CN1559729A - 一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备及方法 - Google Patents
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Abstract
一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备及方法属于纳米材料制备技术领域。其特征是自动控制直流电弧阴极的3维移动、阳极的1维移动，以达到自动控制金属纳米粉的稳定、连续生产，并实现不同级别纳米颗粒粒度分级的真空生产设备，包括生成室、分级室、捕集室、处理室等。其为实现自动化连续生产金属纳米粉，确保粉体质量，既不同粒径纳米粒子的分级、同级粒径的均匀分布。本发明的优点是编程控制，液压传动，结构新颖，操作简捷而有效，通过自动控制调整电弧的起弧和燃烧过程，实现金属纳米粉的自动化、连续、稳定的规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域。是一种生产金属纳米粉的装置，特别是一种自动化连续生产金属纳米粉的生成室，以及为提高粉体的品质而设计的纳米粉粒度分级室。
背景技术
纳米粉体材料是指粒径小于100nm的颗粒聚集体，是一种新型的高科技材料，在电子、机械、航空航天、军事、化工、冶金、医疗等领域有广泛的用途，如可用于雷达吸波隐形材料、导电涂料、高性能磁记录材料、高温耐磨材料、金属润滑修复剂，低温钎料、工业催化剂、超导膜材料等。
直流电弧等离子体是制备纳米粒子，特别是金属纳米粒子的一种有效的热源，目前采用此方法初步实现了宏量生产，但对于实现大规模工业化生产，还存在着许多技术问题，主要表现在如何克服目前的人工操作，实现生产过程的自动化；另外，如何实现对不同粒径纳米粒子的分级，以提高纳米粉体的品质，提高技术含量和附加值。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够实现金属纳米粉的自动化、连续、稳定的规模化生产、对不同粒径纳米粒子进行分级、扩大纳米粉体产品种类、提高质量的自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备及方法。
本发明的技术解决方案是，一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备，由依次连接的粉体生成室1、粉体粒度分级室2、粉体捕集室3、粉体处理室4、抽真空系统5、气体循环泵6、液压传动系统9、水冷系统10、编程控制系统11构成；粉体生成室1中安装阳极8和阴极7，并穿过粉体生成室1壁与外部液压传动和编程控制系统连接；粉体粒度分级室2为双壁水冷外壳与液氮冷却罐构成；液压传动系统9由控制阴极73维移动和阳极81维移动的液压罐和传动杆构成；编程控制系统11由可编程控制器PLC、显示器、电源调节器等部件构成。
一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产方法是，将物料装入阳极中并成为阳极的一部分，与阴极形成10～30mm的间隙，整体设备抽真空，通冷却水以冷却电极7、8、各个室壁1、2、3、真空泵5、气体循环泵6等，在分级室的液氮冷却罐中装入液氮；按占系统气压的20～60％通入活性气体，其余为冷凝气体，旋转气体循环泵；启动起弧器和电源，在阴、阳电极间形成电弧，物料开始蒸发并形成纳米粉体颗粒，电弧燃烧过程实现监控，完成阴、阳电极的自动控制；形成的粉体随循环气流移动，在水冷室壁、液氮冷却罐表面沉积，漂浮的颗粒在捕集室被全部收集。在不同冷却部位，获得不同粒径的纳米粉体。
工作气体是氢气。
工作气体是含氢气体，如：甲烷、氨气等。
冷凝气体是惰性气体，如：氩气、氦气等。
阴极的移动采用液压传动，通过可编程控制器PLC实现阴极在z轴的自动控制，反馈电信号为阴、阳极间的电压信号，参照此电压信号调整阴极与阳极间距，达到电弧稳定燃烧的目的。阴极在x，y轴的移动是由独立的液压传动系统，即x，y轴方向的液压传动装置安装在独立的导轨上，通过对x，y轴方向上阴极的成像观察，采用手动控制方式实现阴极在x，y轴的移动。阴极尖部电弧处的3维移动，是由以上提到的阴极顶部3维液压传动，通过生成室壁为支点的杠杆作用而实现的。
阳极料棒的移动亦由PLC控制、液压传动实现的。反馈信号来自阴、阳极间的电压信号，由此调整阴极料棒移动的起步、进料速率及停止，达到自动控制的目的。
粉体粒度分级室安装在循环气流回路中。循环气流是为了实现纳米粉的连续生产，将生成室中生产的粉体通过气流传输到捕集室进行粉体的收集、处理和包装，这种气流循环动力的是由循环风机产生，将贯穿整个制粉设备。液氮冷却法粉体粒度分级室安装在生成室和捕集室之间的气体回路中。
分级室由内部可调速转动的液氮冷却单罐或多罐、双层水冷室壁、粉体收集装置等构成。循环气流携带生成室中生产的纳米粒子进入分级室，由于液氮冷却罐的低温冷却作用，将抑制纳米粒子尺寸的进一步长大，导致纳米粒子中的细颗粒沉积于冷却罐的表面，在分级室的双层水冷内壁上将沉积部分中等尺寸颗粒，大颗粒粒子将随循环气流传输到后面的捕集室中收集。通过上述过程实现纳米粒子尺度的分级。
本发明的优点和所达到的有益效果是，结构新颖，实现金属纳米粉体的自动化规模生产，克服人工操作带来的生产过程和粉体质量的不稳定因素，提高了生产效率，并实现纳米粉体不同级别粒度的分级，从而进一步提高粉体的质量，实现高技术含量和高附加值。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的生成室和分级室在整个设备中的连接示意图。
图2为本发明的生成室结构简图。
图3为本发明的阴极3维移动自动控制液压传动示意图。
图4为本发明的液氮冷却法粉体粒度分级室结构简图。
具体实施方式
一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备，由依次连接的粉体生成室1、粉体粒度分级室2、粉体捕集室3、粉体处理室4、抽真空系统5、气体循环泵6、液压传动系统9、水冷系统10、编程控制系统11构成；粉体生成室1中安装阳极8和阴极7，并穿过粉体生成室1壁与外部液压传动和编程控制系统连接；粉体粒度分级室2为双壁水冷外壳与液氮冷却罐构成；液压传动系统9由控制阴极73维移动和阳极81维移动的液压罐和传动杆构成；编程控制系统11由可编程控制器PLC、显示器、电源调节器等部件构成。
一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产方法是，将物料装入阳极中并成为阳极的一部分，与阴极形成20mm的间隙，整体设备抽真空，通冷却水以冷却电极7、8、各个室壁1、2、3、真空泵5、气体循环泵6等，在分级室的液氮冷却罐中装入液氮；按占系统气压的40％通入氢气，其余为惰性气体，旋转气体循环泵；启动起弧器和电源，在阴、阳电极间形成电弧，物料开始蒸发并形成纳米粉体颗粒，电弧燃烧过程实现监控，完成阴、阳电极的自动控制；形成的粉体随循环气流移动，在水冷室壁、液氮冷却罐表面沉积，漂浮的颗粒在捕集室被全部收集。在不同冷却部位，获得不同粒径的纳米粉体。
Claims (5)
1.一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备，其特征在于，由依次连接的粉体生成室(1)、粉体粒度分级室(2)、粉体捕集室(3)、粉体处理室(4)、抽真空系统(5)、气体循环泵(6)、液压传动系统(9)、水冷系统(10)、编程控制系统(11)构成；粉体生成室(1)中安装阳极(8)和阴极(7)，并穿过粉体生成室(1)壁与外部液压传动和编程控制系统连接；粉体粒度分级室(2)为双壁水冷外壳与液氮冷却罐构成；液压传动系统(9)由控制阴极(7)3维移动和阳极(8)1维移动的液压罐和传动杆构成。
2.使用权利里要求1所述的一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产设备进行金属纳米粉生产的方法，其特征在于，将物料装入阳极中并成为阳极的一部分，与阴极形成10～30mm的间隙，整体设备抽真空，通冷却水以冷却电极(7、8)、各个室壁(1、2、3)、真空泵(5)、气体循环泵(6)等，在分级室的液氮冷却罐中装入液氮；按占系统气压的20～60％通入活性气体，其余为冷凝气体，旋转气体循环泵；启动起弧器和电源，在阴、阳电极间形成电弧，物料开始蒸发并形成纳米粉体颗粒，电弧燃烧过程实现监控，完成阴、阳电极的自动控制；形成的粉体随循环气流移动，在水冷室壁、液氮冷却罐表面沉积，漂浮的颗粒在捕集室被全部收集。在不同冷却部位，获得不同粒径的纳米粉体。
3.根据权利里要求2所述的一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产方法，其特征在于，工作气体是氢气。
4.根据权利里要求2所述的一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产方法，其特征在于，工作气体是含氢气体。
5.根据权利里要求2所述的一种自动控制直流电弧金属纳米粉生产方法，其特征在于，冷凝气体是惰性气体。
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