DE69733660T2

DE69733660T2 - Mikrowellenplasma chemischen synthese von ultrafeinen pulvern

Info

Publication number: DE69733660T2
Application number: DE69733660T
Authority: DE
Inventors: M. Krupashankara SETHURAM; Raja Kalyanaraman
Original assignee: Materials Modification Inc
Current assignee: Materials Modification Inc
Priority date: 1996-11-04
Filing date: 1997-11-04
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2017-11-05
Also published as: US20030172772A1; US20020112794A1; WO1998019965A1; EP0946414A4; EP0946414A1; DE69733660D1; JP2001504753A; US6409851B1; ATE298728T1; EP0946414B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Mikrowellen-Synthese von Materialien, insbesondere von ultrafeinen Pulvern mit einer Durchschnittspartikelgröße <500 nm.
Beschreibung des Standes der Technik
Ultrafeine metallische und keramische Pulver weisen einzigartige Eigenschaften sowie das Potenzial auf, signifikante Beiträge zum Fortschritt auf dem Gebiet der Elektronik, von Feststoff-Schmiermitteln, Kondensatoren, Batterien, Sensoren, Wärmehaushaltssubstraten sowie von Additiven für die kosmetische und pharmazeutische Industrie zu leisten. Ultrafeine Pulver werden auch in Optiküberzügen, Polierschlämmen und in Magnetspeichervorrichtungen angewandt. Teile aus ultrafeinen Partikeln/Pulvern zeigen und ergeben verbesserte mechanische, optische und thermische Eigenschaften. In herkömmlicher Weise sind ultrafeine Pulver durch eine Vielzahl von Verfahrenstechniken, einschließlich von Verfahrensweisen wie mechanisches Mahlen, Flammpyrolyse, Sol-Gel, Laserabtrag, Dampfabscheidung und Verdampfungskondensation, hergestellt und erzeugt worden.
Mit Niederenergie (1 bis 2,5 kW)-Mikrowellen erzeugte Plasmen sind in vielen Abscheidungs-, Ätz- und Substratverarbeitungsverfahren angewandt worden. Mit Niederenergie betriebene Mikrowellensysteme werden bei Plasmatemperaturen von weniger als 700°C durchgeführt, wobei die Abscheidungs- und Ätzkammern in hergebrachter Weise aus Messing und Bronze oder sogar aus Kupfer, mit einer Quarzrohr-Auskleidung in einigen Fällen, hergestellt sind. Diese Kammern oder Applikatoren können 700°C ohne große Kühlanstrengungen aushalten.
Die Anwendung von Mikrowellen zur Synthese metallischer und keramischer Pulver bietet einzigartige Vorteile, besonders zur Herstellung von Partikeln im Submikron-Größenbereich mit gesteuerten Zusammensetzungen und Phasen.
US-A-5,384,306, US-A-5,389,585, US-A-5,403,375 und US-A-5,407,458 enthalten jeweils die technische Lehre zur Herstellung von Feinpartikel-Metallpulvern unter Anwendung von Schmelz- und Rekondensationsverfahren. Keines dieser Dokumente betrifft Pulverherstellungstechniken, in denen Mikrowellen oder Plasma angewandt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schließt eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Herstellung von Materialien, vorzugsweise von ultrafeinen Pulvern, unter Anwendung eines Mikrowellenplasma zur chemischen Synthese ein. Die prinzipiellen Komponenten einer Mikrowellenmaschine gemäß der Erfindung sind: (1) ein Mikrowellengenerator, wie ein Magnetron, und (2) ein Mikrowellenapplikator. Das Magnetron erzeugt Mikrowellen durch Wechselwirkung von Elektronen, die in elektrischen und magnetischen Feldern (oft bezeichnet als "gekreuzte Felder") fließen. Diese Wechselwirkung, die mit einer hohen Gleichstrom-Spannung zwischen der Kathode und der Anode gekoppelt ist, ergibt Mikrowellen. Die so erzeugten Mikrowellen werden dann durch Wellenleiter geleitet, bevor sie am Kopf des Applikators ankommen.
Mikrowellenapplikatoren sind Vorrichtungen, die entworfen sind, um ein Material zu erhitzen, das dem Mikrowellenfeld in gesteuerter Umgebung ausgesetzt wird. In der vorliegenden Erfindung ist der Applikator als "Plasmatron" bezeichnet, worin die Hochenergie-Mikrowellenelektronen das eingespritzte Gas ionisieren und dissoziieren, um dabei große Energiemengen freizusetzen. Die so freigesetzte Energie wird genutzt, um eine chemische Reaktion zwischen den gewünschten Reaktanden auszulösen. Die Wechselwirkung zwischen den chemischen Spezies ergibt ultrafeine Pulver mit den gewünschten chemischen und physikalischen Eigenschaften. Wegen raschem Löschen/Abschrecken, das in der Reaktorsäule abläuft, fallen die erzeugten Pulvergrößen sehr fein aus. Durch gezielte Steuerung des Durchmessers und der Länge der Säule ist es daher ermöglicht, die Partikelgröße zu steuern. Mit dieser Vorrichtung können ultrafeine Pulver aus reinen Metallen, wie aus Eisen, Kobalt, Nickel, Wolfram und aus Rhenium, aus Metalloxiden, wie aus Eisenoxid, aus Metallnitriden, wie aus Titannitrid, aus Metallcarbiden und aus sehr vielen Keramiken, wie aus Aluminiumnitrid, Titandioxid und aus Aluminiumtrioxid, hergestellt und erzeugt werden. Durch die Vorrichtung wird auch die Befähigung zur kontinuierlichen Produktion ultrafeiner Partikel/Pulver aus reinen Metallen, Metalloxiden, Metallcarbiden und aus Metallnitriden, insbesondere aus Wolfram, Molybdän, Eisen, Kobalt, Nickel, Aluminium, Titandioxid und aus Aluminiumnitrid, im Gegensatz zu den in Charge durchgeführten Verfahren des Standes der Technik geschaffen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der nun folgenden Beschreibung dargelegt und teilweise aus dieser erkennbar oder lassen sich mittels Durchführung der Erfindung erlernen. Die Aufgaben und weiteren Vorteile der Erfindung werden durch das Verfahren und die Vorrichtung gelöst und erzielt, die insbesondere in der offenbarten Beschreibung und der vorliegend geltenden Ansprüchen sowie in den beigefügten Zeichnungen dargelegt und herausgestellt sind.
Zur Erzielung dieser und weiterer Vorteile sowie gemäß dem Zweck der ausgestalteten und breit beschriebenen Erfindung schließt die Erfindung eine Vorrichtung zur Mikrowellensynthese von Materialien ein. Die Vorrichtung schließt einen Mikrowellengenerator, Wellenleiter, durch die die durch den Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowellen in eine Plasmazone fließen, worin das Plasma die Reaktanden zur Bildung von Reaktionsprodukten erhitzt, einen Plasmagas-Einlass, der unter einem Winkel so versetzt ist, dass das Plasmagas, das durch den Einlass hindurchgeht, die Plasmazone in einem spiralförmigen Muster betritt, sowie einen Reaktionsprodukte-Kollektor stromabwärts von der Plasmazone zum Sammeln der Reaktionsprodukte ein.
Die Erfindung schließt auch eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung zur Mikrowellensynthese von Materialien ein. Diese Vorrichtung schließt einen Mikrowellengenerator, Wellenlängenleiter, durch die die durch den Mikrowellengenerator erzeugten Mikrowellen in eine Plasmazone fließen, worin das Plasma Reaktanden zur Bildung von Reaktionsprodukten erhitzt, einen Mikrowellendämpfer an einer Seite der Plasmazone weg vom Wellenleiter zur Dämpfung der Mikrowellen, die durch die Plasmazone gegangen sind, um dadurch die Energie einer reflektierten Mikrowelle um mindestens 60 % zu verringern, sowie einen Reaktionsprodukte-Kollektor stromabwärts von der Plasmazone zum Sammeln der Reaktionsprodukte ein.
In noch einer weiteren Ausführungsform schließt die Erfindung das Verfahren zur Mikrowellensynthese von Materialien ein. Das Verfahren schließt Stufen ein, in denen ein Plasmagas in einen Mikrowellenapplikator und mindestens ein Reaktand in den Mikrowellenapplikator eingeleitet, eine Mikrowelle in einem Mikrowellengenerator erzeugt, die Mikrowelle in den Mikrowellenapplikator, der das Plasmagas enthält, zur Erzeugung eines erhitzten Plasma in einer Plasmazone geleitet, reflektäre Mikrowellen zur Verringerung ihrer Reflexion aus der Oberfläche des Mikrowellenapplikators um mindestens 60 % absorbiert und eine Reaktion in der Plasmazone herbeigeführt werden, um dadurch mindestens den einen Reaktand in ein Reaktionsprodukt zu überführen.
Es sollte klar und selbstverständlich sein, dass sowohl die vorstehend dargelegte allgemeine Beschreibung als auch die nun folgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind und lediglich eine weitere Erklärung der beanspruchten Erfindung liefern sollen.
Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der Erfindung zu vermitteln, und sie sind in die vorliegende Beschreibung eingeschlossen und stellen einen Teil davon dar, erläutern eine/mehrere Ausgestaltung(en) der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, der Erklärung der Prinzipien der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die beigefügten Zeichnungen, die in die vorliegende Beschreibung eingeschlossen sind und einen Teil davon darstellen, erläutern Ausgestaltungen der Erfindung und dienen, zusammen mit der Beschreibung, der Erklärung der Aufgaben, Vorteile und Prinzipien der Erfindung.
Gegenstand der Zeichnungen sind die folgenden Figuren:
1 ist eine schematische Darstellung einer Mikrowellenplasma-Vorrichtung für chemische Synthesen gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
2a ist eine schematische Darstellung einer Pulvereinspeisvorrichtung, die in der Erfindung angewandt werden kann; und
2b ist eine schematische Darstellung einer Einspeisvorrichtung für chemische Dämpfe, welche in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung angewandt werden kann.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
Die Vorrichtung zur Mikrowellenerzeugung ist in 1 dargestellt und wird als "Magnetron" bezeichnet. Die primären Faktoren, die die Wahl eines besonderen Magnetrons bestimmen, sind die Energie und Frequenz der Mikrowelle, die benötigt werden, um die chemische Plasmareaktion auszulösen und ablaufen zu lassen. Beispielsweise wird eine kontinuierlich variable Magnetron-Einspeisenergie von 1 bis 6 kW bei einer Frequenz von 2.425 bis 2.475 MHz erzeugt. Die Energie der Mikrowelle diktiert den Erzeugungsumsatz der metallischen und keramischen Pulver. Die mit dem Magnetron erzeugte Mikrowelle kann entweder in einem transversen elektromagnetischen (TEM)-, transversen elektrischen (TE)- oder in einem transversen magnetischen TM-Modus erzeugt und angewandt werden. Die TE- oder TM-Welle wird in einem Wellenleiter erzeugt, der in typischer Weise eine Hohlleiter-Leitung mit entweder einem rechteckigen oder einem kreisförmigen Querschnitt ist.
In der vorliegenden Erfindung werden vorzugsweise ein rechteckiger Wellenleiter eingesetzt und die Mikrowellen vorzugsweise im TE-Modus (TE 01) betrieben, worin 0 oder 1 die Feldverteilungen für diesen Fortpflanzungsmodus sind, die durch die rechteckigen Wellenleiter erzeugt werden.
Die so fortgepflanzten Mikrowellen werden auf den als das "Plasmatron" bezeichneten Applikator gerichtet, wo sie das Plasma-bildende Gas zu einer "Plasma"-Zone ionisieren.
Ein Mikrowellendämpfer, vorzugsweise ein Wasser-gekühltes Glasrohr, ein Wasser-gekühltes rechteckiges Aluminiumrohr oder ein weiteres mit Wasser befülltes Dämpfungssystem werden nach dem Plasmatron und gegenüber dem rechteckigen Wellenleiter angeordnet. Dieser Dämpfer absorbiert Mikrowellen, um deren Rückreflexion in das Magnetron zu verhindern. Reflektierte Mikrowellen können sich zurück durch die Plasmazone und in das Magnetron fortpflanzen, wo sie einfallende Mikrowellen auslöschen. Dieser Umstand verringert den Wirkungsgrad einer Abscheidungsvorrichtung drastisch und inhibiert die erzielbare Plasmatemperatur. Betragen die einfallende oder nach vorne gerichtete Energie der Mikrowelle beispielsweise 6 kW und die reflektierte Energie 4 kW, beträgt die effektive Energie, d.h. die Energie der Mikrowelle, die das Plasma erzeugt, lediglich 2 kW. In Vorrichtungen des Standes der Technik fehlen entweder jegliche Möglichkeiten zur Eliminierung reflektierter Mikrowellen vollkommen, oder es werden Metallplatten verwendet, die andauernd wegen der dynamischen Natur und der Unvorhersagbarkeit des in der Plasmazone enthaltenen Plasma umgeordnet werden müssen.
Sind die Metallplatten nicht präzise genug angeordnet, geraten die reflektierten Wellen außer Phase mit den einfallenden Wellen, um diese dadurch auszulöschen. Somit wird die Positionierung der Platten zu einer unumgänglichen Stufe zur Bereitstellung des Mikrowellensystems für die jeweiligen Herstellverfahren. Außerdem wird die Freiheit des Bedienungspersonals, die Parameter des Systems dynamisch zu modifizieren, durch die Notwendigkeit ernsthaft eingeschränkt, die Platten fortwährend zu justieren, um die Optimalposition jeder Vorrichtung zu finden.
Im Gegensatz dazu, wird durch den Dämpfer der vorliegenden Vorrichtung die Stärke der reflektierten Welle verringert, wodurch der gegenläufige Effekt der reflektierten Welle unabhängig von ihrer Phase herabgesetzt wird. Dies ergibt für das Bedienungspersonal eine schnellere Ausrüstungserstellungszeit sowie die freie Wahl, die Bedienungscharakteristika der Vorrichtung ständig zu adjustieren. Mit den in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangenden Mikrowellendämpfer wird die Energie der reflektierten Mikrowellen um 60 bis 100 % und vorzugsweise um einen Betrag von mehr als 80 bis 85 % herabgesetzt.
Verschiedene Typen von Gasen können in Abhängigkeit vom gewünschten Pulver und den angestrebten Pulvereigenschaften verwendet werden. Kandidaten der Plasmagase schließen Wasserstoff, Sauerstoff, Helium, Argon, Stickstoff, Methan oder eine Kombination derselben ein. Die Ionisierung des Gases führt zur Freisetzung großer Energiemengen, die die in das Plasmatron eingespritzten Chemikalien unmittelbar verdampfen, um dadurch die gewünschte chemische Reaktion auszulösen. Die Temperatur im Plasmatron beträgt in typischer Weise 500 bis 1100°C. Das Plasma-bildende Gas befördert die Reaktionsprodukte in die Reaktorsäule, wo sie ganz rasch z.B. in einer doppelwandigen, Wasser-gekühlten Säule aus Edelstahl mit Quarzauskleidung abgeschreckt werden. Das Gas kann durch einen axialen, radialen oder abgewinkelten Einlass eingeleitet werden. Vorzugsweise wird das Plasmagas in das Plasmatron in einem spiralförmigen Gasflussmuster eingeleitet, mit welchem das Plasma auf die zentrale Region des Plasmatrons eingegrenzt wird, um dadurch zu verhindern, dass die Plasmatronwände oder das Material der Reaktionssäule beschädigt werden. In spezifischer Weise erzeugt das Spiralmuster ein Zyklon-artiges Muster mit einem zentralen Niederdruck-Abschnitt, der die Abmessungen des Plasma steuert. Daher können höhere Energien und höhere Temperaturen angewandt werden, um eine kleinere und bessere Qualität sowie einheitlichere Pulver zu erzeugen, als sie ansonsten mit einem System niedrigerer Energie erzielbar wären.
Das spiralförmige Gasflussmuster kann durch Einleiten des Plasmagases in die Reaktionszone unter einem schiefen Winkel erzeugt werden. Eine Vorgehensweise, um dies zu bewerkstelligen, beruht darauf, dass die Einlassöffnung unter einem Winkel von 0 bis 90° versetzt und vorzugsweise um 15° abgewinkelt wird. Das Gas kann durch eine einzelne Einlassöffnung oder durch mehrfache (z.B. vier) Einlassöffnungen eingeleitet werden, die kreisförmig um die Reaktionszone herum angeordnet werden. Es ist ebenfalls möglich, die Reaktanden schräg zur Reaktionszone entweder vor oder nach dem Eintrag des Plasmagases einzuleiten.
Die Abschreckungsgeschwindigkeit sowie der Durchmesser und die Länge der Reaktorsäule beeinflussen die Pulvergröße und -verteilung. Die Abschreckungsgeschwindigkeit hängt von der Kühlwassertemperatur ab, die von 20 bis –5°C schwanken kann; je niedriger die Temperatur ist, um so feiner wird die Partikelgröße. Der Reaktorsäulendurchmesser schwankt vorzugsweise von 5,1 bis 15 cm (2 bis 6'') in Abhängigkeit von der benötigten Partikelgrößenverteilung. Die Reaktionssäulenlänge schwankt vorzugsweise von 20 bis 30 cm (8 bis 12'') und ist eine Funktion des Temperaturabfalls, der vor Eintritt der ultrafeinen Partikel in den Filterbeutel erwünscht wird. Der Filterbeutel ist so ausgestaltet und beschaffen, dass er Temperaturen im Bereich von 300 bis 600°C Stand hält. Die Konstruktion des Restes der Vorrichtung und der Einspeisvorrichtung für das Rohmaterial variiert mit dem gewünschten Endprodukt, wie diese aus den Beispielen ersichtlich sind.
Ein besonders nützlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, die Befähigung zur Erzeugung ultrafeiner Pulver mit einer Pulverpartikelgröße von kleiner als 10 bis 500 und vorzugsweise kleiner als 100 nm, aber mit einer im Wesentlichen einheitlichen Partikelgrößenverteilung zu schaffen. Eine relativ enge Partikelgrößenverteilung ist wegen des Einflusses der Partikelgröße auf die Pulververdichtungscharakteristika und die Eigenschaften des Endmaterials von Vorteil. Eine einheitliche Größenverteilung, die eingehalten und gesteuert werden kann, befähigt die Endprodukthersteller, die Eigenschaften des Endprodukts besser vorherzusagen und zu steuern.
Bestehende Verfahren ergeben relativ breite und unvorhersagbare Partikelgrößenverteilungen. In einigen Fällen kann die Verteilung bimodal oder asymmetrisch ausfallen.
Durch die vorliegende Erfindung wird jedoch die Befähigung geschaffen, eine Partikelgrößenverteilung von 50 nm oder weniger (gemäß Messung mit z.B. einem Laserstreu-Partikelgrößen-Analysiergerät) zu erzeugen. Außerdem können die Parameter variiert werden, um variierende Größenverteilungen, z.B. von 50 nm oder weniger bis 100 nm oder mehr, über den gesamten Bereich der Durchschnittspartikelgrößen (z.B. von weniger als 10 nm bis größer als 1 μm) zu erzeugen. Die Verteilung kann auch so gesteuert werden, dass sie symmetrischer verteilt um den Mittelwert herum erzeugt wird, als dies mit Verfahren des Standes der Technik der Fall war, und sie kann sich, falls gewünscht, einer Normalverteilung annähern.
1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß der Erfindung. Der Mikrowellengenerator 1, der ein Magnetron einschließen kann, wird zur Erzeugung der Mikrowellen angewandt. Eine kontinuierlich variable Einspeisenergie von größer als 1 kW, vorzugsweise von mehr als 3 bis 6 kW und bevorzugter von mehr als 5 bis 6 kW kann bei einer Frequenz von 2425 bis 2475 MHz erzeugt werden. Die so erzeugten Mikrowellen werden durch rechteckige Wellenleiter 2 zum Plasmatron 3 geleitet.
Das Plasmatron ist ein Mikrowellenapplikator, worin die Mikrowellen das Gas ionisieren, das sowohl radial als auch axial durch die Injektoröffnung 6 injiziert werden kann. Das Plasmatron schließt auch eine Einspeisöffnung zur Anbringung der Dosiervorrichtung 5 für das Rohmaterial ein. Die chemische Wechselwirkung der Reaktanden in der Form von Ausgangspulvern oder Dämpfen läuft im Plasmatron ab. Die gebildeten Pulver werden unmittelbar in der Reaktionssäule 4 abgeschreckt. Die schnelle Dissoziation der Reaktanden nach dem Abschrecken führt zur Erzeugung der ultrafeinen Pulver. Die Reaktionssäule, die in der Erfindung vorzugsweise zur Anwendung gelangt, ist länger als herkömmliche Reaktionssäulen, wodurch der Anwender in die Lage versetzt wird, ultrafeine Partikel zu erzeugen, die in Vorrichtungen des Standes der Technik nicht zu erzeugen sind. In ganz spezifischer Weise schafft die längere Reaktionssäule in Kombination mit höheren Temperaturen für die Reaktion die Möglichkeit, als Restreaktion weiter abzulaufen, was die Reaktanden und Produkte zum Schmelzen, Verdampfen und erneuten Kondensieren zu bringen vermag, um dadurch eine bisher nicht erzielbare Größe entstehen zu lassen.
Nach ihrer Bildung sind die durch die Reaktionssäule hindurch gehenden Pulver noch heiß. Die mit den ultrafeinen Pulvern mitgeführte Hitze wird im Wärmeaustauscher 7 abgeführt. Die Pulver durchqueren den Wärmeaustauscher zum Pulverkollektor 8. Der Pulverkollektor ist vorzugsweise ein Edelstahlbehälter, der einen Filterbeutel einschließt, der die Pulver zurückhält, während die Gase durch einen Auspuff ausgeleitet werden, der stromabwärts vom Pulverkollektor angeordnet ist.
2(a) ist eine schematische Darstellung einer Pulver-Einspeisvorrichtung, die an die im Plasmatron angebrachte Einspeisöffnung angeschlossen werden kann. Diese Vorrichtung schließt vorzugsweise einen Motor nahe der Pulverzone 9 ein, welcher ein Klingenblatt rotieren lässt, um kontinuierlich ein Aerosol zu erzeugen, das auch eine Antriebskraft für die Pulver darstellt, die in die Einspritzöffnung eingespeist werden. Die Pulver können zur Pulverzone durch einen Kolben 10 befördert werden, der vom Motor 11 angetrieben wird.
2(b) ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Einspeisung eines chemischen Dampfs zur Anwendung in der Erfindung. Flüssige Vorstufenverbindungen, wie Metallcarbonyle, werden in das Plasmatron aus z.B. dem doppelwandigen Edelstahlbehälter 13 eingespritzt, der kontinuierlich durch Wasserleitungen (14, 15) erhitzt werden kann. Die Dämpfe der flüssigen Vorstufenverbindungen werden dann in das Plasmatron 3 durch den elektrisch beheizten Schlauch 12 eingespeist, um jegliche Kondensation zu verhindern. Die gebildeten ultrafeinen Pulver werden in der Reaktionssäule 4 abgeschreckt und anschließend in einem Edelstahlbehälter gesammelt, worin ein Filterbeutel untergebracht ist, um die feinen Pulver zurückzuhalten und die Gase durch den Auspuff austreten zu lassen.
Beispiel 1
Ultrafeine Pulver aus reinen Wolframpulvern wurden aus Wolframcarbonyl, besonders aus Wolframhexacarbonyl, als Rohmaterial und mit Stickstoff als Trägergas sowie auch als Plasmagas erzeugt. Die Fließgeschwindigkeit des Plasmagases betrug 0,002 bis 0,0022 m3/min, und diejenige des Trägergases betrug 0,0003 bis 0,0004 m3/min. Die Plasmatemperatur betrug 600 bis 650°C, die Einspeisgeschwindigkeit des Pulvers betrug 25 bis 30 g/h, und die Fließgeschwindigkeit des Abschreckwassers betrug 2,4 bis 2,5 L/min bei 20°C. Der Reaktorsäulendurchmesser betrug 48 mm, und seine Länge betrug 25,4 cm (10''). Die Vorwärtsenergie der Mikrowelle betrug 4,5 kW, die reflektierte Energie betrug 1,2 kW, und die Betriebsfrequenz betrug 2400 MHz. Die so erzeugten Partikel wiesen eine Partikelgröße von weniger als 50 nm auf.
Beispiel 2
Ultrafeine Pulver aus Molybdän wurden aus Molybdäncarbonyl, besonders aus Molybdänhexacarbonyl, als Rohmaterial und mit Stickstoff als Trägergas sowie auch als Plasmagas erzeugt. Die Fließgeschwindigkeit des Plasmagases betrug 0,0025 bis 0,003 m3/min, und diejenige des Trägergases betrug 0,0004 bis 0,0006 m3/min. Die Plasmatemperatur betrug 1000 bis 1200°C, die Einspeisgeschwindigkeit des Pulvers betrug 20 bis 25 g/h, und die Fließgeschwindigkeit des Abschreckwassers betrug 1,5 bis 1,8 L/min bei 20°C. Der Reaktorsäulendurchmesser betrug 48 mm, und die Länge betrug 25,4 cm (10''). Die Vorwärtsenergie der Mikrowelle betrug 3,5 kW, die reflektierte Energie betrug 0,6 kW, und die Bertriebsfrequenz betrug 2400 mHz. Das erzeugte Pulver wies eine Partikelgröße von weniger als 50 nm auf.
Beispiel 3
Ultrafeine Pulver aus Aluminiumnitrid (AlN) mit einer Partikelgröße von weniger als 60 nm wurden aus Aluminiumpulver und Ammoniak als Trägergas und mit einer Kombination aus Argon (30 %) und Stickstoff (70 %) als Plasmagas erzeugt. Die Fließgeschwindigkeit des Plasmagases betrug 0,0035 bis 0,004 m3/min, und diejenige des Trägergases betrug 0,0012 bis 0,0015 m3/min. Die Plasmatemperatur betrug 1100 bis 1200°C, die Einspeisgeschwindigkeit des Pulvers betrug 25 bis 30 g/h, und die Fließgeschwindigkeit des Abschreckwassers betrug 2,0 bis 2,2 L/min bei 20°C. Der Reaktorsäulendurchmesser betrug 48 mm, und seine Länge betrug 25,4 cm (10''). Die Vorwärtsenergie der Mikrowelle betrug 3,5 kW, die reflektierte Energie betrug 0,7 kW und die Betriebsfrequenz betrug 2450 MHz.
Beispiel 4
Ultrafeine Pulver aus Kobalt mit einer Partikelgröße von weniger als 40 nm wurden erzeugt, als Kobaltcarbonyl, besonders Kobaltoctacarbonyl, in das Plasmatron mit Argon als Plasmagas eingespeist wurde. Die Fließgeschwindigkeit des Plasmagases betrug 0,0025 bis 0,0026 m3/min und diejenige des Trägergases betrug 0,0003 bis 0,0005 m3/min. Die Plasmatemperatur betrug 900 bis 950°C, und die Einspeisgeschwindigkeit des Pulvers betrug 50 bis 60 g/h, und die Fließgeschwindigkeit des Abschreckwassers betrug 1,8 bis 2,0 L/min bei 20°C. Der Reaktorsäulendurchmesser betrug 48 mm und seine Länge betrug 25,4 cm (10''). Die Vorwärtsenergie der Mikrowelle betrug 3,5 kW, die reflektierte Energie betrug 0,9 kW und die Betriebsfrequenz betrug 2400 MHz.
Beispiel 5
Ultrafeine Pulver aus Rhenium wurden mit einer Durchschnittspartikelgröße von 70 nm aus Rheniumcarbonyl, besonders aus Rheniumhexacarbonyl, als Rohmaterialvorstufe erzeugt. Argon wurde als Plasmagas verwendet. Die Fließgeschwindigkeit des Plasmagases betrug 0,002 bis 0,0022 m3/min und diejenige des Trägergases betrug 0,0003 bis 0,0004 m3/min. Die Plasmatemperatur betrug 1200°C, die Einspeisgeschwindigkeit des Pulvers betrug 25 bis 30 g/h und die Fließgeschwindigkeit des Abschreckwassers betrug 2,4 bis 2,5 L/min bei 20°C. Der Reaktorsäulendurchmesser betrug 48 mm und seine Länge betrug 25,4 cm (10''). Die Vorwärtsenergie der Mikrowelle betrug 4,5 kW, die reflektierte Energie betrug 0,6 kW und die Betriebsfrequenz betrug 2450 MHz.
Beispiel 6
Ultrafeine Pulver aus Eisen mit einer Partikelgröße von weniger als 20 nm wurden erzeugt, als Dämpfe aus Eisenpentacarbonyl in das Plasmatron mit Argon als Plasmagas eingespeist wurden. Die Fließgeschwindigkeit des Plasmagases betrug 0,003 bis 0,0034 m3/min, und diejenige des Trägergases betrug 0,0003 bis 0,0004 m3/min. Die Plasmatemperatur betrug 900 bis 950°C, und die Einspeisgeschwindigkeit des Pulvers betrug 50 bis 60 g/h, und die Fließgeschwindigkeit des Abschreckwassers betrug 2,0 bis 2,5 L/min bei 20°C. Der Reaktorsäulendurchmesser betrug 48 mm, und seine Länge betrug 25,4 cm (10''). Die Vorwärtsenergie der Mikrowelle betrug 4 kW, die reflektierte Energie betrug 0,7 kW, und die Betriebsfrequenz betrug 2450 MHz.
Beispiel 7
Ultrafeine Pulver aus Titandioxid mit einer Partikelgröße von weniger als 40 nm wurden erzeugt, als Dämpfe aus Titantetrachlorid, gelöst in Wasser, in ein Sauerstoffplasma eingespritzt wurden. Die Fließgeschwindigkeit des Plasmagases betrug 0,002 bis 0,0022 m3/min, und diejenige des Trägergases betrug 0,0003 bis 0,0004 m3/min. Die Plasmatemperatur betrug 600 bis 650°C, und die Einspeisgeschwindigkeit des Pulvers betrug 25 bis 30 g/h, und die Fließgeschwindigkeit des Abschreckwassers betrug 2,4 bis 2,5 L/min bei 20°C. Der Reaktorsäulendurchmesser betrug 48 mm, und seine Länge betrug 25,4 cm (10''). Die Vorwärtsenergie der Mikrowelle betrug 4,5 kW, und die reflektierte Energie betrug 1,2 kW, und die Betriebsfrequenz betrug 2400 MHz.
Beispiel 8
Ultrafeine Pulver aus Nickel mit einer Partikelgröße von weniger als 40 nm wurden erzeugt, als Dämpfe aus Nickeltetracarbonyl in das Plasmatron mit Argon als Plasmagas eingespeist wurden. Die Fließgeschwindigkeit des Plasmagases betrug 0,002 bis 0,0022 m3/min, und diejenige des Trägergases betrug 0,0003 bis 0,0004 m3/min. Die Plasmatemperatur betrug 600 bis 650°C, und die Einspeisgeschwindigkeit des Pulvers betrug 25 bis 30 g/h, und die Fließgeschwindigkeit des Abschreckwassers betrug 2,4 bis 2,5 L/min bei 20°C. Der Reaktorsäulendurchmesser betrug 48 mm, und seine Länge betrug 25,4 cm (10''). Die Vorwärtsenergie der Mikrowelle betrug 4,5 kW, und die reflektierte Energie betrug 1,2 kW, und die Betriebsfrequenz betrug 2400 MHz.
Für den Fachmann ist es ohne Weiteres und unmittelbar erkennbar, dass verschiedene Modifikationen und Variationen im offenbarten Verfahren und Produkt vorgenommen und durchgeführt werden können, ohne vom Umfang und Inhalt der Erfindung abzuweichen. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind für den Fachmann unmittelbar und ohne Weiteres aus der verständigen Betrachtung der hierin offenbarten Beschreibung und Ausführungspraxis der Erfindung erkennbar. Die vorliegende Beschreibung und die angegebenen Beispiele sollen lediglich als beispielhaft gelten, wobei der wahre Umfang und Inhalt der Erfindung in den und durch die nun folgenden Ansprüche angegeben sind.

Claims

Vorrichtung für die Mikrowellensynthese von Materialien, das folgendes umfasst: einen Mikrowellengenerator; einen Wellenleiter, durch den eine von dem Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowelle in eine Plasmazone geleitet wird, in der ein Plasma Reaktanden zur Erzeugung von Reaktionsprodukten erwärmt; einen Plasmagaseinlass, der in einem solchen Winkel abzweigt, dass das Plasmagas, das durch den Einlass hindurchtritt, spiralförmig in die Plasmazone eintritt; und einen Reaktionsproduktkollektor unterhalb der Plasmazone zum Aufsammeln der Reaktionsprodukte.
Vorrichtung gemäss Anspruch 1, worin die Plasmazone einen Mikrowellendämpfer auf der Seite der Plasmazone, die von dem Wellenleiter entfernt ist, umfasst, der die Mikrowellen, die durch die Plasmazone hindurchgetreten sind, dämpft, wodurch die Leistung der reflektierten Mikrowelle um mindestens 60 % verringert wird.
Vorrichtung gemäss Anspruch 2, worin der Mikrowellendämpfer ein wassergekühltes Glasrohr ist.
Vorrichtung gemäss Anspruch 2, worin der Mikrowellendämpfer ein wassergekühltes Metallrohr ist.
Vorrichtung gemäss Anspruch 2, worin der Mirkowellendämpfer ein wassergekühltes rechteckiges Rohr ist.
Vorrichtung gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Säule zum Kühlen der Reaktionsprodukte, die die Plasmazone verlassen, umfasst, die zwischen der Plasmazone und dem Reaktionsproduktkollektor lokalisiert ist.
Vorrichtung gemäss Anspruch 6, worin die Säule 8-12'' lang ist.
Vorrichtung gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, die eine Vielzahl von Plasmagaseinlässen umfasst.
Vorrichtung gemäss mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der Plasmagaseinlass in einem Winkel zwischen 5-30° abzweigt.
Vorrichtung gemäss Anspruch 1, worin der Plasmagaseinlass in einem Winkel von 15° abzweigt.
Vorrichtung für die Mikrowellensynthese von Materialien, das folgendes umfasst: einen Mikrowellengenerator; einen Wellenleiter, durch den eine von dem Mikrowellengenerator erzeugte Mikrowelle in eine Plasmazone geleitet wird, in der ein Plasma Reaktanden zur Erzeugung von Reaktionsprodukten erwärmt; einen Mikrowellendämpfer an der Seite der Plasmazone, die von dem Wellenleiter entfernt liegt, zum Dämpfen von Mikrowellen, die durch die Plasmazone hindurchgetreten sind, wodurch die Leistung der reflektierten Mikrowelle um mindestens 60 % verringert wird; und einen Reaktionsproduktkollektor unterhalb der Plasmazone zum Aufsammeln der Reaktionsprodukte.
Verfahren zur Mikrowellensynthese von Materialien, das folgendes umfasst: Einführen eines Plasmagases in einen Mikrowellenapplikator; Einführen mindestens eines Reaktanden in den Mikrowellenapplikator; Erzeugen einer Mikrowelle in einem Mikrowellengenerator; Einführen der Mikrowelle in den Mikrowellenapplikator, der das Plasmagas enthält, wodurch ein erhitztes Plasma in einer Plasmazone erzeugt wird; Absorbieren der Mikrowelle, wodurch die Mikrowellenreflexion von der Oberfläche des Mikrowellenapplikators um mindestens 60 % verringert wird; und Bewirken einer Reaktion in der Plasmazone, wodurch der mindestens eine Reaktand in ein Reaktionsprodukt umgewandelt wird.
Verfahren gemäss Anspruch 12, das ferner die Einführung des Plasmagases in den Mikrowellenapplikator in einer spiralförmigen Bahn umfasst.
Verfahren gemäss Anspruch 12, das ferner die Einführung des Plasmagases in den Mikrowellenapplikator in einem geneigten Winkel umfasst, wodurch eine spiralförmige Bahn erzeugt wird.
Verfahren gemäss mindestens einem der Ansprüche 12 bis 14, worin mindestens ein Reaktand ein pulverförmiges Material ist.
Verfahren gemäss Anspruch 13, worin mindestens ein Reaktand ein chemischer Dampf ist.