DE60101840T2

DE60101840T2 - Plasmareaktor zur herstellung von feinem pulver

Info

Publication number: DE60101840T2
Application number: DE2001601840
Authority: DE
Inventors: Edward David DEEGAN; David Chris CHAPMAN; Paul Timothy JOHNSON
Original assignee: Tetronics Ltd
Current assignee: Tetronics International Ltd
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: ATE258092T1; US7727460B2; US20060096417A1; CN100418674C; EP1398100A2; CA2399581A1; RU2263006C2; US20060107789A1; DE60101840D1; EP1257376B1; EP1398100A3; AU2001232063A1; JP2003522299A; US7022155B2; EP1415741A2; IL151114A0; KR100784576B1; US20030097903A1; CN1422195A; EP1257376A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Pulvern. Insbesondere wird ein Plasmalichtbogenreaktor bereitgestellt, der in einem Plasmaverdampfungsverfahren verwendet werden kann, um Aluminiumpulver in Submikron- oder Nanometergrößenordnung (d. h. in Nano-Größenordnung) herzustellen.
Metall- und Keramikpulver werden bei Sinterverfahren in der Metallurgie und bei der Katalyse in der chemischen Industrie eingesetzt. Diese Pulver können bei der Herstellung von Konstruktionsteilen, Magnetschichten, chemischen Beschichtungen, Ölzusätzen, Treibstoffzusätzen und auch in Sprengstoffen verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Plasmalichtbogenreaktor zur Herstellung eines Pulvers aus festem Zufuhrmaterial bereit, wobei der Reaktor umfasst:

(a) eine erste Elektrode,
(b) eine zweite Elektrode, welche dazu ausgelegt ist, von der ersten Elektrode um einen Abstand beabstandet zu sein, der ausreicht, um einen Plasmalichtbogen dazwischen zu erzielen,
(c) Einrichtungen zum Einleiten eines Plasmagases in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode,
(d) Einrichtungen zum Erzeugen eines Plasmalichtbogens in dem Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode,

So wie er hier verwendet wird, soll der Begriff Elektrode einen Plasmabrenner umfassen.
Die erste Elektrode ist vorzugsweise im Hinblick auf die zweite Elektrode aus einer ersten Position, bei der ein Lichtbogenabschnitt von ihr einen Lichtbogenabschnitt der zweiten Elektrode berührt, in eine zweite Position beweglich, bei der die Lichtbogenabschnitte um einen Abstand voneinander beabstandet sind, der ausreicht, um einen Plasmalichtbogen dazwischen zu erzielen. Dies ist vorteilhaft, weil das Kontaktieren der ersten und der zweiten Elektrode zum Zünden des Plasmalichtbogens beiträgt. Es ist klar, dass unter dem Begriff Lichtbogenabschnitt die Bereiche oder Punkte auf den Oberflächen der ersten und der zweiten Elektrode gemeint sind, zwischen denen ein Plasmalichtbogen erzeugt werden kann.
Die erste Elektrode kann vorzugsweise die Form eines hohlen länglichen Teils annehmen, dessen Innenoberfläche einen geschlossenen Kanal (einer Bohrung oder einem Durchgang entsprechend) bildet. Das längliche Teil endet an einer Lichtbogenspitze, welche im Gebrauch einem Lichtbogenabschnitt der zweiten Elektrode gegenüberliegt. Der Auslass des geschlossenen Kanals ist bei der oder angrenzend an die Lichtbogenspitze angeordnet. In diesem Fall kann die erste Elektrode in Form eines hohlen Stabs, Zylinders oder Rohrs sein. Die erste Elektrode kann von Haus aus als hohler Gegenstand gebildet sein. Alternativ kann die erste Elektrode als massiver Gegenstand gebildet sein, um nachfolgend eine Bohrung oder einen Durchgang durch sie zu bilden. Wenn der Auslass an der Lichtbogenspitze angeordnet ist, ist klar, dass die Endfläche des länglichen Teils sowohl die Lichtbogenspitze der Elektrode als auch den Auslass des geschlossenen Kanals bildet. Die erste Elektrode wirkt typischerweise als Kathode.
Die zweite Elektrode, die als Gegenelektrode wirkt, kann jede geeignete Form annehmen, die ermöglicht, dass ein Plasmalichtbogen zwischen ihr und der ersten Elektrode erzeugt werden kann. Die zweite Elektrode kann einfach einen im Wesentlichen planen Lichtbogenabschnitt besitzen. Beispielsweise kann die zweite Elektrode als planes Substrat auf der Bodenwand des Plasmareaktors angeordnet sein.
Die Lichtbogenabschnitte der ersten und/oder zweiten Elektrode bestehen im Allgemeinen aus Kohlenstoff, vorzugsweise Graphit.
Der Plasmareaktor kann in Form eines graphitausgekleideten Behälters oder eines Graphittiegels vorgesehen sein, in dem ein Abschnitt von diesem als zweite Elektrode wirkt. Dementsprechend kann die zweite Elektrode mit dem Reaktorbehälter integral ausgebildet sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform stellt ein Teil der oder die ganze Innenfläche der Plasmalichtbogenreaktorkammer die zweite Elektrode dar. Die Kammer kann eine Graphitreaktorkammer oder eine graphitausgekleidete Reaktorkammer sein.
Es ist auch vorzuziehen, die zweite Elektrode so als Anode auszulegen, dass im Gebrauch Metallionen von ihr elektrostatisch abgestoßen werden.
Weder die erste noch die zweite Elektrode muss geerdet werden.
Der Plasmalichtbogenreaktor umfasst vorteilhafter Weise noch Kühleinrichtungen zum Kühlen und Kondensieren des Feststoffs, der im zwischen der ersten und der zweiten Elektrode entstandenen Plasmalichtbogen verdampft wurde. Die Kühleinrichtung umfasst vorzugsweise eine Kühlgasquelle.
Die zweite Elektrode umfasst vorzugsweise einen Graphitbehälter mit einer Oberfläche, die dazu ausgelegt ist, verdampftes Material stromabwärts zu einer Kühlzone zu leiten, um im Gebrauch durch ein Kühlgas gekühlt zu werden.
Eine Auffangzone kann stromabwärts von der Kühlzone vorgesehen sein, um ein Pulver des kondensierten verdampften Materials aufzufangen. Die Auffangzone kann ein Filtertuch umfassen, welches die Pulverpartikel vom Gasstrom trennt. Das Filtertuch ist vorzugsweise an einem geerdeten Käfig angebracht, um das Entstehen einer elektrostatischen Aufladung zu verhindern. Das Pulver kann dann, vorzugsweise in der Zone einer gesteuerten Atmosphäre, vom Filtertuch abgesammelt werden. Das sich ergebende Pulverprodukt wird dann vorzugsweise in Inertgas in einem Behälter bei einem über Normaldruck liegenden Druck eingeschlossen.
Der Kanal in der ersten Elektrode ist vorteilhafter Weise so ausgelegt, dass zusätzlich das Plasmagas in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode eingeleitet wird. Auf diese Weise können das feste Zufuhrmaterial und das Plasmagas durch einen gemeinsamen Kanal laufen und über einen gemeinsamen Auslass aus der Elektrode in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode austreten.
Die Einrichtungen zum Erzeugen eines Plasmalichtbogens im Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode umfasst im Allgemeinen eine Gleich- oder Wechselstromquelle.
Falls gewünscht können eine oder mehrere zusätzliche Elektrode/n, die auch einen darin ausgebildeten Zufuhrkanal haben, verwendet werden, um zu ermöglichen, dass unterschiedliche Materialen gemeinsam in einen einzelnen Plasmareaktor zugeführt werden können. Es kann eine gemeinsame Gegenelektrode verwendet werden oder alternativ können gesonderte Gegenelektroden vorgesehen sein, die jeweils einer Elektrode mit einem darin ausgebildeten Kanal gegenüberliegen. Es können gemeinsame oder getrennte Stromversorgungen verwendet werden, obwohl getrennte Stromversorgungen bevorzugt sind, weil dies unterschiedliche Verdampfungsraten für unterschiedliche Materialien zulässt.
Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann ohne irgendwelche wassergekühlten Elemente innerhalb des Plasmareaktors zu verwenden arbeiten und kann auch ein Nachfüllen festen Zufuhrmaterials zulassen, ohne den Reaktor dabei anzuhalten. Eine Wasserkühlung kann zu einem Wärmeschock und Materialbruch führen. Es können auch unerwünschte Reaktionen zwischen Wasserdampf und den in Verarbeitung befindlichen Materialien stattfinden.
Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann darüber hinaus Einrichtungen umfassen, um festes Zufuhrmaterial zur ersten Elektrode zu transportieren. Ist das feste Zufuhrmaterial in Form eines Drahtes, umfasst die Vorrichtung vorzugsweise eine Drahtvorhaltung. Beispielsweise kann die Vorrichtung einen Behälter oder Halter für den Draht umfassen, vorzugsweise eine Spule oder Rolle. Vorzugsweise sind auch Einrichtungen vorgesehen, um den Draht von der Drahtvorhaltung zur ersten Elektrode zu transportieren, wo der Draht in den Kanal zugeführt wird. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines Elektromotors bewerkstelligt werden.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Pulvers aus einem festen Zufuhrmaterial bereit, welches Verfahren umfasst:

(i) Bereitstellen eines wie hier beschriebenen Plasmalichtbogenreaktors;
(ii) Einleiten eines Plasmagases in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode,
(iii) Erzeugen eines Plasmalichtbogens im Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode,
(iv) Zuführen von Festmaterial durch den Kanal, damit es über dessen Auslass in den Plasmalichtbogen austritt, wodurch das Festmaterial verdampft wird,
(v) Kühlen des verdampften Materials, um es zu einem Pulver zu kondensieren, und
(vi) Auffangen des Pulvers.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann als Gas-/Dampfphasenkondensationsverfahren betrachtet werden. Bei solch einem Verfahren wird ein Plasma erzeugt, um das feste Zufuhrmaterial zu verdampfen, und in der Dampfphase findet eine Materialzerlegung statt. Der Dampf wird danach abgekühlt und setzt sich in Festphasenpartikel um.
Das feste Zufuhrmaterial umfasst ein oder besteht im Allgemeinen aus einem Metall, beispielsweise Aluminium, Nickel oder Wolfram, einschließlich Legierungen, die ein oder mehrere dieser Metalle enthalten. Aluminium oder Aluminiumlegierungen sind bevorzugt. Das feste Zufuhrmaterial kann in jeder geeigneten Form vorgesehen werden, die es ermöglicht, dass es in und durch den Kanal zugeführt werden kann, damit es von dort in den Raum zwischen den Elektroden austreten kann. Beispielsweise kann das Material in Form von Draht, Fasern und/oder Partikeln sein. Das feste Zufuhrmaterial muss nicht in einer sekundären Trägerphase wie einem flüssigen Träger bereitgestellt werden.
Das feste Zufuhrmaterial wird vorzugsweise in Form eines durchgehenden Drahtes bereitgestellt. Dies ist vorteilhaft, weil man herausgefunden hat, dass das Bereitstellen des festen Zufuhrmaterials in Form eines Drahtes bei der Zufuhr des Materials zur Plasmazone und in den Plasmakern hilfreich ist.
Das Plasmagas umfasst ein oder besteht im Allgemeinen aus einem Inertgas, beispielsweise Helium und/oder Argon.
Das Plasmagas wird vorteilhafter Weise in den Kanal in der ersten Elektrode eingeblasen, damit es von dort in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode austritt. In diesem Fall treten das Plasmagas und das Festmaterial vorzugsweise über einen gemeinsamen Auslass aus der ersten Elektrode aus. Das Plasmagas und das Festmaterial können in den Kanal in der ersten Elektrode über einen gemeinsamen Einlass oder alternativ über gesonderte Einlässe zugeführt werden. Während des Betriebs werden das Plasmagas und das Festmaterial gemeinsam in den Kanal eingeleitet.
Die Volumenfließrate des Plasmagases wird vorzugsweise überwacht, um die Eigenschaften des Wärmeübergangs zwischen Material und Plasma zu optimieren und das Material bis zur Zerteilung zur Dampfphase hin zu fördern.
Zumindest eine gewisse Kühlung des verdampften Materials kann erzielt werden, indem ein Strom Inertgas, beispielsweise Argon und/oder Helium verwendet wird. Alternativ oder in Kombination mit der Verwendung von Inertgas kann ein Strom reaktiven Gases verwendet werden. Die Verwendung eines reaktiven Gases ermöglicht, dass Oxid- oder Nitridpulver hergestellt werden können. Beispielsweise kann die Verwendung von Luft zum Kühlen des verdampften Materials zur Herstellung von Oxidpulvern wie Aluminiumoxidpulvern führen. Auf ähnliche Weise kann die Verwendung eines reaktiven Gases, das beispielsweise Ammoniak umfasst, zur Herstellung von Nitridpulvern wie Aluminiumnitridpulvern führen. Das Kühlgas kann über eine wassergekühlte Klimatisierungskammer wiederaufbereitet werden.
Die Oberfläche des Pulvers kann unter Verwendung eines passivierenden Gasstroms oxidiert werden. Das ist dann besonders vorteilhaft, wenn das Material Aluminium ist oder auf Aluminium basiert. Das passivierende Gas kann ein sauerstoffhaltiges Gas umfassen, und ein besonders bevorzugtes Gas umfasst 95 bis 99 Vol.-% eines Inertgases wie Helium und/oder Argon, und 1 bis 5 Vol-% Sauerstoff, noch bevorzugter ca. 98 Vol.-% des/der Inertgase/s und ca. 2 Vol.-% Sauerstoff. Man fand heraus, dass solch ein Gasgemisch besonders gute Ergebnisse bei Aluminium und auf Aluminium basierenden Materialien hervorruft. Die Passivierungsgase werden vorzugsweise vorgemischt, um eine stellenweise Gasphasenanreicherung und mögliche Explosionen zu verhindern. Das (inerte) Kühlgas kann wiederaufbereitet und anschließend bei einer Rate von typischerweise 1 Nm³/h mit Sauerstoff verdünnt werden, um den Passivierungsgasstrom bereitzustellen. Das Aluminium wirkt für den Sauerstoff als Fänger und reagiert damit, mit dem Ergebnis, dass der Teildruck innerhalb der Kammer abfällt. Wird der Druck in der Kammer überwacht, zeigt ein anschließender Anstieg des Teildrucks an, dass die Oberfläche des Aluminiumpulvers im Wesentlichen vollständig passiviert wurde. Die Reaktivität einiger ultrafeiner Pulver stellt ein betriebliches Risiko dar, falls die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts mit beispielsweise Wasser und/oder Luft besteht. Die Passivierungsstufe macht das pulverisierte Material zum Transport geeigneter.
Bei Aluminium für bestimmte Anwendungen ist vorzuziehen, dass im Plasma im Wesentlichen keine Oxidation stattfindet. Es ist auch vorzuziehen, dass das Kühlen des verdampften Materials unter Verwendung eines Stroms Inertgases wie Argon und/oder Helium bewerkstelligt wird. Dementsprechend findet die Passivierungsstufe vorzugsweise nur statt, nachdem das Pulver gekühlt wurde. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das feste Zufuhrmaterial, beispielsweise Aluminiumdraht, zum Kern des Plasmas zugeführt, wo es verdampft wird. Der Metalldampf wird dann zu einem separaten Abkühlbereich geleitet, wo er in einem Inertgasstrom abgekühlt wird und sich in ein verfestigtes Pulver umsetzt. Dieses feste Pulver wird dann unter Oxidationsbedingungen bei niedriger Temperatur Sauerstoff ausgesetzt, so dass das Oxid zu einer einschränkenden Dicke aufwächst und sich dann selbst reguliert, d. h. das Oxid unterbindet eine weitere Oxidation. Dieser Prozess des Aussetzens/der Reaktion mit Sauerstoff findet abseits des Plasmakerns statt.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann eingesetzt werden, um ein pulverisiertes Material wie Aluminium herzustellen, wovon im Wesentlichen alle Partikel einen Durchmesser von weniger als 200 nm haben. Vorzugsweise liegt der durchschnittliche Partikeldurchmesser im Bereich von 50 bis 150 nm, bevorzugter von 80 bis 120 nm, und noch bevorzugter von 90 bis 110 nm.
Eine Analyse der spezifischen Oberfläche hat gezeigt, dass das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann, um ein pulverisiertes Material wie Aluminium herzustellen, welches eine spezifische Oberfläche typischerweise im Bereich von 15 bis 40 m²g^–1, und noch typischer im Bereich von 25 bis 30 m²g^–1 hat.
Es wird klar, dass die Verarbeitungsbedingungen wie Material- und Gaszufuhrraten, Temperatur und Druck auf das spezielle Material, das verarbeitet werden soll, und die Sollgröße der Partikel im endgültigen Pulver zugeschnitten sein müssen.
Vorzugsweise stellt ein Teil der oder die gesamte Innenfläche des Reaktionsbehälters die zweite Elektrode dar. Die zweite Elektrode ist vorzugsweise die Anode, und die erste Elektrode ist vorzugsweise die Kathode. Bei bestimmten Anwendungen besteht die erste und/oder zweite Elektrode aus einem Material, das bei der betreffenden Temperatur nicht mit dem Zufuhrmaterial reagiert.
Sowohl die erste als auch die zweite Elektrode bestehen vorzugsweise aus einem Kohlenstoffmaterial, vorzugsweise Graphit. Dementsprechend kann der Reaktionsbehälter eine Graphitreaktionskammer oder eine graphitausgekleidete Reaktionskammer sein, welche die zweite Elektrode darstellt.
Allgemein ist vorzuziehen, den Reaktor vor dem Verdampfen des festen Zufuhrmaterials vorzuheizen. Der Reaktor kann auf eine Temperatur von bis zu typischerweise 2500°C, noch typischer von 500°C bis 2500°C vorgeheizt werden. Bei einem Aluminiumzufuhrmaterial wird der Reaktor bevorzugt auf eine Temperatur von 2000°C bis 2500°C vorgeheizt, bevorzugter von 2200°C bis 2500°C, und noch bevorzugter von 2300°C bis 2500°C. Das Vorheizen kann durch jede geeignete Einrichtung erfolgen, obwohl es vorzugsweise unter Verwendung eines Plasmalichtbogens geschieht. Vorzugsweise wird im Wesentlichen der gesamte Innenraum des Reaktiohsbehälters vorgeheizt.
Die Rate, mit der das feste Zufuhrmaterial in den Kanal in der ersten Elektrode eingespeist wird, wirkt sich auf den Produktertrag und die Pulverkorngröße aus. Beim Einsatz von Aluminiumdraht wurde eine Zufuhrrate von 1 bis 5 kg/h verwendet, noch typischer ca. 2 kg/h. Der Aluminiumdraht besitzt typischerweise ein Maß von 1 bis 10 mm, noch typischer 1 bis 5 mm.
Das inerte Plasmagas, beispielsweise Helium, kann durch den Kanal in der ersten Elektrode mit einer Rate von 2,4 bis 6 Nm³/h, noch typischer ca. 3 Nm³/h eingeblasen werden.
Wird eine Gleichstromversorgung zur Erzeugung des Plasmalichtbogens verwendet, wird die Gleichstromamperezahl im Allgemeinen auf einen Wert im Bereich von 400 bis 800 A eingestellt. Typische elektrische Gleichstromkennlinien liegen im Größenbereich von 800 A und zwischen 30 und 40 V mit einer Plasmalichtbogensäulenlänge von 60 bis 70 mm.
Das Verfahren und der Plasmalichtbogenreaktor nach der vorliegenden Erfindung werden typischerweise über Normaldruck, noch typischer bei einem Überschuss von 750 mm Wasser über Normaldruck eingesetzt. Dies verhindert oder trägt dazu bei, dass atmosphärischer Sauerstoff in die Plasmazone eindringt, was zu einer unerwünschten chemischen Reaktion führen könnte. Ist das Zufuhrmaterial Aluminium, ist vorzuziehen, den Plasmalichtbogenreaktor über Normaldruck zu betreiben, typischerweise bis zu 45 inWG (Zoll Wasserstandsanzeige), noch typischer 15 bis 35 inWG. Ein Betrieb bei einem Druck über Normaldruck hat auch den Vorteil, dass er zu einem höheren Ertrag an Partikelmaterial führt.
Wird ein Kühlgas, vorzugsweise ein Inertgas wie Argon oder Helium zum Kühlen und Kondensieren des verdampften Materials verwendet, fand man heraus, dass eine Fließrate von 60 bis 120 Nm³/h ein Aluminiumpulver ergibt, bei dem der überwiegende Teil, wenn nicht im Wesentlichen alle der Partikel einen Durchmesser von weniger als 200 nm (noch typischer ≤ 100 nm) haben. Nach dem Kühlen beträgt die Gas- und Partikeltemperatur typischerweise 300 bis 350°C.
Bei einem Aluminiumzufuhrmaterial kann das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, um ein pulverisiertes Material mit einer Zusammensetzung zu erzeugen, die auf einem Gemisch aus Aluminiummetall und Aluminiumoxid beruht. Man geht davon aus, dass dies mit der Sauerstoffzugabe zum Material während der Verarbeitung unter Oxidationsbedingungen bei niedriger Temperatur einhergeht. Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung auch ein Partikelmaterial bereit, das Partikel mit einem Kern, der Aluminium umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht, und einer Oberflächenschicht umfasst, die Aluminiumoxid umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht, welches Partikelmaterial durch ein wie hier beschriebenes Verfahren erhalten werden kann.
Im Wesentlichen oxidiert nur die Oberfläche der Partikel und eine oberflächenspezifische Analyse hat gezeigt, dass der Oxidbestandteil des Pulvers im Allgemeinen mit der Oberfläche zusammenhängt und die Oxidschicht typischerweise weniger als ca. 10 nm dick ist, noch typischer weniger als ca. 5 nm dick ist. Somit kann solch ein Material als einzeln verkapselt bezeichnet werden. Im Wesentlichen alle der Partikel des mit Oxid überzogenen Aluminiums haben einen Durchmesser von weniger als 200 nm, und der durchschnittliche Partikeldurchmesser liegt typischerweise im Bereich von 50 bis 150 nm, typischer von 80 bis 120 nm, und noch typischer von 90 bis 110 nm. Die spezifische Oberfläche der mit Oxid überzogenen Aluminiumpartikel liegt typischerweise im Bereich von 15 bis 40 m²g^–1, typischer im Bereich von 25 bis 30 m²g^–1.
Eine Untersuchung des Partikelmaterials mittels TEM und Elektronendiffraktion zeigt an, dass die Aluminiumpartikel im Wesentlichen ein einzelner Kristall, d. h. monokristallin sind.
Die vorliegende Erfindung wird nun noch beispielhaft mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben:
1 zeigt eine Ausführungsform einer Elektrodenkonfiguration, die in einem Plasmalichtbogenreaktor nach der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann;
2 liefert ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung;
Die 3(a) und (b) sind zweite Elektronenmikrobilder von Aluminiumpulvern, die durch das Verfahren nach der vorliegenden Anmeldung hergestellt wurden (Vergrößerung: × 100.000 (a) und × 200.000 (b);
4 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie sich die spezifische Oberfläche eines idealen nanometrischen Aluminiumpulvers mit dem Partikeldurchmesser ändert;
5 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie sich der Oxidgehalt eines idealen nanometrischen Aluminiumpulvers mit dem Partikeldurchmesser ändert;
6 ist eine graphische Darstellung, die eine primäre (1. Erwärmung) DSC-Analyse für eine Aluminiumprobe zeigt;
7 ist eine graphische Darstellung, die eine sekundäre (2. Erwärmung) DSC-Analyse für eine Aluminiumprobe zeigt; und
8 ist ein Übersichtsspektrum von nanometrischem Al-Pulver, das durch XPS analysiert wurde.
In 1 ist eine erste Elektrode 5 in Form eines zylindrischen Graphitstabs vorgesehen, welcher an einer Lichtbogenspitze 6 endet. Falls gewünscht, kann der obere Abschnitt der Graphitelektrode 5 durch Kupfer ersetzt werden. Die Elektrode 5 besitzt eine in ihr ausgebildete Zentralbohrung, die sich entlang der Länge der Elektrode 5 erstreckt. Die Oberfläche der Bohrung bildet einen geschlossenen Kanal 7 (oder Durchgang) mit einem Einlass 8 an einem Ende und einem Auslass 9, der an der Lichtbogenspitze 6 angeordnet ist.
Eine zweite Gegenelektrode 10 ist als Teil eines graphitausgekleideten Reaktorbehälters 13 vorgesehen (siehe 1 und 2). In 1 ist nur ein Lichtbogenabschnitt 11 auf der Innenfläche der Bodenwand 12 des Behälters 13 gezeigt. Der ganze Behälter 13 ist in 2 gezeigt, und es ist ersichtlich, dass die Gegenelektrode einen integralen Bestandteil des Reaktorbehälters 13 bildet. Der Lichtbogenabschnitt 11 der zweiten Elektrode 10 liegt der Lichtbogenspitze 6 der ersten Elektrode 5 gegenüber.
Die erste 5 und die zweite Elektrode 10 sind an eine Gleichstromversorgung 15 angeschlossen. Die erste Elektrode 5 ist die Kathode, und die zweite Elektrode ist die Anode 10, obwohl klar ist, dass die Polaritäten auch umgekehrt sein können.
Die erste Elektrode 5 ist im Hinblick auf die zweite Elektrode 10 beweglich und kann von daher gesenkt werden, um an deren Lichtbogenspitze 6 mit dem Lichtbogenabschnitt 11 der zweiten Elektrode 10 in Berührung zu kommen, um den elektrischen Kreislauf zu schließen. Der Gleichstromamperewert aus der Stromversorgung 15 wird im Allgemeinen auf einen Wert von 400 bis 800 A eingestellt. Indem die erste Elektrode 5 angehoben wird, kann ein Gleichstromplasmalichtbogen zwischen der Lichtbogenspitze 6 der ersten Elektrode 5 und dem Lichtbogenabschnitt 11 der zweiten Elektrode 10 hergestellt werden.
Ein festes Zufuhrmaterial, beispielsweise Aluminiumdraht 20, kann in den Einlass 8 zugeführt werden, um den Kanal 7 hinunter, aus dem Auslass 9 heraus und in den Raum zwischen der Lichtbogenspitze 6 der ersten Elektrode 5 und den Lichtbogenabschnitt 11 der zweiten Elektrode 10 zu laufen. Ein inertes Plasmagas 25 wie Argon und/oder Helium kann auf ähnliche Weise über den Einlass 8 durch den Kanal 7 eingeblasen werden, um am Auslass 9 aus der ersten Elektrode auszutreten. Dementsprechend kann sowohl der Aluminiumdraht 20 als auch das Plasmagas 25 über einen gemeinsamen Einlass 8 in die erste Elektrode 5 eintreten und über einen gemeinsamen Auslass 9 an der Lichtbogenspitze 6 die Elektrode 5 wieder verlassen.
Der Draht 20 kann durch eine herkömmliche Einrichtung wie eine Spule oder Rolle vorgehalten und durch einen mehrstufigen Motor in den Einlass 8 eingespeist werden. Das Plasmagas 25 kann durch eine herkömmliche Einrichtung in einem Gasbehälter vorgehalten werden, und ein gesteuertes Einblasen in den Einlass kann unter Verwendung eines Ventils erfolgen. Dementsprechend können die Zufuhrraten sowohl des Drahtes als auch des Plasmagases gesteuert werden.
Im Gebrauch wird der graphitausgekleidete Behälter 10 auf eine Temperatur von mindestens ca. 2000°C (typischerweise ca. 2200°C bis 2300°C) unter Verwendung des Plasmalichtbogens vorgeheizt. Dies bringt das Einblasen eines inerten Plasmagases 25 durch den Kanal 7 in die erste Elektrode 5 und ein Einschalten der Stromversorgung 15 mit sich.
Der Reaktor wird typischerweise mit einem Überschuss von 750 mm Wasser über Normaldruck betrieben.
Wenn der Reaktor vorgeheizt ist, wird Aluminiumdraht 20 mit einer Rate von typischerweise 2 kg/h dann in den Einlass 8 des Kanals 7 in die erste Elektrode 5 zugeführt. Inertes Plasmagas wird auch in den Kanal 7 eingeblasen, typischerweise mit einer Rate von 2,4 bis 6 Nm³/h, noch typischer ca. 3 Nm³/h.
Typische elektrische Gleichstromkennlinien liegen in der Größenordnung von 800 A und 30 bis 40 V mit einer Plasmalichtbogensäulenlänge ab 60 mm und 70 mm.
Auf diese Weise wird der Aluminiumdraht 20 im heißen Plasmagas verdampft (Schritt A in 2). Der Draht 20 und das Plasmagas 25 werden kontinuierlich in den Kanal 7 der ersten Elektrode 5 eingespeist, wenn der Draht 20 im Plasmalichtbogen verdampft wird. Gegebenenfalls wird ein Beharrungszustand erreicht. Es ist klar, dass die Zufuhrraten des Drahtes 20 und/oder Gases 25 während der Verarbeitung eingestellt werden können.
Das verdampfte Aluminium und das heiße Plasmagas treten unter der Einwirkung des Gases aus dem Reaktorbehälter aus, das durch den Kanal 7 in der ersten Elektrode 5 eingeblasen wird. Das verdampfte Aluminium wird dann in einer Kühlzone 30 unter Verwendung eines Stroms kühlenden Inertgases wie Argon oder Helium abgekühlt, um ein Aluminiumpulver in Submikronpartikelgröße zu kondensieren (Schritt B in 2). Die Fließrate des Kühlgasstrom beträgt typischerweise 60 bis 120 Nm³/h, und die Partikel des Aluminiumpulvers haben typischerweise einen Durchmesser von ≤ 200 nm (noch typischer ≤ 100 nm). Nach der Abkühlung durch Inertgas beträgt die Gas- und Partikeltemperatur typischerweise 300 bis 350°C.
Falls gewünscht, kann als Nächstes ein Passivierungsschritt in einer Passivierungszone 35 stromabwärts der Kühlzone 30 durchgeführt werden (Schritt C in 2). Dies kann auf verschiedene Weisen erfolgen. Das Kühlgas kann zur weiteren Abkühlung in eine wassergekühlte Aufbereitungskammer rückgeleitet und dann zusammen mit bis zu 5 Vol.-% Sauerstoff, der mit dem Pulver in Berührung kommen soll, in die Vorrichtung zurück eingeblasen werden. Typischerweise wird der Sauerstoff mit einer Rate von ca. 1 Nm³/h eingeführt. Alternativ kann eine separate Quelle des Passivierungsgases verwendet werden. Die Temperatur während des Passivierungsschritts liegt typischerweise im Bereich von 100 bis 200°C.
Nach dem Passivierungsschritt gehen die Pulverpartikel und der Gasstrom zu einer Auffangzone 40 über, die ein (nicht gezeigtes) Filtertuch enthält, um die Partikel vom Gas zu trennen (siehe Schritt D in 2). Das Filtertuch ist vorzugsweise auf einem geerdeten Käfig angebracht, um das Entstehen einer elektrostatischen Aufladung zu verhindert. Das Gas kann wiederaufbereitet werden.
Das Pulver kann dann, vorzugsweise in einer Zone mit gesteuerter Atmosphäre, vom Filtertuch abgesammelt werden. Das sich ergebende Pulverprodukt wird dann vorzugsweise in Inertgas bei einem Druck über Normaldruck in einem Behälter eingeschlossen.
Falls gewünscht, kann eine oder können mehrere zusätzliche Elektrode/n mit einem darin ausgebildeten Kanal verwendet werden, um gleichzeitig verschiedene Metalle in einen einzelnen Plasmabehälter zuzuführen, um beispielsweise Pulverlegierungen, Gemische in Submikron- und Nanogröße, Oxide und Nitride zu erzeugen. Es kann eine gemeinsame Gegenelektrode verwendet werden, oder alternativ können gesonderte Gegenelektroden vorgesehen werden, wovon jede einer Elektrode mit einem darin ausgebildeten Kanal gegenüberliegt. Es können gemeinsame oder separate Stromversorgungen verwendet werden, obwohl separate Stromversorgungen bevorzugt sind, weil dadurch unterschiedliche Verdampfungsraten für unterschiedliche Metalle möglich werden.
Beispiel
Dieses Beispiel bezieht sich auf die Herstellung eines nanometrischen Aluminiumpulvers unter Verwendung von Gleichstromluftplasmatechnologie, welche eine saubere, steuerbare und gerichtete Wärmequelle ist. Aluminiumpulver lassen sich bei Sinterprozessen in der Metallurgie und bei der Katalyse in der chemischen Industrie einsetzen. Diese Pulver können bei der Herstellung von Konstruktionsteilen, Magnetschichten, chemischen Beschichtungen, Ölzusätzen, Treibstoffzusätzen und auch in Sprengstoffen verwendet werden.
Das Verfahren macht sich den Mechanismus der Gasphasenkondensation zunutze. Das Verfahren bietet den Vorteil eines hohen Durchsatzes (kg/h) unter Prozessbedingungen mit Inertgasgemisch, gefolgt von steuerbarer Materialpassivierung während der pneumatischen Beförderung und Feinverteilung über Normaldruck. Das Material wird auf eine voll überwachte und automatisierte Weise hergestellt, gekühlt, passiviert (d. h. unter Niedrigtemperaturbedingungen oberflächenoxidiert), aufgefangen und verpackt.
Der ursprüngliche im Prozess verwendete Zufuhrdraht (Vorläufer) ist eine Knetlegierung mit der Bezeichnung 1050A, ASTM = ER1100, DIN = S-AL 9915. Dieser Draht besitzt eine Nennzusammensetzung von 99,6 Gew.-% Al, die Hauptfremdstoffe sind Si und Fe mit maximal 0,25 Gew.-% bzw. 0,40 Gew.-%.
Der Aluminium- und Aluminiumoxidgehalt kann nicht direkt bestimmt werden, und so wurde eine quantitative Elementanalyse größerer Pulverbestandteile vorgenommen. Die Berechnung ging davon aus, dass der gesamte Sauerstoff in Aluminiumoxid mit der Stöchiometrie Al₂O₃ gebunden war. Ein vorgeeichtes Sauerstoff- und Stickstoffanalysegerät Leco TC436 wurde zur Bestimmung des Sauerstoffgehalts verwendet. Ein vorgeeichtes Kohlenstoff- und Schwefelanalysegerät Leco CS344 wurde zur Kohlenstoffanalyse verwendet. Energiedispersive Röntgenstrahlenfluoreszenzspektroskopie (EDXRF) wurde verwendet, um das Pulver auf hohe Gehalte an Fremdstoff zu überprüfen. Ein induktiv gekoppeltes Atom-Plasmaemissionsspektrometer (ICPAES) wurde verwendet, um die Lösungen quantitativ auf den durch EDXRF festgestellten hohen Fremdstoffgehalt zu analysieren.
Die EDXRF-Analyse zeigte signifikante Gehalte an Calcium, obwohl andere Fremdstoffe mit sehr niedrigen Gehalten festgestellt wurden, beispielsweise Fe, Na, Zn und Ga. Von daher konzentrierte sich die quantitative Analyse auf O, C und Ca. Man kann davon ausgehen, dass der Al-Gehalt den Großteil des restlichen Pulvers nach Abziehen der Aluminiumoxid-, Calcium- und Kohlenstoffkomponente ausmacht. Aufgrund des unlöslichen Rests, der während der ICPAES-Analyse im Behälter zurückblieb, ging man davon aus, dass der Kohlenstoffgehalt elementar war. Die Analyseergebnisse sind wie in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1: Zusammengefasste Materialanalyseergebnisse
Aluminiumpulverproben wurden durch Rasterelektronenmikroskopie (SEM) unter Verwendung eines Instruments Leica Cambridge S360 untersucht. Es wurden Elektronenmikrobilder hergestellt, um Größe und Gestalt der Partikel zu zeigen. Es wurde eine quantitative energiedispersive (ED) Röntgenstrahlenanalyse durchgeführt, indem unter Verwendung eines mit dem SEM verbundenen PGT IMIX-Röntgenstrahlenanalysesystems die Elemente zu bestimmen, die in der Probe vorhanden waren.
Es wurde eine zweite Elektronenerfassung eingesetzt, um topographische Texturbilder der Aluminiumpulverpartikel und damit verbundener Agglomerate herzustellen. Es wurde bei einer geringen Vergrößerung (Vergrößerung × 350) beobachtet, dass sich das Pulverprodukt agglomeriert hatte. Die Größe der Agglomerate reichte von weniger als 5 μm bis über 200 μm. Die einzelnen Partikel konnten bei einer stärkeren Vergrößerung (Vergrößerung × 20.000 und 50.000) abgebildet werden. Man beobachtete, dass ihre Größe (d. h. größten Abmessungen) ca. 100 nm ± 50 nm betrugen, die Partikel schienen aber immer noch zusammengeklumpt zu sein. Man bestimmte, dass diese Agglomerate aus diesen feineren Partikeln bestanden. Die Gestalt der Partikel schien unregelmäßig, entweder kugelförmig oder oval. Man geht davon aus, dass die Gestalt der einzelnen Partikel und der Agglomerationsvorgang auftritt, um die überschüssige freie Oberflächenenergie, die mit solch einem fein verteilten Material verbunden ist, zu minimieren. Die zweiten Elektronenmikrobilder sind in den 3(a) und (b) gezeigt.
Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) zeigte, dass die Partikel typischerweise eine im Allgemeinen kugelförmige Morphologie haben. Eine entsprechende Elektronendiffraktionsarbeit zeigt an, dass die Partikel typischerweise im Wesentlichen monokristallin sind.
Die spezifische Oberfläche (SSA – specific surface area) wurde durch Stickstoffabsorption unter Verwendung des in BS 4359 Teil 1 beschriebenen Dauerdurchflussverfahrens bestimmt. Es zeigte sich, dass die spezifische Oberfläche im Bereich von 25 bis 30 m²g^–1 lag. 4 zeigt, wie sich die spezifische Oberfläche bei einem idealen, chemisch reinen, kugelförmigen Aluminiumpulver mit der Partikelgröße ändert. 4 zeigt an, dass eine durchschnittliche Partikelgröße von 90 nm mit einer spezifischen Oberfläche von 25 bis 30 m²g^–1 übereinstimmt. So zeigen die SEM-Bilder eine Übereinstimmung mit der SSA-Analyse.
Die Oxidfraktion im Pulver verschiebt sich ungünstig, wenn die Pulverpartikelgröße kleiner wird, d. h. der Oxidanteil nimmt gegenüber demjenigen des Metalls zu. Dieser Trend ist in 5 graphisch dargestellt, hier wird von einer gleichmäßigen Oxidschicht mit einer Dicke von 4,5 nm ausgegangen. Dies stellt die diffusionsbegrenzte festhaftende, zusammenhängende und gleichmäßige Oxidschicht dar, die mit Aluminiummaterial verbunden ist, das unter Niedrigtemperaturbedingungen einer sauerstoffreichen Atmosphäre ausgesetzt wird.
Wieder zeigte die Zusammensetzungsanalyse einen Oxidgehalt von 33 Gew.-% an. Dies lässt eine implizierte Partikelgröße von 90 bis 100 nm entstehen. Auch dies stimmt wieder mit der SSA-Analyse und den SEM-Bildern überein.
Eine Wärmeanalyse wurde unter Verwendung von Differentialscanning-Kalorimetrie (DSC) durchgeführt. Das Instrument wurde zuerst unter Verwendung eines nachweisbaren Indium-Eichstabs auf Temperatur- und Energieeichung hin überprüft. Die Probe wurde unter Luftfluss mit 5 ml min^–1 bei einer Erwärmungsrate von 10°C min^–1 auf 750°C erwärmt. Das DSC-Spektrum zeigt eine exotherme (Energie wird abgegeben) Spitze mit einer extrapolierten Anlauftemperatur von 538°C. Der Spitzenbereich beträgt 538 bis 620°C mit einem Spitzenmaximum bei 590°C. Nach dem anfänglichen Erwärmen wurde die Probe gekühlt und unter denselben Bedingungen wiedererwärmt, und es wurde keine Wärmeabgabe beobachtet. Dies zeigte eine vollständige und irreversible chemische Reaktion, d. h. die Aluminiumoxidation, an. Dies ist in den 6 und 7 graphisch dargestellt.
Das Verfahren der röntgenologischen Photoelektronenspektroskopie (XPS) spricht empfindlich auf die Oberfläche an, und es werden typischerweise die äußersten 2 bis 3 Schichten eines Materials (d. h. der oberste 1 nm) analysiert. Dies liefert sowohl zusammensetzungsrelative als auch chemische Daten. Beispielsweise kann XPS zwischen Al als Grundstoff und Al, das mit einem Al₂O₃-Oxid zusammenhängt, unterscheiden. Das Übersichtsspektrum zeigt das Vorhandensein der folgenden Arten, Tabelle 2:
Tabelle 2: Zuordnung der Komponenten zur Spitze
Das Übersichtsspektrum ist in 8 bereitgestellt und zeigt das Vorhandensein von Kohlenstoff (19% Atommasse), Sauerstoff (50% Atommasse), Aluminium (27% Atommasse), Stickstoff (0,6% Atommasse), Natrium (3,3% Atommasse) und Calcium (0,7% Atommasse). Diese Werte wurden unter Verwendung veröffentlichter Sensitivitätsfaktoren (Briggs und Seah 1990) berechnet. Detaillierte Spektren wurden aus der Hauptspitze entnommen, um chemische Daten in Form von Bindungsenergien zu bekommen, Faktoren wie Morphologie, Topologie und Heterogenität wurden nicht berücksichtigt. Die Kohlenstoffspitze, d. h. eine zufällig hinzukommende Verunreinigung durch Kohlenstoff (umweltbedingte Verunreinigung), Bindungsenergie 287,4 eV, wurde zum Eichen des Spektrums verwendet. Die Zusammensetzungsdaten beziehen sich auf die äußeren 2 bis 3 Schichten des Partikelmaterials und sollten dementsprechend nicht als die Gesamtausgangszusammensetzung des Materials gedeutet werden.
Die Spitze Al2p zeigt zwei aufgrund des Metalls und des nativen Oxids mit Bindungsenergien von 72,1 eV bzw. 74,1 eV übereinander gelagerte Komponenten. Die Tatsache, dass das mit dem Inneren der Partikel zusammenhängende Aluminiummetall, d. h. das Substratmetall, durch das Oxid hindurch erfasst werden konnte, zeigt eine dünne Überschicht von weniger als 2 bis 3 Einzelschichten an (Kristallographie: Korund hat ein rhomboedrisches Kristallsystem, worin a = b = c = 12,98 A). Man beobachtete, dass die Kohlenstoffspitze aus zwei Komponenten bestand und zwar aus einer umweltbedingten Verunreinigung und Carbid. Der Kohlenstoff konnte kategorisch keiner der beiden erfassten Metallarten zugeordnet werden. Natrium ist wahrscheinlich als Carbonat (Na₂CO₃) vorhanden.
Es ist möglich, die Dicke der Einzelschicht unter Verwendung der Gleichung von De Beers-Lambert und damit zusammenhängenden Annahmen zu schätzen.
Gleichung von De Beers-Lambert, Version 1
Iox = I0 ox [1 – exp(–d/λsinθ)] (1)
Gleichung von De Beers-Lambert, Version 2
Ielement = I0 element [exp (–d/λsinθ)] (2)worin λ der durchschnittliche, freie, unelastische Elektronenpfad λ = 0,05 (KE)^0,5 nm = 0,05(1486,6 – 73)^0,5 = 1.8799 nm (Ke = abgegebene kinetische Elektronenenergie) ist.
Ist das Oxid zum Metallmaterialelement nativ, dann sind I₀ und λ in etwa gleich. Somit kann, indem Gleichung 1 durch Gleichung 2 dividiert wird, eine Gleichung erhalten werden, die sich auf die relativen Al-Signalstärken zur Oxidschichtdicke bezieht: Iox/Ielement = exp (d/λsinθ) – 1 (3)
Die mit der Verwendung dieser Gleichung zusammenhängenden Annahmen sind wie folgt

(i) die Oberflächen sind flach;
(ii) die Oxidschicht ist gleichmäßig dick;
(iii) die Schicht ist durchgehend; und
(iv) die Oberflächen sind plan.

Das Ergebnis dieser Berechnung ist, dass die Oxidschicht ca. 2 bis 3 nm dick ist, was mit der Zusammensetzungsanalyse, der SSA-Analyse und den SEM-Bildern übereinstimmt. Die mögliche Schwankung ist dabei mit der Ungenauigkeit der bei der Berechnung angestellten Annahmen verbunden. Diese Berechnung ist sehr ungenau, dennoch analysiert das Verfahren nur den obersten nm der Probe als Maximaltiefe. Dies bedeutet, dass, wenn ein Signal eines Ausgangsmetalls im Übersichtsspektrum beobachtet wird, die Oxiddicke weniger als 5 nm betragen muss, wobei dies eine bestimmte Aussage ist, die mit der Natur der kennzeichnenden Strahlung zusammenhängt.
Das Partikelmaterial nach der vorliegenden Erfindung hat die folgenden Merkmale:

1. Es wird beobachtet, dass das Material in der Zusammensetzung ein Gemisch aus Aluminiummetall und Aluminiumoxid ist, was mit der Sauerstoffzugabe übereinstimmt, die während der Verarbeitung unter Niedrigtemperaturoxidationsbedingungen zum Material erfolgte, d. h. im Wesentlichen oxidiert nur die Oberfläche.
2. Eine Abbildung zeigt an, dass sich das Material mit einer feinen kugelförmigen Partikelmorphologie mit 70 bis 130 nm durchschnittlichem Partikeldurchmesser bildet (typischer 80 bis 120 nm, noch typischer ca. 100 nm). Dies rechtfertigt die Klassifizierung als Nanomaterial.
3. Die Partikel sind agglomeriert, was eine Partikelgruppierung bedeutet, die durch schwache Kräfte zusammengehalten wird, die durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise durch Beschallung überwunden werden können.
4. Eine Analyse der spezifischen Oberfläche hat gezeigt, dass das Material typischerweise eine spezifische Oberfläche im Bereich von 15 bis 40 m²g^–1, typischer im Bereich von 25 bis 30 m²g^–1 hat. Dies korreliert typischerweise mit einer Partikelgröße von 75 bis 95 nm.
5. Eine Wärmeanalyse hat gezeigt, dass eine vollständige und irreversible chemische Reaktion an der Luft bei 550 bis 650°C stattfindet. Dies stimmt mit der thermisch aufrechterhaltenen Oxidation überein.
6. Eine oberflächenspezifische Analyse hat gezeigt, dass die Oxidkomponente des Pulvers mit der Oberfläche zusammenhängt und die Schicht weniger als ca. 5 nm dick ist. Von daher kann das Material als einzeln verkapselt beschrieben werden.

Die Vorrichtung und das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung stellt eine vereinfachte Technik zur Herstellung und zum Auffangen von Pulvern bereit, deren Korngrößen sich in der Submikron- und Nanometergrößenordnung bewegen. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein übergesprungener Plasmalichtbogen zwischen der Lichtbogenspitze einer länglichen Graphitelektrode und einer Gegenelektrode hergestellt, die als Teil eines Graphitreaktorbehälters ausgebildet ist.
Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann ohne den Einsatz irgendwelcher wassergekühlter Bauteile innerhalb des Plasmareaktors arbeiten und lässt ein Nachfüllen von Zufuhrmaterial zu, ohne den Reaktor dabei anzuhalten.
Die Reaktivität von Metallen mit Submikron- und Nanometerkorngrößen, wie Aluminium, wirft ein Betriebsrisiko auf, wenn die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts mit Wasser, reaktiven Flüssigkeiten oder reaktiven Gasen wie Luft und Sauerstoff besteht. Die hierin beschriebene Passivierungsstufe macht das pulverisierte Material geeigneter für den Transport.

Claims

Plasmalichtbogenreaktor zur Herstellung eines Pulvers aus einem festen Zufuhrmaterial in Form eines Drahtes, wobei der Reaktor umfasst: (a) eine erste Elektrode, (b) eine zweite Elektrode, welche dazu ausgelegt ist, von der ersten Elektrode um einen Abstand beabstandet zu sein, der ausreicht, um eine Plasmalichtbogen dazwischen zu erzielen, (c) Einrichtungen zum Einleiten eines Plasmagases in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, (d) Einrichtungen zum Erzeugen eines Plasmalichtbogens in dem Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, bei dem die erste Elektrode einen durch sie hindurchgehenden Kanal aufweist, wobei ein Auslass des Kanals in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode mündet, und bei dem Einrichtungen vorgesehen sind, um festes Zufuhrmaterial in und durch den Kanal zuzuführen, damit es daraus über den Auslass in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode austritt.
Plasmalichtbogenreaktor nach Anspruch 1, darüber hinaus noch Einrichtungen umfassend, um das feste Zufuhrmaterial in Form eines Drahtes zur ersten Elektrode zu transportieren.
Plasmalichtbogenreaktor nach Anspruch 1 oder 2, darüber hinaus noch einen Behälter oder Halter für das feste Zufuhrmaterial in Form eines Drahtes umfassend.
Plasmalichtbogenreaktor nach Anspruch 3, darüber hinaus noch Einrichtungen umfassend, um Draht aus dem Behälter oder Halter zur ersten Elektrode zu transportieren.
Plasmalichtbogenreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Elektrode im Hinblick auf die zweite Elektrode aus einer ersten Position, bei der ein Lichtbogenabschnitt von ihr einen Lichtbogenabschnitt der zweiten Elektrode berührt, in eine zweite Position beweglich ist, bei der die Lichtbogenabschnitte um einen Abstand voneinander beabstandet sind, der ausreicht, um einen Plasmalichtbogen dazwischen zu erzielen.
Plasmalichtbogenreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Elektrode ein hohles längliches Teils ist, dessen Innenoberfläche einen geschlossenen Kanal bildet, wobei das längliche Teil an einer Lichtbogenspitze endet, welche einem Lichtbogenabschnitt der zweiten Elektrode gegenüberliegt, bei dem der Auslass des geschlossenen Kanals bei der oder angrenzend an die Lichtbogenspitze angeordnet ist.
Plasmalichtbogenreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Lichtbogenabschnitte der ersten und/oder der zweiten Elektrode aus Graphit bestehen.
Plasmalichtbogenreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, darüber hinaus noch Kühleinrichtungen zum Kühlen und Kondensieren des festen Zufuhrmaterials umfassend, welches im Gebrauch im Plasmalichtbogen zwischen der ersten und der zweiten Elektrode verdampft wurde.
Plasmalichtbogenreaktor nach Anspruch 8, bei dem die Kühleinrichtung eine Quelle eines Kühlgases umfasst.
Plasmalichtbogenreaktor nach Anspruch 9, bei dem die zweite Elektrode einen Graphitbehälter mit einer Oberfläche umfasst, die dazu ausgelegt ist, verdampftes, festes Zufuhrmaterial stromabwärts zu einer Kühlzone zu leiten, um im Gebrauch durch das Kühlgas gekühlt zu werden.
Plasmalichtbogenreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, darüber hinaus noch eine Auffangzone zum Auffangen des pulverisierten Materials umfassend.
Plasmalichtbogenreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kanal in der ersten Elektrode auch dazu ausgelegt ist, das Plasmagas in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode einzuleiten.
Plasmalichtbogenreaktor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Einrichtung zum Erzeugen eines Plasmalichtbogens im Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode eine Gleich- oder Wechselstromquelle umfasst.
Verfahren zur Herstellung eines Pulvers aus einem festen Zufuhrmaterial, welches Verfahren umfasst: (i) Bereitstellen eines wie in einem der vorstehenden Ansprüchen definierten Plasmalichtbogenreaktors; (ii) Einleiten eines Plasmagases in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, (iii) Erzeugen eines Plasmalichtbogens im Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode, (iv) Zuführen von Festmaterial durch den Kanal, damit es über dessen Auslass in den Plasmalichtbogen austritt, wodurch das Festmaterial verdampft wird, (v) Kühlen des verdampften Materials, um es zu einem Pulver zu kondensieren, und (vi) Auffangen des Pulvers.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das feste Zufuhrmaterial ein Metall oder eine Legierung umfasst oder daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das feste Zufuhrmaterial Aluminium oder eine Legierung davon ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei das Plasmagas Inertgas umfasst oder daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Plasmagas Helium und/oder Argon umfasst oder daraus besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, wobei das Plasmagas durch den Kanal der ersten Elektrode eingeblasen wird, um daraus in den Raum zwischen der ersten und der zweiten Elektrode auszutreten.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Plasmagas und das feste Zufuhrmaterial über einen gemeinsamen Auslass aus der ersten Elektrode austreten.
Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, wobei das Plasmagas und das feste Zufuhrmaterial über einen gemeinsamen Einlass in den Kanal in der ersten Elektrode eintreten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, wobei zumindest eine gewisse Kühlung des verdampften Materials unter Verwendung eines Inertgasstroms erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei zumindest eine gewisse Kühlung des verdampften Materials unter Verwendung eines Stroms reaktiven Gases erzielt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, wobei die Oberfläche des Pulvers unter Verwendung eines Stroms Passivierungsgases oxidiert wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Passivierungsgas ein sauerstoffhaltiges Gas umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das sauerstoffhaltige Gas 95 bis 99 Vol-% eines Inertgases und 1 bis 5 Vol.-% Sauerstoff umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das sauerstoffhaltige Gas ca. 98 Vol.-% eines Inertgases und ca. 2 Vol.-% Sauerstoff umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 27, wobei das Pulver Partikel umfasst, wovon alle einen Durchmesser von weniger als 200 nm haben.
Verfahren zur Herstellung eines passivierten Aluminiumpulvers aus einem festen Zufuhrmaterial aus Aluminiumdraht, welches Verfahren umfasst: (A) Bereitstellen eines Plasmalichtbogenreaktors, (B) Einleiten von Inertgas in den Reaktor und Erzeugen eines Inertgasplasmas im Reaktor, (C) Zuführen von Aluminiumdraht in das Inertgasplasma, wodurch das Aluminium verdampft wird, (D) Kühlen des verdampften Aluminiums mit Inertgas, um ein Aluminiumpulver zu kondensieren, und (E) Oxidieren der Oberfläche des Aluminiumpulvers mit einem Passivierungsgas.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei der Reaktor wie in einem der Ansprüche 1 bis 13 definiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 30, wobei der Reaktor vor dem Verdampfen des festen Zufuhrmaterials auf eine Temperatur von 2000 bis 2500°C, vorzugsweise 2200 bis 2300°C vorgeheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 31, wobei der Druck im Reaktor auf einem Pegel über Normaldruck gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 32, wobei das Pulver Partikel mit einem Kern umfasst, der im Wesentlichen Aluminium umfasst oder daraus besteht, und eine Oberflächenschicht, die im Wesentlichen Aluminiumoxid umfasst oder daraus besteht.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Oberflächenschicht aus Aluminiumoxid eine Dicke von ≤ 10 nm, bevorzugter ≤ 5 nm, noch bevorzugter ≤ 3 nm hat.
Verfahren nach Anspruch 33 oder 34, wobei im Wesentlichen alle Partikel einen Durchmesser von ≤ 200 haben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, wobei der durchschnittliche Partikeldurchmesser im Bereich von 50 bis 150 nm, bevorzugter von 70 bis 130 nm, noch bevorzugter von 80 bis 120 nm liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, wobei das Partikelmaterial eine spezifische Oberfläche im Bereich von 15 bis 40 m²g^–1, vorzugsweise von 25 bis 30 m²g^–1 hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 37, wobei die Partikel einen monokristallinen Kern haben.