CN214768918U - 纳米金属包覆粉末的制备设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种纳米金属包覆粉末的制备设备，纳米芯核颗粒制备装置用于将芯核原料蒸发为蒸气的与水电气系统连通的等离子枪和纳米芯核颗粒输出口；包覆装置的蒸发罐顶板的中心有垂直的包覆金属材料进料管，蒸发罐顶板上设有多支与水电气系统连通的第一等离子枪，轴线延长线均与包覆金属材料进料管的轴线延长线交叉；蒸发罐和分散器下方连通有金属蒸气与纳米芯核颗粒接触并螺旋下降以初步包覆的上大下小的中空圆台形的包覆罐，包覆罐下方连通有用于最终形成纳米金属包覆粉的中空直筒形的凝固罐。能防止被包覆粉体即纳米芯核颗粒团聚、输送和包覆过程中芯核颗粒分散性好、能实现包覆粉体在纳米级芯核颗粒上均匀沉积及完整包覆。

Description

纳米金属包覆粉末的制备设备

技术领域

本实用新型涉及金属包覆粉末技术领域，具体讲是一种纳米金属包覆粉末的制备设备。

背景技术

现有技术的金属包覆粉末制备主要采用化学包覆法，工艺相对繁琐，或包覆相对困难，或产生污染，因此在工业应用上较为受限。

现有技术的物理气相沉积法虽然可以实现纳米颗粒在平面上的沉积，但通常需在真空环境下进行，整个金属包覆粉末制备过程需始终抽真空，增加了生产成本。

中国专利网站上公开了一种制备包覆粉末的装置，该装置利用等离子枪作为热源，将包覆材料加热熔化或气化，包覆材料与芯核颗粒相遇，最终实现包覆粉末的制备。利用该装置生产时除输入工质气体前需抽真空外，整个金属包覆粉末制备过程不需始终抽真空，节约了生产成本。但该装置采用存储在容器内的已制备好的芯核颗粒，通过振动送粉或载气送粉的方式输送至包覆罐，粉末在制成之后的存储中本来就很容易团聚，粒径越小，团聚越厉害，因此芯核颗粒的粒径不能太小，不能是亚微米级别的，更不能是纳米级别的，因为亚微米颗粒或纳米颗粒，采用载气方式或振动方式难以将符合质量要求的亚微米颗粒或纳米颗粒顺利送至包覆罐，容易堵塞或者送去的粉是团聚的粉。即，该方法极大地限制了芯核颗粒的尺寸，对于极易发生团聚的亚微米级颗粒甚至纳米级颗粒，无法顺利输送，因此该方法仅适用于对微米级芯核颗粒进行包覆，不能实现对亚微米级颗粒甚至纳米级颗粒进行包覆。

还有，1、由于该装置中的包覆罐或称反应器为直筒形，融化或气化后的包覆粉末颗粒与芯核颗粒的接触为直线相遇，且两者的输送路程均较短，使得芯核颗粒与包覆粉末颗粒的接触时间较短，不易形成有效且完整的包覆。2、由于仅设有一支等离子枪即等离子雾化喷枪系统，等离子雾化喷枪系统中的等离子体焰矩、雾化喷嘴与反应器的中心轴线均在同一直线上，且包覆粉末的送粉通道的轴线与等离子体焰矩、雾化喷嘴的轴线也在同一直线上，为了保证等离子雾化喷枪系统的安全和正常使用，限制了等离子雾化喷枪系统的电流和功率，能量相对不足，包覆粉末的蒸发效果难以保证。3、由于等离子雾化喷枪系统中的雾化喷嘴设在等离子体焰炬和包覆材料如包覆粉末送粉通道出口的下方，等离子体焰炬的高温以及包覆粉末的熔化态或气化态可能将雾化喷嘴烧蚀使其受损而无法正常工作，雾化喷嘴喷射的高速射流可能会使喷嘴内压力快速上升，而影响等离子体焰炬的稳定性，可能使其熄灭甚至回焰烧蚀等离子雾化喷枪。4、芯核粉末的进粉口的位置、角度和数量等均存在不足，难以保证芯核粉末均匀、切向、旋转进入包覆罐内，影响了包覆效率和包覆质量。

综上所述，现有技术中利用等离子体作为热源包覆粉末的装置，难以实现包覆粉体在被包覆的纳米粉体即纳米级颗粒上的均匀沉积以及完整地包覆，其主要难点为纳米粉体极易发生团聚，在空间上很难分散，包覆材料的蒸发效果欠佳，包覆粉末颗粒与芯核颗粒的接触时间较短，包覆材料在单个粉体表面的完整沉积较困难。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种能防止被包覆粉体即纳米芯核颗粒团聚、输送和包覆过程中芯核颗粒分散性好、能实现包覆粉体在纳米级芯核颗粒上均匀沉积及完整包覆的纳米金属包覆粉末的制备设备。

本实用新型的技术解决方案是，提供一种纳米金属包覆粉末的制备设备，包括包覆装置、纳米金属包覆粉末收集装置和工质气体循环系统，还包括纳米芯核颗粒制备装置，纳米芯核颗粒制备装置包括蒸发腔室、芯核原料进料管、用于将芯核原料蒸发为蒸气的与水电气系统连通的等离子枪和纳米芯核颗粒输出口；包覆装置包括蒸发罐，蒸发罐顶板的中心有垂直的包覆金属材料进料管，蒸发罐顶板上设有多支与水电气系统连通的第一等离子枪，每支第一等离子枪的轴线延长线均与包覆金属材料进料管的轴线延长线交叉；蒸发罐上有连通纳米芯核颗粒输送管的呈环形套的纳米芯核颗粒的分散器，分散器的内壁上有多个切向的纳米芯核颗粒的送粉口；蒸发罐和分散器下方连通有用于金属蒸气与纳米芯核颗粒接触并螺旋下降以初步包覆的上大下小的中空圆台形的包覆罐，包覆罐下方连通有用于最终形成纳米金属包覆粉的中空直筒形的凝固罐。

采用以上结构后，本实用新型纳米金属包覆粉末制备设备具有以下优点：由于纳米芯核颗粒制备和纳米金属包覆粉末的制备可连续进行，即边制备纳米芯核颗粒边采用包覆金属蒸气对纳米芯核颗粒进行包覆，可以保证在任何时刻，粉即纳米芯核颗粒在循环的工质气体中完全分散而不发生团聚，粉与粉之间即纳米芯核颗粒与纳米芯核颗粒相互之间是分开的，输送和包覆过程中芯核颗粒分散性好，彻底解决了包覆粉体即纳米芯核颗粒团聚的技术问题。还有，由于分散器的内壁上的纳米芯核颗粒送粉口为切向入口，保证了纳米芯核颗粒随气流旋转进入包覆罐中，上大下小的中空圆台形的包覆罐使金属包覆材料的金属蒸气与纳米芯核颗粒在包覆罐内相遇，并螺旋下降收缩，金属包覆材料的金属蒸气与纳米芯核颗粒接触时间相对长，金属包覆材料的金属蒸气能均匀、完整包覆纳米芯核颗粒，从而得到初步的纳米金属包覆粉末。初步包覆的纳米金属包覆粉末随气流进入凝固罐中，最终凝固的包覆材料的金属蒸气在纳米芯核颗粒表面形成一层致密的金属包覆层，从而得到高质量的纳米金属包覆粉末。还有，由于本实用新型包覆装置顶部的蒸发罐顶板中心的垂直布置且连通工质气体循环系统的包覆材料的进料管，加之蒸发罐顶板上的多支与水电气连通的第一等离子枪每支等离子枪的轴线延长线均与包覆金属材料进料管的轴线延长线交叉，垂直的包覆金属材料的进料管与第一等离子枪分开设置，在保证与水电气系统连通的第一等离子枪的安全和正常使用的前提条件下，第一等离子枪的数量、电流和功率等均不受限制，可形成稳定的高温、高能量、高密度的第一等离子体射流，使金属包覆材料蒸发所需的热源能量充足，保证了金属包覆材料高效的蒸发效果。

进一步地，凝固罐下方连通有用于收集沉积的纳米金属包覆粉末的收集器，收集器经管道连通有用于收集由气流带入的纳米金属包覆粉末的气固分离器，气固分离器连通空气压缩装置的进口，空气压缩装置的出口经管道与芯核原料进料管、第一气体入口、第二气体入口、第三气体入口和包覆金属材料进料管连通，构成封闭的工质气体循环系统，该封闭的工质气体循环系统经阀门和气管与工质气体甁连接。采用以上结构后，既定时收集凝固罐团聚下沉形成的相对大的纳米金属包覆粉末，又定时收集随气流进入气固分离器的相对小的纳米颗粒金属包覆粉末，所分离的气体进入气体循环系统，后连通于工质气体循环系统继续使用，该步骤可以实现工质气体的循环利用，大大降低了生产成本，实现纳米金属包覆粉末的低成本、高效率和高质量的制备。

与水电气系统连通的第一等离子枪的具体结构为：第一电源为直流恒流源，第一电源正极与第一等离子枪外侧的第一阳极电连接，第一电源负极与第一等离子枪中心的第一阴极电连接；第一储气罐经第一气管和固定在第一阴极外圆周上的圆环形的第一旋气环套连通第一阳极与第一阴极之间的第一缝隙；第一冷水机组经第一进水管和第一出水管分别连通第一阴极内的冷却水道和第一阳极中的冷却水道；以使输出的恒定电流将第一阳极与第一阴极之间的工质气体击穿并形成第一等离子体，并随工质体循环系统的气流流动至第一阳极喷口处喷出而形成稳定的高温、高能量、高密度的第一等离子体射流，从而安全地提供包覆金属材料蒸发所需的热源。包覆装置中与水电气系统连通的等离子枪采用以上具体结构后，由于电流将第一阳极与第一阴极之间的工质气体击穿形成等离子体，并随气流流动至阳极喷口处喷出而形成稳定的高温、高能量、高密度的第一等离子体射流，且多支第一等离子枪产生的交叉的第一等离子射流将金属包覆材料进料管出口处的金属材料蒸发并得到金属蒸气，且产生的蒸气在第一等离子枪外，不会出现雾化喷嘴即阳极喷口处烧蚀使其受损而无法正常工作的现象，且由于以上结构加之与水电气系统连通的第一等离子枪的电源采用直流恒流源而输出恒定电流，第一等离子枪工作稳定，不会出现熄灭甚至回焰烧蚀第一等离子枪的现象，保证了第一等离子枪的自身安全和正常使用。

进一步地，纳米芯核颗粒制备装置采用非转移弧的与水电气系统连通的第二等离子枪；蒸发腔室为蒸发室，蒸发室为中空U字形体，顶部为盖板，盖板的中心有垂直的芯核原料进料管，多支与水电气系统连通的第二等离子枪设在盖板上，每支第二等离子枪的轴线延长线均与垂直的芯核原料进料管的轴线延长线交叉；蒸发室侧壁上有与工质气体循环系统连通的第二气体入口，蒸发室侧壁上还有输出固态的纳米芯核颗粒的向下的纳米芯核颗粒输出口。采用以上结构后，能保证纳米芯核颗粒的制备及后续的纳米金属包覆粉末的制备安全、连续和正常地进行，且应用范围广泛，对于芯核颗粒来讲，既可应用于低熔点的材料，又可以用于高熔点的材料，既可以用于金属材料，也可以用于非金属材料，采用该纳米芯核颗粒制备装置制备出来的纳米芯核颗粒能进一步保证，在任何时刻，纳米芯核颗粒在循环的工质气体中完全分散而不发生团聚。

进一步地，与水电气系统连通的第二等离子枪的具体结构如下：第二电源为直流恒流源，第二电源正极与第二等离子枪外侧的第二阳极电连接，第二电源负极与第二等离子枪中心的第二阴极电连接；第二储气罐经第二气管和固定在第二阴极外圆周上的圆环形的第二旋气环套连通第二阳极与第二阴极之间的第二缝隙；第二冷水机组经第二进水管和第二出水管分别连通第二阴极内的冷却水道和第二阳极中的冷却水道；以使输出的恒定电流将第二阳极与第二阴极之间的工质气体击穿形成第二等离子体，并随气流流动至第二阳极喷口处喷出而形成稳定的高温、高能量和高密度的第二等离子射流，从而安全地提供芯核原料蒸发所需的热源。芯核颗粒制备装置中与水电气系统连通的非转移弧的第二等离子枪采用以上具体结构后，由于电流将阳极与阴极之间的工质气体击穿形成等离子体，并随气流流动至阳极喷口处喷出而形成稳定的高温、高能量、高密度的第二等离子体射流，且多支第二等离子枪产生的交叉的第二等离子射流将进料管出口处的材料蒸发并得到蒸气，且产生的蒸气在第二等离子枪外，不会出现雾化喷嘴即阳极喷口处烧蚀使其受损而无法正常工作的现象，且由于以上结构加之与水电气系统连通的第二等离子枪的电源采用直流恒流源而输出恒定电流，第二等离子枪工作稳定，不会出现熄灭甚至回焰烧蚀等离子枪的现象，保证了第二等离子枪的自身安全和正常使用。

进一步地，纳米芯核颗粒制备装置采用转移弧的与水电气系统连通的第三等离子枪；蒸发腔室为蒸发釜，第三等离子枪的数量为一支，垂直安装在蒸发釜顶板的中心，蒸发釜顶板的一侧有斜的芯核原料进料管，蒸发釜侧壁上有与工质气体循环系统连通的第三气体入口，蒸发釜侧壁还有输出固态的纳米芯核颗粒的向上的纳米芯核颗粒输出口。采用以上结构后，能保证纳米芯核颗粒的制备及后续的纳米金属包覆粉末的制备安全、连续和正常地进行，该转移弧系统相对非转移弧系统，相对节约生产成本，且能满足低熔点金属材料蒸发的需要，冷却后形成固体纳米金属芯核颗粒完全能满足质量和输送分散的要求，该步骤制备出来的芯核颗粒能进一步保证在任何时刻，纳米芯核颗粒在循环的工质气体中完全分散而不发生团聚。

进一步地，与水电气系统连通的第三等离子枪的具体结构如下：第三电源为直流恒流源，第三电源正极与第三阳极即放于蒸发釜中的金属固体棒电连接，金属固体棒与放入蒸发釜中待蒸发的芯核金属固体为相同的金属材料，第三电源负极与位于第三阳极上方的第三阴极电连接；第三储气罐经第三气管、固定在第三阴极外圆周上的圆环形的第三旋气环套连通第三阳极与第三阴极上下之间的第三缝隙；第三冷水机组经第三进水管和第三出水管分别连通第三阴极内的冷却水道和反应釜的冷却水套；以使输出的恒定电流将第三阳极与第三阴极之间的工质气体击穿形成第三等离子射流，由于工质气体的持续输入，第三等离子射流保持稳定，持续加热蒸发釜中的金属固体，并逐渐将其蒸发形成纳米颗粒。采用以上结构后，输出的恒定电流将第三阳极与第三阴极之间的工质气体击穿形成第三等离子射流，由于工质气体的持续输入，第三等离子射流保持稳定，持续加热蒸发釜中的金属固体，并逐渐将其蒸发形成纳米颗粒，第三等离子枪工作稳定，不会出现熄灭甚至回焰烧蚀等离子枪的现象，保证了第三等离子枪的自身安全和正常使用。

进一步地，分散器的送粉口所在壁的壁厚为5mm-10mm；送粉口的数量为沿圆周均匀分布的4-8个；送粉口的切向角度为：送粉口轴线与分散器的内壁构成的中心圆的一直径线的夹角呈5°-45°；送粉口的轴线与水平线的夹角为5°-15°；圆形的送粉口的直径为3mm-6mm。分散器的送粉口所在壁的壁厚采用以上优选尺寸后，既保证纳米芯核颗粒经切向送粉口旋转进入包覆罐，又壁避免过薄或过厚使切向打孔困难；以上切向角度优选范围使纳米芯核颗粒进入的旋转效果更好；以上送粉口的轴线与水平线的夹角优选范围可使旋转气体携带纳米芯核颗粒以与水平线夹角向下的角度进入包覆罐；以上圆形的送粉口的直径优选范围既防止孔径过小发生堵塞，又防止直径过大使纳米芯核颗粒分散而不利于形成旋转进入包覆罐的路径；以上结构有效保证了纳米金属颗粒更均匀、更顺畅地随气流旋转进入包覆罐中，从而从纳米芯核颗粒进入工序上保证了纳米金属包覆粉末的包覆效率和包覆质量。

进一步地，分散器上连通有两个三通管路，每个三通管路中一路为纳米芯核颗粒入口，一路为第一气体入口，一路为将混合后的纳米芯核颗粒与循环的工质气体送入分散器的气粉入口。采用以上结构后，输送纳米芯核颗粒的管道布局更简单、更合理，工质气体气流推动纳米芯核颗粒进入分散器的过程更顺畅、更快捷，能进一步保证纳米芯核颗粒输送过程中的分散性。

进一步地，包覆罐、凝固罐、蒸发腔室和蒸发罐的外壁上均有保温层。采用以上结构后，能相对节约能量，降低生产成本。

附图说明

图1是本实用新型设备采用非转移弧系统实施例的竖向剖视结构示意图。

图2是本实用新型设备采用转移弧系统实施例的竖向剖视结构示意图。

图3是图1和图2中的包覆装置的放大结构示意图。

图4是包覆罐中的与水电气系统连通的第一等离子枪的结构示意图。

图5是纳米芯核颗粒制备装置中的与水电气系统连通的第二等离子枪的结构示意图。

图6是纳米芯核颗粒制备装置中的与水电气系统连通的第三等离子枪的结构示意图。

图中所示：

11、纳米芯核颗粒入口，12、第一气体入口，13、蒸发罐，14、蒸发罐顶板，15、包覆金属材料进料管，16、第一等离子枪，17、管道，18、空气压缩装置，19、气固分离器，110、收集器，111、第一保温层，112、凝固罐，113、包覆罐、114、内壁，115、分散器，116、气粉入口，117、纳米芯核颗粒，118、纳米芯核颗粒输送管,119、初步包覆的纳米金属包覆粉末；

21、向下的纳米芯核颗粒输出口，22、第二保温层，23、蒸发室，24、第二气体入口，25、盖板，26、第二等离子枪，27、垂直的芯核原料进料管；

31、向上的纳米芯核颗粒输出口，32、第三保温层，33、蒸发釜，34、第三气体入口，35、蒸发釜顶板，36、第三等离子枪，37、斜的芯核原料进料管,38、金属固体棒；

161、第一冷水机组,162、第一出水管、163、第一进水管，164、第一阴极，165、第一导线，166、第一旋气环套，167、第一缝隙，168、第一电源负极，169、第一电源，1610、第一电源正极，1611、第一阳极，1612、第一等离子射流，1613、第一气管，1614、第一储气罐，1615、第一阳极喷口；

261、第二冷水机组,262、第二出水管、263、第二进水管，264、第二阴极，265、第二导线，266、第二旋气环套，267、第二缝隙，268、第二电源负极，269、第二电源，2610、第二电源正极，2611、第二阳极，2612、第二等离子射流，2613、第二气管，2614、第二储气罐，2615、第二阳极喷口；

361、第三冷水机组,362、第三出水管、363、第三进水管，364、第三阴极，365、第三导线，366、第三旋气环套，367、第三缝隙，368、第三电源负极，369、第三电源，3610、第三电源正极，3611、第三阳极，3612、第三等离子射流，3613、第三气管，3614、第三储气罐，3615、冷却水套。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要声明的是，对于这些具体实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型的各个具体实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1、图2、图3所示。

本实用新型纳米金属包覆粉末的制备设备包括纳米芯核颗粒制备装置、包覆装置、纳米金属包覆粉末收集装置和工质气体循环系统。纳米芯核颗粒制备装置包括蒸发腔室、芯核原料进料管、用于将芯核原料蒸发为蒸气的与水电气系统连通的等离子枪和纳米芯核颗粒输出口。蒸发腔室包括下述的蒸发室23和蒸发釜33。芯核原料进料管包括下述的垂直的芯核原料进料管27和斜的芯核原料进料管37。纳米芯核颗粒输出口包括下述的向下的纳米芯核颗粒输出口21和向上的纳米芯核颗粒输出口31。包覆装置包括蒸发罐13，蒸发罐顶板14的中心有垂直的包覆金属材料进料管15，蒸发罐顶板14上设有多支与水电气系统连通的第一等离子枪16，每支第一等离子枪16的轴线延长线均与包覆金属材料进料管15的轴线延长线交叉，蒸发罐13上有连通纳米芯核颗粒输送管118的呈环形套的纳米芯核颗粒的分散器115，分散器115的内壁114上有多个切向的纳米芯核颗粒117的送粉口(图中未示出)。蒸发罐13和分散器115下方连通有用于金属蒸气与纳米芯核颗粒接触并螺旋下降以初步包覆的上大下小的中空圆台形的包覆罐113，包覆罐113下方连通有用于最终形成纳米金属包覆粉的中空直筒形的凝固罐112，凝固罐112下方连通有用于收集沉积的纳米金属包覆粉末的收集器110，收集器110经管道17连通有用于收集由气流带进的纳米金属包覆粉末的气固分离器19，气固分离器19连通空气压缩装置18的进口，空气压缩装置18的出口经管道17与芯核原料进料管、第一气体入口12、第二气体入口24、第三气体入口34和包覆金属材料进料管15连通，构成封闭的工质气体循环系统，该封闭的工质气体循环系统经阀门和气管与工质气体甁连接(制备装置的气管和工质气体甁图中未示出,图4、图5、图6中示出的是等离子枪的气管)。以上蒸发罐13、分散器115、包覆罐113和收集器110相互之间的连接关系也可换句话来描述：蒸发罐13和分散器115下方为用于金属蒸气与纳米芯核颗粒接触并螺旋下降以初步包覆的上大下小的中空圆台形的包覆罐113，蒸发罐13与包覆罐113连通，分散器115与包覆罐113经送粉口连通。包覆罐113下方为用于最终形成纳米金属包覆粉末的中空直筒形的凝固罐112，包覆罐113与凝固罐112连通。

收集器110也称收集罐。气固分离器19可采用以下具体结构(图中未示出)：外壳是气密封的罐体，罐体一端经管道与收集器连通，另一端经管道与空气压缩机或气泵气体连通，该罐体内有一由气流带入的纳米金属包覆粉末的收集布袋，从收集器过来的粉末被集中在布袋内，气体则进入空气压缩机或气泵。该罐体上有可拆卸的活门，平常封闭并密封，需取出布袋内粉末时可打开而更换布袋或取出布袋中的纳米金属包覆粉末。管道17上可设阀门(图中未示出)，以便于控制和检修。

包覆罐113和凝固罐112外壁可包覆有第一保温层111，第一保温层111的厚度优选为20mm-200mm。图1和图2中示出一种优选实施例：包覆罐113外壁的第一保温层111的厚度薄于凝固罐112外壁的第一保温层111厚度，且包覆罐113外壁的第一保温层111的厚度不均匀，其合理性在于主要是对凝固罐112进行保温，而包覆罐113保温的重要性次之。采用以上结构后，能相对节约能量，降低生产成本。当然包覆罐113外壁的第一保温层的厚度可与凝固罐112外壁的第一保温层厚度相等，且包覆罐外壁的第一保温层的厚度可均匀设置。

如图1、图2、图4所示，包覆装置中采用非转移弧的与水电气系统连通的第一等离子枪16：第一电源169为直流恒流源，第一电源正极1610与第一等离子枪16外侧的第一阳极1611电连接，第一电源负极168与第一等离子枪16中心的第一阴极164电连接，所述电连接采用第一导线165连接。第一储气罐1614经第一气管1613和固定在第一阴极164外圆周上的圆环形的第一旋气环套166连通第一阳极1611与第一阴极164之间的第一缝隙167。换句话说，第一储气罐1614经第一气管1613和固定在第一阴极164外圆周上的圆环形的第一旋气环套166将工质气体送至第一阳极1611与第一阴极164之间的第一缝隙167内。第一冷水机组161经第一进水管163和第一出水管162分别连通第一阴极164内的冷却水道和第一阳极1611中的冷却水道，以使输出的恒定电流将第一阳极1611与第一阴极164之间的工质气体击穿并形成第一等离子体，并随气流流动至第一阳极喷口1615处喷出而形成稳定的高温、高能量、高密度的第一等离子体射流，从而安全地提供包覆金属材料蒸发所需的热源。

分散器115的送粉口所在壁的壁厚为5mm-10mm。送粉口的数量为沿圆周均匀分布的4-8个。送粉口的切向角度为：送粉口轴线与分散器115的内壁114构成的中心圆的一直径线的夹角呈5°-45°。送粉口的轴线与水平线的夹角为5°-15°。圆形的送粉口的直径为3mm-6mm。

如图1、图2、图3所示，分散器115上连通有两个三通管路，每个三通管路中一路为纳米芯核颗粒入口11，一路为循环的工质气体的第一气体入口12，一路为将混合后的纳米芯核颗粒117与循环的工质气体送入分散器115的气粉入口116。纳米芯核颗粒入口11连通纳米芯核颗粒输送管118，纳米芯核颗粒输送管118连通芯核颗粒制备装置的输出固态的纳米芯核颗粒输出口。当然，分散器上也可有其他数量的三通管路，如连通一个三通管路或三个三通管路、或四个三通管路。

如图1、图2、图3所示，蒸发罐13上部为上小下大的中空圆台状，下部为中空圆柱状。蒸发罐13最大高度与最大直径之比优选为1：0.5-3。第一等离子枪16的轴线延长线与包覆金属材料进料管15的轴线延长线的夹角可为10°-90°，优选为40°-70°。蒸发罐13优选以上形状和尺寸范围后，在节省材料成本和保证蒸发过程正常进行的前提下，其蒸发效果更好，包覆金属蒸气分布更均匀。以上第一等离子枪16的轴线延长线与包覆金属材料进料管15的轴线延长线的夹角的优选范围，使多个第一等离子枪16喷射出的交叉的第一等离子体射流1612更集中，能量也相对更高，对包覆金属材料进料管15出口处的包覆金属才料的蒸发效果更好。

如图1、图2、图4所示，第一等离子枪16末端与包覆金属材料进料管15末端的距离优选为0.5mm-1.5mm。采用以上结构后，在保证包覆金属材料进料管15不被第一等离子体射流1612烧蚀而使其受损的前提下，多支第一等离子枪16尽可能地贴近包覆金属材料进料管15，以进一步保证各第一等离子枪16喷发的第一等离子体射流1612能更好地合并到一起，并使包覆金属材料进料管15的金属材料能顺利进入到第一等离子体射流1612的中心而蒸发。

包覆金属材料进料管15的内径可为1mm-18mm，包覆金属材料进料管15的内径优选为3mm-10mm。采用以上优选范围后，既保证进料顺畅，又使进料能集中于交叉的等离子弧上，以保证更好的蒸发效果。

如图1、图5所示，采用非转移弧的与水电气系统连通的第二等离子枪26的纳米芯核颗粒制备装置的具体结构可为：蒸发腔室为蒸发室23，蒸发室23可为中空U字形体，顶部为盖板25，盖板25可采用不锈钢板，可承受高温以及至少0.2Mpa的压力。盖板25的中心有垂直的芯核原料进料管27，盖板25上设有多支与水电气系统连通的第二等离子枪26，每支第二等离子枪26的轴线延长线均与垂直的芯核原料进料管27的轴线延长线交叉，第二等离子枪26的数量可以是2-10支，优选3-6支。第二等离子枪26的轴线延长线与垂直的芯核原料进料管27的轴线延长线的夹角可为10°-90°，优选为40°-70°。各第二等离子枪26以垂直的芯核原料进料管27的轴线为圆心，在不大于蒸发室23直径的圆周上均匀分布。所述第二等离子枪26与垂直的芯核原料进料管27的距离优选为0.5mm-1.5mm。垂直的芯核原料进料管27的直径可为2mm-20mm，优选直径为2mm-10mm，主要是考虑既使进料通畅，又要使所进的芯核原料相对集中在第二等离子射流2612上。蒸发室23侧壁上有与工质气体循环系统连通的第二气体入口24。还有输出固态的纳米芯核颗粒117的向下的纳米芯核颗粒输出口21。采用以上具体结构后，在节省材料成本和保证蒸发过程正常进行的前提下，其蒸发效果更好，芯核蒸汽分布更均匀，经循环的工质气体冷却后的固体的纳米芯核颗粒117的分散性更好。以上第二等离子枪26的轴线延长线与垂直的芯核原料进料管27的轴线的夹角的优选范围，使多个第二等离子枪26喷射出的交叉等第二离子体射流2612更集中，能量也相对更高，对垂直的芯核原料进料管27出口处的芯核原料的蒸发效果更好。U字形的蒸发室23外壁上有第二保温层22，第二保温层22厚度可为20mm-200mm，两侧可比底部薄。采用以上结构后，能相对节约能量，降低生产成本。不难理解，蒸发室与蒸发罐名称可互换。

如图1、图5所示，与水电气系统连通的第二等离子枪26的具体结构如下：第二电源269为直流恒流源，第二电源正极268与第二等离子枪26外侧的第二阳极2611电连接，第二电源负极268与第二等离子枪26中心的第二阴极264电连接，所述电连接采用第二导线265连接。第二储气罐2614经第二气管2613和固定在第二阴极264外圆周上的圆环形的第二旋气环套266连通第二阳极2611与第二阴极264之间的第二缝隙167。换句话说，第二储气罐2614经第二气管2613和固定在第二阴极264外圆周上的圆环形的第二旋气环套266将工质气体送至第二阳极2611与第二阴极264之间的第二缝隙167内。第二冷水机组261经第二进水管263和第二出水管262分别连通第二阴极264内的冷却水道和第二阳极2611中的冷却水道。以使输出的恒定电流将第二阳极2611与第二阴极264之间的工质气体击穿形成第二等离子体，并随气流流动至第二阳极喷口2615处喷出而形成稳定的高温、高能量和高密度的第二等离子体射流2612，从而安全地提供芯核原料蒸发所需的热源。

如图2、图6所示，采用转移弧的与水电气系统连通的第三等离子枪36的纳米芯核颗粒制备装置的具体结构可为：蒸发腔室采用蒸发釜33，蒸发釜33仅与转移弧的与水电气系统连通的第三等离子枪36搭配使用。第三等离子体枪36设在蒸发釜顶板35上。蒸发釜顶板35的一侧有斜的芯核原料进料管37，斜的芯核原料进料管37允许有折弯，但优选为直管。第三等离子枪36的数量可如图2所示的为1支，垂直安装在蒸发釜顶板35的中心。当然，第三等离子枪36的数量也可为多支。除中心的一支外，其余每支第三等离子枪的轴线延长线均与蒸发釜的中心垂线交叉，其余第三等离子枪可以蒸发釜的中心垂线也是中心的那支第三等离子枪的轴线为圆心，以不大于所述蒸发釜直径的圆周上均匀分布。各第三等离子枪与中心垂线的夹角可为10°-89°，优选为40°-70°。所述芯核原料进料管的直径可为1mm-100mm，优选直径为50mm-100mm，因为在采用转移弧的与水电气系统连通的第三等离子枪36的纳米芯核颗粒制备装置中，只要能保证进料通畅就行，没有其他限制。蒸发釜33侧壁上有与工质气体循环系统连通的第三气体入口34，还有输出固态的纳米芯核颗粒117的向上的纳米芯核颗粒输出口31。采用蒸发釜33和优选以上尺寸范围后，在节省材料成本和保证蒸发过程正常进行的前提下，其蒸发效果更好，芯核蒸汽分布更均匀，经工质气体冷却后的固体纳米芯核颗粒的分散性更好。蒸发釜33外壁上有第三保温层32，第三保温层32厚度可为20mm-200mm。采用以上结构后，能相对节约能量，降低生产成本。上述向下的纳米芯核颗粒输出口21和向上的纳米芯核颗粒输出口31统称纳米芯核颗粒输出口。

如图2、图6所示，与水电气系统连通的第三等离子枪36的具体连接及结构如下：第三电源369为直流恒流源，第三电源正极3610与第三阳极3611即放于蒸发釜33中的金属固体棒38电连接，金属固体棒38与放入蒸发釜33中待蒸发的芯核金属固体为相同的金属材料，第三电源负极368与位于第三阳极3611上方的第三阴极364电连接，所述电连接采用第三导线365连接。第三储气罐3614经第三气管3613和固定在第三阴极364外圆周上的圆环形的第三旋气环套366连通第三阳极3611与第三阴极364上下之间的第三缝隙367。换句话说，第三储气罐3614经第三气管3613和固定在第三阴极364外圆周上的圆环形的第三旋气环套366将工质气体送至第三阳极3611与第三阴极364上下之间的第三缝隙367处。第三冷水机组361经第三进水管363和第三出水管362分别连通第三阴极364内的冷却水道和蒸发釜的冷却水套3615。以使输出的恒定电流将第三阳极3611与第三阴极364之间的工质气体击穿形成第三等离子射流3612，由于工质气体的持续输入，第三等离子射流3612保持稳定，持续加热蒸发釜33中的金属固体，并逐渐将其蒸发形成金属纳米颗粒。图2中的金属固体棒38就是图6中的第三阳极3611。不难理解，采用转移弧的与水电气系统连通的第三等离子枪36的芯核颗粒制备装置，只适应制备纳米金属芯核颗粒。

工质气体也称工作气体，如采用氮气、氩气、氦气、氢气中的一种。不难理解，工质气体循环系统是一个封闭的系统，它由连通的管道和空气压缩机或气泵构成，并经气管与工质气体甁连接，工质气体循环系统需要原始进气或后续补气时打开工质气体甁的阀门即可。金属包覆材料进料管也称为金属包覆材料加料管。芯核原料进料管也称芯核原料加料管。芯核原料蒸气也称芯核原料蒸汽。金属包覆材料蒸气也称金属包覆材料蒸汽。

与水电气连通的等离子枪采用非转移弧的，所述芯核原料可以为金属或非金属材料，例如铜、镍、钴、铁基合金、镍基合金、钴基合金、钨铜合金、硅、陶瓷材料等。与水电气连通的等离子枪采用转移弧的，所述芯核原料限于金属材料，例如铜、镍、钴、铁基合金、镍基合金、钴基合金、钨铜合金等。

所述包覆金属材料应做广义理解：可以为单质金属，如银、金，也可以为合金，如钴基合金、镍基合金、不锈钢等。

与水电气系统连通的等离子枪包括第一等离子枪16、第二等离子枪26和第三等离子枪36其工作电流可为50A-1000A，工作电流优选为100A-400A。工作功率可为5kW-1000kW，工作功率优选为20kW-100kW。

不难理解，所有等离子枪包括第一等离子枪16、第二等离子枪26和第三等离子枪36的外端如上端均与水电气系统连接，所有等离子枪的内端如下端产生等离子射流包括第一等离子射流1612、第二等离子射流2612和第三等离子射流3612。

与水电气系统连通的等离子枪有多种叫法，有的称等离子枪及其对应的供水供电供气设备，有的称等离子雾化喷枪系统，有的称等离子弧发生装置，有的用等离子体焰矩和雾化喷嘴来代替总的名称，有的称为非转移弧或转移弧，也有直接称为非转移弧系统或转移弧系统。所产生的等离子射流也有多种叫法，有的称等离子弧，有的称等离子电弧，有的称等离子体弧，有的称等离子电弧射流。

以下分别说明芯核颗粒制备装置采用非转移弧的与水电气系统连通的第二等离子枪制备纳米金属包覆粉末方法的具体步骤、以及采用转移弧的与水电气系统连通的第三等离子枪制备纳米金属包覆粉末方法的具体步骤。

纳米金属包覆粉末的制备方法中，芯核颗粒制备装置采用非转移弧的与水电气系统连通的第二等离子枪26将芯核原料加热蒸发的具体步骤如下：

纳米芯核颗粒制备和纳米金属包覆粉末的制备连续进行：

1)、对连通芯核颗粒制备装置、包覆装置、收集装置的工质气体循环系统抽真空，通入工质气体，进行系统气密性测试并合格。

2)、开启芯核颗粒制备装置的非转移弧的第二等离子枪26的水电气系统。

3)、开启包覆装置的非转移弧的第一等离子枪16的水电气系统。

4)、经垂直的芯核原料进料管27向粒蒸发室23中导入芯核原料，将芯核原料加热蒸发成为芯核原料蒸气，通过工质气体循环系统的气流将芯核原料蒸气冷却成为固态的纳米芯核颗粒117并经向下的纳米芯核颗粒输出口21和纳米芯核颗粒输送管118送至包覆装置，纳米芯核颗粒117在输送管道中为分散状态。

5)、经包覆金属材料进料管15导入包覆金属材料，第一等离子枪16产生的交叉的第一等离子射流1612将包覆金属材料进料管15出口处的包覆金属材料加热蒸发为包覆金属蒸气，并送至上大下小的中空圆台形的包覆罐113内。

6)、同时，包覆装置呈环形套的纳米芯核颗粒117的分散器115的多个切向送粉口随气流将呈分散状态的纳米芯核颗粒117旋转送至包覆罐内。

7)、金属包覆材料的金属蒸气与被气流冷却即相对冷的纳米芯核颗粒117在上大下小的中空圆台形的包覆罐113内相遇，并在螺旋下降收缩过程中使纳米芯核颗粒117表面均匀且完整地沉积形成一层金属包覆层，制备出初步包覆的纳米金属包覆粉末119。

8)、初步包覆的纳米金属包覆粉末119随气流进入凝固罐112中凝固后，在芯核颗粒表面形成一层致密的金属包覆层，制备出最终的纳米金属包覆粉末。

9)、打开活门，收集沉积在凝固罐112下方中空直筒形的收集器110内纳米金属包覆粉末，关闭活门并包装纳米金属包覆粉末。

10)、打开活门，收集由气流经管道17带至气固分离器19布袋(布袋图中未示出)中的纳米金属包覆粉末，关闭活门并包装纳米金属包覆粉末；气固分离器19中的工质气体由空气压缩装置18如空气压缩机或气泵输入封闭的工质气体循环系统。

纳米金属包覆粉末的制备方法中，芯核颗粒制备装置采用转移弧的与水电气系统连通的第三等离子枪36将芯核原料加热蒸发的具体步骤如下：

纳米芯核颗粒制备和纳米金属包覆粉末的制备连续进行：

1)、对连通芯核颗粒制备装置、包覆装置、收集装置的工质气体循环系统抽真空，通入工质气体，进行系统气密性测试并合格；

2)、开启芯核颗粒制备装置的转移弧的第三等离子枪36的水电气系统；

3)、开启包覆装置的非转移弧的第一等离子枪16的水电气系统。

4)、经斜的芯核原料进料管37向蒸发釜33中导入芯核金属原料，将芯核金属原料加热蒸发成为芯核金属蒸气，通过气流将芯核金属蒸气冷却成为固态的纳米芯核颗粒117并经向上的纳米芯核颗粒输出口31和纳米芯核颗粒输送管118送至包覆装置，纳米芯核颗粒117在输送管道中为分散状态，该纳米芯核颗粒117为纳米金属芯核颗粒。

5)、经包覆金属材料进料管15导入包覆金属材料，第一等离子枪16产生的交叉的第一等离子射流1612将包覆金属材料进料管15出口处的包覆金属材料加热蒸发为包覆金属蒸气，并送至上大下小的中空圆台形的包覆罐113内。

6)、同时，包覆装置呈环形套的纳米芯核颗粒117的分散器115的多个切向送粉口随气流将呈分散状态的纳米芯核颗粒117旋转送至包覆罐内。

7)、金属包覆材料的金属蒸气与被气流冷却即相对冷的纳米芯核颗粒117在上大下小的中空圆台形的包覆罐113内相遇，并在螺旋下降收缩过程中使纳米芯核颗粒117表面均匀且完整地沉积形成一层金属包覆层，制备出初步包覆的纳米金属包覆粉末119。

8)、初步包覆的纳米金属包覆粉末119随气流进入凝固罐112中凝固后，在芯核颗粒表面形成一层致密的金属包覆层，制备出最终的纳米金属包覆粉末。

9)、打开活门，收集沉积在凝固罐112下方中空直筒形的收集器110内纳米金属包覆粉末，关闭活门并包装纳米金属包覆粉末。

10)、打开活门，收集由气流经管道17带至气固分离器19布袋中的纳米金属包覆粉末，关闭活门并包装纳米金属包覆粉末；气固分离器19中的工质气体由空气压缩装置18如空气压缩机或气泵输入封闭的工质气体循环系统。

以上所述仅为本实用新型的优选实施方式，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米金属包覆粉末的制备设备，包括包覆装置、纳米金属包覆粉末收集装置和工质气体循环系统，其特征在于：还包括纳米芯核颗粒制备装置，纳米芯核颗粒制备装置包括蒸发腔室、芯核原料进料管、用于将芯核原料蒸发为蒸气的与水电气系统连通的等离子枪和纳米芯核颗粒输出口；包覆装置包括蒸发罐，蒸发罐顶板的中心有垂直的包覆金属材料进料管，蒸发罐顶板上设有多支与水电气系统连通的第一等离子枪，每支第一等离子枪的轴线延长线均与包覆金属材料进料管的轴线延长线交叉；蒸发罐上有连通纳米芯核颗粒输送管的呈环形套的纳米芯核颗粒的分散器，分散器的内壁上有多个切向的纳米芯核颗粒的送粉口；蒸发罐和分散器下方连通有用于金属蒸气与纳米芯核颗粒接触并螺旋下降以初步包覆的上大下小的中空圆台形的包覆罐，包覆罐下方连通有用于最终形成纳米金属包覆粉的中空直筒形的凝固罐。

2.根据权利要求1所述的纳米金属包覆粉末的制备设备，其特征在于：凝固罐下方连通有用于收集沉积的纳米金属包覆粉末的收集器，收集器经管道连通有用于收集由气流带入的纳米金属包覆粉末的气固分离器，气固分离器连通空气压缩装置的进口，空气压缩装置的出口经管道与芯核原料进料管、第一气体入口、第二气体入口、第三气体入口和包覆金属材料进料管连通，构成封闭的工质气体循环系统，该封闭的工质气体循环系统经阀门和气管与工质气体甁连接。

3.根据权利要求1所述的纳米金属包覆粉末的制备设备，其特征在于：与水电气系统连通的第一等离子枪的结构为：第一电源为直流恒流源，第一电源正极与第一等离子枪外侧的第一阳极电连接，第一电源负极与第一等离子枪中心的第一阴极电连接；第一储气罐经第一气管和固定在第一阴极外圆周上的圆环形的第一旋气环套连通第一阳极与第一阴极之间的第一缝隙；第一冷水机组经第一进水管和第一出水管分别连通第一阴极内的冷却水道和第一阳极中的冷却水道；以使输出的恒定电流将第一阳极与第一阴极之间的工质气体击穿并形成第一等离子体，并随工质循环系统的气流流动至第一阳极喷口处喷出而形成稳定的高温、高能量、高密度的第一等离子体射流，从而安全地提供包覆金属材料蒸发所需的热源。

4.根据权利要求1所述的纳米金属包覆粉末的制备设备，其特征在于：纳米芯核颗粒制备装置采用非转移弧的与水电气系统连通的第二等离子枪；蒸发腔室为蒸发室，蒸发室为中空U字形体，顶部为盖板，盖板的中心有垂直的芯核原料进料管，多支与水电气系统连通的第二等离子枪设在盖板上，每支第二等离子枪的轴线延长线均与垂直的芯核原料进料管的轴线延长线交叉；蒸发室侧壁上有与工质气体循环系统连通的第二气体入口，蒸发室侧壁上还有输出固态的纳米芯核颗粒的向下的纳米芯核颗粒输出口。

5.根据权利要求4所述的纳米金属包覆粉末的制备设备，其特征在于：与水电气系统连通的第二等离子枪的结构如下：第二电源为直流恒流源，第二电源正极与第二等离子枪外侧的第二阳极电连接，第二电源负极与第二等离子枪中心的第二阴极电连接；第二储气罐经第二气管和固定在第二阴极外圆周上的圆环形的第二旋气环套连通第二阳极与第二阴极之间的第二缝隙；第二冷水机组经第二进水管和第二出水管分别连通第二阴极内的冷却水道和第二阳极中的冷却水道；以使输出的恒定电流将第二阳极与第二阴极之间的工质气体击穿形成第二等离子体，并随气流流动至第二阳极喷口处喷出而形成稳定的高温、高能量和高密度的第二等离子体射流，从而安全地提供芯核原料蒸发所需的热源。

6.根据权利要求1所述的纳米金属包覆粉末的制备设备，其特征在于：纳米芯核颗粒制备装置采用转移弧的与水电气系统连通的第三等离子枪；蒸发腔室为蒸发釜，第三等离子枪的数量为一支，垂直安装在蒸发釜顶板的中心，蒸发釜顶板的一侧有斜的芯核原料进料管，蒸发釜侧壁上有与工质气体循环系统连通的第三气体入口，蒸发釜侧壁还有输出固态的纳米芯核颗粒的向上的纳米芯核颗粒输出口。

7.根据权利要求6所述的纳米金属包覆粉末的制备设备，其特征在于：与水电气系统连通的第三等离子枪的结构如下：第三电源为直流恒流源，第三电源正极与第三阳极即放于蒸发釜中的金属固体棒电连接，金属固体棒与放入蒸发釜中待蒸发的芯核金属固体为相同的金属材料，第三电源负极与位于第三阳极上方的第三阴极电连接；第三储气罐经第三气管、固定在第三阴极外圆周上的圆环形的第三旋气环套连通第三阳极与第三阴极上下之间的第三缝隙；第三冷水机组经第三进水管和第三出水管分别连通第三阴极内的冷却水道和反应釜的冷却水套；以使输出的恒定电流将第三阳极与第三阴极之间的工质气体击穿形成第三等离子射流，由于工质气体的持续输入，等离子射流保持稳定，持续加热蒸发釜中的金属固体，并逐渐将其蒸发形成纳米颗粒。

8.根据权利要求1所述的纳米金属包覆粉末的制备设备，其特征在于：分散器的送粉口所在壁的壁厚为5mm-10mm；送粉口的数量为沿圆周均匀分布的4-8个；送粉口的切向角度为：送粉口轴线与分散器的内壁构成的中心圆的一直径线的夹角呈5°-45°；送粉口的轴线与水平线的夹角为5°-15°；圆形的送粉口的直径为3mm-6mm。

9.根据权利要求1所述的纳米金属包覆粉末的制备设备，其特征在于：分散器上连通有两个三通管路，每个三通管路中一路为纳米芯核颗粒入口，一路为第一气体入口，一路为将混合后的纳米芯核颗粒与循环的工质气体送入分散器的气粉入口。

10.根据权利要求1所述的纳米金属包覆粉末的制备设备，其特征在于：包覆罐、凝固罐、蒸发腔室和蒸发罐的外壁上均有保温层。

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