CN1295152C

CN1295152C - 制备纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备及方法

Info

Publication number: CN1295152C
Application number: CNB2005100132478A
Authority: CN
Inventors: 王惜宝; 张晞
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2005-03-25
Filing date: 2005-03-25
Publication date: 2007-01-17
Anticipated expiration: 2025-03-25
Also published as: CN1673088A

Abstract

本发明公开了一种制备纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备及方法，旨在提供一种利用电弧喷涂的方法，制备粒度均匀、分散性好的纳米氧化铝粉装置及其方法。包括送丝装置、空气压缩机和电弧喷涂电源，还包括分别与所述送丝装置和电弧喷涂电源连接的反应合成装置，所述反应合成装置包括设置在电弧喷枪内的铝丝材和压缩空气管，所述电弧喷枪出口处罩有氧气室，所述氧气室壁面设置有氧气管，所述氧气管与氧气瓶相连接；所述反应合成装置还依次连接有粉体收集装置及真空泵。本发明电弧喷涂反应合成设备结构简单紧凑、使用方便，提高了制备纳米氧化铝粉效率。

Description

制备纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备及方法

技术领域

本发明涉及一种材料加工技术，尤其涉及纳米氧化铝的制备装置及方法。

背景技术

纳米氧化铝粉体材料是新型的用于结构、表面增强和阻燃的材料，广泛应用于强化木地板表面涂层，造纸助剂和陶瓷材料添加剂。纳米Al₂O₃是重要的工程陶瓷之一，具有良好的耐磨性、抗腐蚀性、化学与热稳定性，从而广泛应用于许多领域。近年来，为了改善Al₂O₃陶瓷的力学性能，纳米Al₂O₃陶瓷及其复合材料应运而生。因此，纳米Al₂O₃粉体的制备及其工艺成为关键技术之一。

已有的超细氧化铝粉末的制备方法主要是化学法，有：(1)气相化学沉积法，气相法由于设备操作复杂，成本高，应用较少。(2)液相法，是采用一种或多种铝盐按比例配成溶液，然后再用另一种溶液将所需物质(氧化铝)沉淀下来，经过滤、烘干获得。这一类方法包括无机盐热分解沉淀法，溶胶一凝胶法，溶剂蒸发法和液相界面反应法等。虽然上述方法生产率高成本低，已在工业上广泛应用，但是，这种方法的不足之处是纳米氧化铝的分散性很差。(3)固相反应法，它是将含铝的无机盐固体直接加热分解制得氧化铝，但这些方法所制得的氧化铝也是团聚严重，且粒度不易控制。另外，氧化铝粉末的制备方法还有机械粉碎法，它是直接将固体块状氧化铝进行球磨获得。

总之，目前纳米氧化铝材料制备方法都需要较贵的原料或者使用技术要求极高的研磨技术，因此生产成本较高。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备及其方法，利用电弧喷涂的方法，制备粒度均匀、分散性好的纳米氧化铝粉。

本发明的目的可通过下述的技术方案实现。

一种纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成装置，电弧喷枪内设置有铝丝材和压缩空气管，所述压缩空气管可以与氧气瓶相连接；所述电弧喷枪出口处罩有氧气室，所述氧气室壁面设置有氧气管，所述氧气室内的氧气管采用均匀布置，所述氧气管与氧气瓶相连接。

一种包含上述反应合成装置的纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备，包括送丝装置、空气压缩机和电弧喷涂电源，还包括分别与所述送丝装置和电弧喷涂电源连接的反应合成装置，所述反应合成装置包括设置在电弧喷枪内的铝丝材和压缩空气管，所述电弧喷枪出口处罩有氧气室，所述氧气室壁面设置有氧气管，所述氧气管与氧气瓶相连接；所述反应合成装置还依次连接有粉体收集装置及真空泵。

一种利用上述电弧喷涂反应合成设备制备纳米氧化铝粉的方法，包括下列步骤：

(1)分别将纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备的气路和电路接通；

(2)在送丝装置上装上两盘相同规格和材质的纯铝焊丝；

(3)启动空气压缩机和焊机，调整空气压力在0.1～0.7Mpa范围；

(4)打开氧气瓶，调整氧气压力在0.1～0.7Mpa范围；

(5)开启真空泵，开始喷涂。

其中，空气压缩机压力通常调整为0.7Mpa，真空泵压力通常调整为0.1～0.7Mpa，以0.7Mpa效果最佳。

本发明纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成系统及方法与现有技术相比具有以下有益效果：

1、纳米氧化铝的产出率高，电弧喷涂的生产率与喷涂电流值成正比，当喷涂电流为300A时，每小时可制备各种粒度粉体8公斤以上，其中可最大获得70％左右的纳米氧化铝粉体；

2、获得的纳米氧化铝粉体粒度均匀，在60～90nm左右；

3、获得的纳米氧化铝粉体分散性好。

附图说明

图1是本发明制备纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备示意图；

图2是本发明的反应合成装置局部放大示意图；

图3是本发明的收集装置局部放大示意图。

附图标记：

1——电弧喷枪 2——送丝装置 3——空气压缩机

4——电弧喷涂电源 5——氧气瓶 6——反应合成装置

7——粉体收集装置 8——真空泵 12——氧气室

13——氧气管 14——压缩空气管 15——铝丝材

22——凝集过滤器 23——粉体收集筒

具体实施方式

下面结合附图对本发明纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成装置结构作进一步详细地描述。

在图2中，电弧喷枪1内设置有铝丝材15和压缩空气管14，所述压缩空气管14可以与氧气瓶5相连接；所述电弧喷枪1出口处罩有氧气室12，所述氧气室12壁面设置有氧气管13，所述氧气室12内的氧气管13采用均匀布置，所述氧气管13与氧气瓶5相连接。

反应合成装置是氧化合成Al₂O₃粉体的地方。主要有电弧喷枪、氧气室、氧气管等部分组成，电弧喷枪产生电弧并使熔化的金属雾化成细小的颗粒，为金属的氧化提供必要的条件。氧气管并联在压缩空气管上，增大电弧喷涂所用的压缩空气中的氧气成分，提高电弧温度和金属雾化、气化和氧化效果。氧气室位于电弧喷枪外围，包裹着被雾化喷射的金属粒子气流，并参与金属颗粒的进一步气化和氧化。使雾化的金属粒子在高温区得到更充足的气化和氧化。

在图1中，本发明的反应合成设备，包括送丝装置2、空气压缩机3和电弧喷涂电源4，还包括分别与所述送丝装置2和电弧喷涂电源4连接的反应合成装置，所述反应合成装置包括设置在电弧喷枪1内的铝丝材15和压缩空气管14，所述电弧喷枪1出口处罩有氧气室12，所述氧气室12壁面设置有氧气管13，所述氧气管13与氧气瓶5相连接；所述反应合成装置还依次连接有粉体收集装置7及真空泵8。

在图3中，所述粉体收集装置7由粉体收集筒23和凝集过滤器22构成，所述凝集过滤器22与真空泵8相连接。

下面结合附图和具体实施例对本发明纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成方法作进一步详细地描述。

一种利用上述电弧喷涂反应合成设备制备纳米氧化铝粉的方法，它包括下列步骤：

(1)分别将纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成系统的气路和电路接通；

(2)在送丝装置2上装上两盘相同规格和材质的纯铝焊丝15；

(3)启动空气压缩机3和焊机，调整空气压力在0.1～0.7Mpa范围；

(4)打开氧气瓶5，调整氧气压力在0.1～0.7Mpa范围；

(5)开启真空泵8，开始喷涂。

其中，空气压缩机压力通常调整为0.7Mpa，真空泵压力通常调整为0.1～0.7Mpa，以0.7Mpa效果最佳；焊丝直径可以根据需要在0.8～3mm内选择，但需要与送丝轮、送丝管和喷枪导电嘴匹配；电流通常调整为100～400A。

电弧喷涂是热喷涂技术中应用较为广泛的一种。它将二根送入的导电金属丝相对接时产生电弧，由电弧热熔化的金属丝被压缩空气雾化成颗粒，喷射到工件表面形成涂层。这种喷涂方法具有更高的喷涂效率和好的涂层质量。

本发明采用电弧喷涂技术，在进行电弧喷涂过程中，在压缩空气中加入氧气，利用金属电弧喷涂过程的雾化作用和氧化性电弧的高温气化作用，将雾化的熔滴和气化的铝蒸汽与氧充分反应形成超细粉体状氧化铝陶瓷材料。由于这一氧化过程是在金属喷涂时，利用其高温熔化和雾化的工艺条件，使金属粒子与氧气产生氧化反应生成化合物，因而称其为反应合成喷涂。

在电弧喷涂的压缩空气中加入氧气，使已熔化和雾化的铝粒子与在高温电弧区内氧产生剧烈的氧化反应，生成氧化铝粉体，同时剧烈的氧化反应又会产生大量的热量，促使电弧温度的进一步提高，进一步提高雾化效果和气化程度。雾化效果和气化程度的提高反过来又会提高铝的氧化效果，获得较高的氧化铝产率和较细的氧化铝粒度。经过过滤或收集不同部位的喷涂产物，可以得到不同粒度的氧化铝陶瓷粉体(包括纳米氧化铝粉体)。

利用反应合成电弧喷涂方法制取Al₂O₃纳米粉体，是依靠金属铝与氧气在高温条件下的氧化反应来完成的。铝产生强烈氧化反应必须具备一定的温度，材料形状，及氧化介质等条件。温度是氧化反应的动力，温度越高氧化反应就越强烈，因而反应合成中提供稳定的高能量热源是产生氧化反应的关键。当被氧化的铝金属呈现为微小颗粒状时，更有利于均匀分布的氧气与其产生充分的氧化反应，生成Al₂O₃微粉。

本发明制备的纳米氧化铝粉体可用做表面增强剂和阻燃剂，如强化木地板表面增强涂层、纸张及纤维的表面处理剂、功能结构陶瓷的增强剂和添加剂、高级磨料等，以及普通氧化铝具有的所有应用领域。

如果改变本发明中的丝材材质和所添加的气体种类，本发明还可以用于反应合成制备其它种类的微粉(包括纳米粉体)。

实施例1

首先，分别将纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备的气路和电路接通，调整电流为400A；然后，在送丝装置上装上两盘相同规格和材质的纯铝焊丝，焊丝直径为3mm；启动空气压缩机和焊机，调整空气压力为0.7Mpa；打开氧气瓶，调整氧气压力为0.7Mpa；开启真空泵，开始喷涂，得到氧化铝粉粒度为60nm。

实施例2

首先，分别将纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备的气路和电路接通，调整电流为200A；然后，在送丝装置上装上两盘相同规格和材质的纯铝焊丝，焊丝直径为1.5mm；启动空气压缩机和焊机，调整空气压力为0.1Mpa；打开氧气瓶，调整氧气压力为0.4Mpa；开启真空泵，开始喷涂，得到氧化铝粉粒度为80nm。

实施例3

首先，分别将纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备的气路和电路接通，调整电流为100A；然后，在送丝装置上装上两盘相同规格和材质的纯铝焊丝，焊丝直径为0.8mm；启动空气压缩机和焊机，调整空气压力为0.7Mpa；打开氧气瓶，调整氧气压力为0.1Mpa；开启真空泵，开始喷涂，得到氧化铝粉粒度为90nm。

以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，做出其它实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims

1、一种纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成装置，电弧喷枪内设置有铝丝材和压缩空气管，其特征在于，所述电弧喷枪出口处罩有氧气室，所述氧气室壁面设置有氧气管，所述氧气管与氧气瓶相连接。

2、据权利要求1所述的纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成装置，其特征在于，所述压缩空气管与氧气瓶相连接。

3、根据权利要求1所述的纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成装置，其特征在于，所述氧气室内的氧气管采用均匀布置。

4、一种包含权利要求1所述反应合成装置的纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备，包括送丝装置、空气压缩机和电弧喷涂电源，其特征在于，还包括分别与所述送丝装置和电弧喷涂电源连接的反应合成装置，所述反应合成装置包括设置在电弧喷枪内的铝丝材和压缩空气管，所述电弧喷枪出口处罩有氧气室，所述氧气室壁面设置有氧气管，所述氧气管与氧气瓶相连接；所述反应合成装置还依次连接有粉体收集装置及真空泵。

5、根据权利要求4所述的一种纳米氧化铝粉的电弧喷涂反应合成设备，其特征在于，所述粉体收集装置由粉体收集筒集烟器和凝集过滤器构成，所述凝集过滤器与真空泵相连接。

6、一种利用权利要求4所述反应合成设备制备纳米氧化铝粉的方法，其特征是，它包括下列步骤：

(2)在送丝装置上装上两盘相同规格和材质的纯铝焊丝；

(3)启动空气压缩机和焊机，调整空气压力在0.1～0.7MPa范围；

(4)打开氧气瓶，调整氧气压力在0.1～0.7MPa范围；

(5)开启真空泵，开始喷涂。