离子体装置中。

在一些实施例中，延伸管可延伸到微波等离子体装置的反应室中，如图2至图4中所示。在一些实施例中，延伸管可包括阶梯形形状，使得该管包括在反应室中向下延伸的一个或多个柱形体积，其中随着管在反应室中向下延伸，每个接连的柱形体积包括比每个先前的柱形体积更大的直径，如图2中所示。在一些实施例中，延伸管可以具有锥形形状，随着其向下延伸到反应室中，该锥形形状径向向外逐渐变窄，如图3中所示。在一些实施例中，延伸管可包括单个柱形体积，如图4中所示。

在一些实施例中，延伸管可具有双锥形形状，其中第一锥形形状随着其向下延伸到反应室中而径向向外逐渐变窄，并且第二锥形形状为与第一锥形形状相反的不对称形状且连接至第一锥形形状的端部且随着其向下延伸到反应室中而径向向内逐渐变窄，如图5中所示。在一些实施例中，延伸管可包括双锥形形状，其中第一锥形形状的最宽部分连接到第二锥形形状的最宽部分，如图5中所示。在一些实施例中，第一锥形形状的长度大于第二锥形形状的长度，如图5中所示。

在一些实施例中，延伸管可具有双锥形形状，其中第一锥形形状随着其向下延伸到反应室中而径向向外逐渐变窄，并且第二锥形形状为与第一锥形形状相反的对称形状且连接至第一锥形形状的端部且随着其向下延伸到反应室中而径向向内逐渐变窄，如图6中所示。在一些实施例中，第一锥形形状的最宽部分连接到第二锥形形状的最宽部分，如图6中所示。在一些实施例中，第一锥形形状的长度等于第二锥形形状的长度，如图6中所示。在一些实施例中，第二锥形形状的长度大于第一锥形形状的长度。在一些实施例中，馈入材料入口可将原料引入延伸管内。

在一些实施例中，延伸管的长度约为1英尺。在一些实施例中，延伸管可包括一长度，该长度为：约1英寸、约2英寸、约3英寸、约4英寸、约5英寸、约6英寸、约7英寸、约8英寸、约9英寸、约10英寸、约11英寸、约1英尺、约2英尺、约3英尺、约4英尺、约5英尺、约6英尺、约7英尺、约8英尺、约9英尺、约10英尺、约11英尺、约12英尺，约13英尺、约14英尺、约15英尺、约16英尺、约17英尺、约18英尺、约19英尺、约20英尺、约21英尺、约22英尺、约23英尺、约24英尺、约25英尺、约26英尺、约27英尺、约28英尺、约29英尺或约30英尺或在前面提及的值之间的任何值。

在一些实施例中，原料粒子暴露于微波等离子体内4000至8000K之间的温度分布下。在一些实施例中，粒子暴露于微波等离子体内3000至8000K之间的温度分布下。在一些实施例中，一个或多个温度传感器可以位于微波等离子体炬内以确定等离子体的温度分布。

附加实施例

在以上说明书中，本发明参照其特定实施例进行描述。然而，明显的是，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图认作是示范性的而不是限制性的。

事实上，尽管本发明已经在某些实施例和示例的上下文中公开，但是本领域中的技术人员将理解的是，本发明超出具体公开的实施例延伸到本发明的其它备选实施例和/或用途及其明显的修改和等同物。另外，尽管已经详细示出和描述了本发明的实施例的若干变型，但是基于本公开，本领域中的技术人员将容易地明白在本发明的范围内的其它修改。还可设想可对实施例的具体特征和方面进行各种组合或子组合，并且这些组合仍然落在本发明的范围内。应当理解的是，所公开的实施例的各种特征和方面可相互组合或替代，以形成所公开的发明的实施例的不同模式。本文中公开的任何方法不必以所述顺序执行。因此，本文中公开的本发明的范围不应受到上文所描述的特定实施例的限制。

应当理解的是，本公开的系统和方法各自具有若干创新方面，其中没有任何一个单独负责或需要本文中公开的期望属性。上文所描述的各种特征和过程可彼此独立地使用，或可以各种方式组合。所有可能的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。

本说明书中在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可在多个实施例中单独地或以任何合适的子组合来实施。此外，尽管特征可能在上面描述为在某些组合中起作用，并且甚至最初本身要求保护，但在某些情况下可能从组合中删除要求保护的组合中的一个或多个特征，并且要求保护的组合可能针对子组合或子组合的变型。没有单个特征或特征组对于每个实施例都是必要的或必不可少的。

还应当理解的是，本文中使用的诸如“能够”、“可以”、“可能”、“可”、“例如”等的条件性语言，除非另有明确说明，或在所使用的上下文中以其它方式理解，否则大体上旨在传达某些实施例包括但其它实施例不包括某些特征、要素和/或步骤。因此，这种条件性语言大体上不旨在暗示一个或多个实施例以任何方式需要特征、要素和/或步骤，或一个或多个实施例必须包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、要素和/或步骤包括在任何特定实施例中或将在任何特定实施例中执行的逻辑。术语“包含”、“包括”、“具有”等是同义词，并且以开放式方式包括性地使用，并且不排除附加的元素、特征、动作、操作等。另外，术语“或”在其包含性含义(而非排他性含义)中使用，从而例如当用于连接要素的列表时，术语“或”表示列表中的一个、一些或全部要素。另外，除非另有说明，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一个”、“一种”和“该”应解释为表示“一个或多个”或“至少一个”。类似地，尽管操作可能以特定顺序在附图中描绘，但应认识到这样的操作不需要以所示的特定顺序或按顺序执行，或执行所有图示的操作以获得期望的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程。然而，未描绘的其它操作可并入示意性示出的示例方法和过程中。例如，一个或多个附加操作可在所示操作中的任何之前、在其之后、在其同时或在其之间来执行。另外，操作可在其它实施例中重新排列或重新排序。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。此外，上文所描述的实施例中各个系统部件的分离不应理解为所有实施例中都需要这样的分离，并且应当理解的是，所描述的程序部件和系统大体上可共同集成在一个软件产品中，或打包成多种软件产品。另外，其它实施例也在所附权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中描述的行动可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。

此外，尽管本文中所述的方法和设备可以进行各种修改和备选形式，但是其具体示例已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解的是，本发明不限于所公开的特定形式或方法，反而本发明涵盖落入所描述的各种实施方式和所附的权利要求的精神和范围内的所有修改、等同物和备选方案。此外，与实施方式或实施例相关的任何特定特征、方面、方法、特性、特点、质量、属性、要素等的公开可在本文中阐述的所有其它实施方式或实施例中使用。本文中公开的任何方法不必以所述顺序来执行。本文中公开的方法可能包括由从业者采取的某些行动；然而，这些方法还可包括这些行动的任何第三方明示或暗示指示。本文中公开的范围还涵盖任何和所有重叠、子范围及其组合。诸如“最多”、“至少”、“大于”、“小于”、“之间”等的语言包括所列举的数字。前有“约”或“约”等的术语的数字包括所描述的数字，并且应基于情况进行解释(例如，在此情况下尽可能准确，例如±5％、±10％、±15％等)。例如，“约3.5mm”包括“3.5mm”。前有诸如“基本上”的术语的表述包括所描述的表述，并且应该基于情况进行解释(例如，在此情况下尽可能合理地)。例如，“基本上恒定”包括“恒定”。除非另有说明，否则所有测量都在包括温度和压力在内的标准条件下进行。

如本文中所用，提及项目列表中的“至少一个”的表述是指包括单个部件的那些项目的任何组合。例如，“A、B或C中的至少一个”旨在涵盖：A、B、C、A和B、A和C、B和C，以及A、B和C。除非另有特别说明，否则诸如表述“X、Y和Z中的至少一个”的连接性语言结合上下文理解为大体上用于传达项目、术语等可为X、Y或Z中的至少一个。因此，这样的连接性语言大体上不旨在暗示某些实施例需要X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中的至少一个各自存在。本文中提供的标题(如果有的话)仅为方便起见，并且不必然影响本文中公开的装置和方法的范围或含义。

因此，权利要求不旨在限于本文中所示的实施例，而是应符合与本文中公开的本公开、原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (39)

1.一种在微波等离子体中处理材料以产生材料的期望特性的方法，所述方法包括：

提供微波等离子体装置，所述微波等离子体装置包括反应室；

基于所述材料的期望特性来选择以下参数中的至少一者：微波功率、等离子体气体流率、等离子体气体类型、馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口尺寸、馈入材料入口形状、馈入材料入口数量、等离子体温度、旋流气体流率、旋流气体类型、或停留时间；

执行迭代过程，所述迭代过程包括：

在所述反应室内形成微波等离子体；

将馈入材料注入所述反应室内的气体流中，以将所述馈入材料引导到所述等离子体中以产生所得材料；

分析所述所得材料以确定所述所得材料的特性是否在所述期望特性的阈值范围内；以及

基于对所得材料的分析来调节所述参数中的一者或多者；以及重复所述迭代过程，直到所述所得材料的特性在所述期望特性的阈值范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括在调节所述参数中的一者或多者之前淬火所述微波等离子体。

3.根据权利要求1所述的方法，其中连续地形成所述微波等离子体，直到所述所得材料的特性在所述期望特性的阈值范围内。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述微波等离子体在所述反应室内包括一长度，所述微波等离子体至少部分地被管限制，所述管在所述反应室内沿着所述等离子体的长度的一部分向下延伸。

5.根据权利要求4的方法，其中所述参数还包括：管材料、反应室或管的隔热水平、管的涂层水平或管的几何形状。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述参数包括：微波功率、等离子体气体流率、旋流气体流率或粉末输送气体流率。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述参数包括等离子体气体类型或旋流气体类型。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述参数包括：馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口尺寸、馈入材料入口形状或馈入材料入口数量。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其中分析所述所得材料包括测量所述所得材料的球形度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述材料的期望特性包括所述球形度，并且所述阈值范围是高于90％的球形度。

11.一种在微波等离子体中处理材料以产生材料的期望特性的方法，所述方法包括：

提供微波等离子体装置，所述微波等离子体装置包括反应室；

基于所述材料的期望特性来选择以下参数中的至少一者：微波功率、等离子体气体流率、等离子体气体类型、馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口尺寸、馈入材料入口形状、馈入材料入口数量、等离子体温度、旋流气体流率、旋流气体类型、或停留时间；

执行迭代过程，所述迭代过程包括：

在所述反应室内形成微波等离子体；

分析所述等离子体以确定所述等离子体的属性是否在预期产生所述材料的期望特性的范围内；以及

基于对所述等离子体的分析来调节所述参数中的一者或多者；以及

重复所述迭代过程，直到所述等离子体的属性在所述范围内。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括在调节所述参数中的一者或多者之前淬火所述微波等离子体。

13.根据权利要求11所述的方法，其中连续地形成所述微波等离子体，直到所述等离子体的属性在所述范围内。

14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述微波等离子体在所述反应室内包括一长度，所述微波等离子体至少部分地被管限制，所述管在所述反应室内沿着所述等离子体的长度的一部分向下延伸。

15.根据权利要求14的方法，其中所述参数还包括：管材料、反应室或管的隔热水平、管的涂层水平或管的几何形状。

16.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述参数包括：微波功率、等离子体气体流率、旋流气体流率、或停留时间。

17.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述参数包括等离子体气体类型或旋流气体类型。

18.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述参数包括：馈入材料尺寸、馈入材料插入速率、馈入材料入口位置、馈入材料入口方向、馈入材料入口尺寸、馈入材料入口形状或馈入材料入口数量。

19.一种在微波等离子体中处理材料以产生材料的特定特性的方法，所述方法包括：

提供微波等离子体装置，所述微波等离子体装置包括反应室；

形成微波等离子体，所述微波等离子体在所述反应室内具有一长度，所述微波等离子体至少部分地被管限制，所述管在所述反应室内沿着所述等离子体的长度的一部分向下延伸；以及

将馈入材料注入所述反应室内的气体流中，以将所述馈入材料引导到所述等离子体中而所述气体流不会上升到所述管中并淬火所述等离子体。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括在所述反应室的内表面上提供不粘涂层。

21.根据权利要求20所述的方法，其中所述不粘涂层包括碳化钨、碳化铬或镍合金。

22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，还包括搅动、振荡或振动所述管或所述反应室。

23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中随着所述管在所述反应室中向下延伸，所述管径向向外逐渐变窄。

24.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中所述管包括在所述反应室中向下延伸的一个或多个柱形体积。

25.根据权利要求24所述的方法，其中所述一个或多个柱形体积被布置成阶梯形构造，使得随着所述管在所述反应室中向下延伸，每个接连的柱形体积包括比每个先前的柱形体积更大的直径。

26.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中所述管包括在所述反应室中向下延伸的一个或多个锥形体积。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述管包括在所述反应室中向下延伸的第一锥形体积和第二锥形体积。

28.根据权利要求27所述的方法，其中所述第一锥形体积的最宽部分连接到所述第二锥形体积的最宽部分。

29.根据权利要求19至28中任一项所述的方法，其中通过向所述微波等离子体装置提供微波功率来形成所述微波等离子体。

30.根据权利要求19至29中任一项所述的方法，还包括增加提供给所述微波等离子体装置的微波功率。

31.根据权利要求19至30中任一项所述的方法，其中形成所述微波等离子体包括使一种或多种气体流入所述反应室中并使所述一种或多种气体暴露于微波功率。

32.根据权利要求31所述的方法，还包括改变一种或多种气体进入所述反应室中的流率。

33.根据权利要求31所述的方法，其中所述一种或多种气体包括氧气、氮气或稀有气体中的至少一种。

34.根据权利要求19至33中任一项所述的方法，其中所述管包括不锈钢。

35.根据权利要求19至34中任一项所述的方法，其中所述管或所述反应室利用陶瓷毡隔热。

36.根据权利要求19至35中任一项所述的方法，其中所述管包括的长度在12英寸和18英寸之间。

37.根据权利要求19至36中任一项所述的方法，其中所述管包括的直径在3英寸和24英寸之间。

38.根据权利要求19至37中任一项所述的方法，其中所述馈入材料包括钨、钛、不锈钢、铬镍铁合金625或铬镍铁合金718。

39.根据权利要求19至38中任一项所述的方法，还包括基于材料的特定特性选择以下参数中的一者：延伸管材料、反应室或延伸管的隔热水平、延伸管的涂层水平或延伸管的几何形状。