[发明专利]粉末生产设备和方法

说明书

本发明主张美国临时专利申请60/152,377号名为“粉末生产设备和方法”(1999年9月3日申请)的优先权。

发明背景

本发明涉及粉末的生产。更具体地，涉及用于生产超细粉也称为毫微粉末(常指平均粒度小于1微米)的爆炸放电方法和设备。

金属及其衍生物如氧化物和氮化物的粉末有许多用途，包括生产烧结组分、表面涂层、复合材料、化学催化剂、电化学活性表面、颜料、导电和导热的膏和粘合剂。

某些金属尤其是铝和镁的粉末还在火箭固体燃料中作氧化剂，此时粉末的粒度、附聚度、组成和表面状态(可能还有粒子的晶体结构)对性能影响很大。已知超微粒金属燃料燃烧比粗粒燃料快许多倍；进一步提高燃烧速率之后从火焰至所述材料的热反馈更迅速，可使喷嘴的设计更简单。更重要的是由于高曲率表面的机械应变导致极小金属粒子的比能量值超过粗粉，而且毫微粉末可能还有亚稳结构如部分无序的金属芯和/或表面氧化物层。与这些结构相关的能量可降低沿燃烧坐标的动力屏障(kinetic barriers)并影响总焓变，产生燃烧更快且更高能的推进剂。此外，基于超微金属的推进剂不完全燃烧和形成炉渣的倾向降低，这两者都对固体燃料火箭发动机的性能有害。

亚微金属粒子有很高的部分自烧结倾向，产生比表面下降的附聚产品。此外，许多金属相对于其氧化物和氮化物(在某些情况下)是热力学不稳定的。这些金属自发地与空气反应，释放热量。对于超细粉而言，比表面积很大以致暴露于空气可能导致超速(燃烧)氧化或氮化，即所述粉末自燃。金属粉末还可与湿气反应例如生成氢氧化物，或与大气中的二氧化碳反应生成碳酸盐。在金属基推进剂的情况下，使所述金属粒子被氧化剂本身(例如高氯酸铵)缓慢氧化。

为阻止此降解过程，必须保护金属细粒。保护方法包括储存在惰性液体如煤油中、使粒子表面化学改性在表面上形成由金属本身衍生的保护层(本征钝化)、和用惰性保护材料涂布所述粒子(非本征钝化)。为了说明，公知对于某些金属(例如铝)，有效的本征钝化结构是通过金属粒子表面与低分压的分子氧的缓慢反应生成的很薄(典型地1-2nm厚)内聚表面层。某些情况下(例如钛)可类似地利用表面氮化。某些情况下可通过粒子表面与可分解的含碳气体反应，形成石墨炭保护层，实现钝化。本征钝化至少消耗一部分待保护金属。非本征钝化更普遍，但通常不便采用。例子是长链分子如硬脂酸或油酸(参见例如Seamans等的US6 093 309)或其衍生物如盐或酯的薄膜，或聚合物如聚氟氯碳(polyfluorochlorocarbons)的薄膜。暴露于空气时，所述涂布粒子按其热力学要求经受表面氧化，但所述膜使该过程减慢。因此，涂布后所述粉末就可暴露于空气中。非本征钝化的显著优点是不消耗所述金属芯。限制在于所述涂层可能对所述粉末的应用有害，其去除可能很难或费用过高。然而，此方法可用于(例如)火箭固体推进剂中所用粉末，此时所述聚合物与粉合剂一起燃烧。低摩擦聚合物涂料(如聚氟氯碳)还可通过降低其粘度有助于推进剂的配制和装载。

除控制低温自烧结和自燃之外，超细粉的表面改性还可能有其它益处。例如，铝超微粒子表面暴露于控制的痕量水蒸汽中可产生氢气，以解离(原子)形式溶解在所述粒子的金属芯中。这种粒子可具有优越的燃烧特性，使之在火箭燃料中作为氧化剂的价值提高。

电流使导体加热、熔化和汽化的能力已经知道近两百年。例如，它是普通保险丝的作用基理。在汽车安全气囊至燃料-空气爆炸的装置中也用电热丝作烟火引发剂。

据信金属丝的爆炸电分裂(EEW)已从七十年代后期在前苏联及其后继国中秘密研究。SU2 075 371公开此方法用于生产少量的两种源金属的金属间化合物的未钝化粉末。SU2 093 311公开一种通过循环气体通道与离心式粉末提取系统结合的爆炸金属丝反应器。SU2 120 353公开用电引爆生产细粉，主要是金属氮化物。

所述EEW法中，在沿金属丝长度的两点之间施加电压，以致所产生的电流使金属丝在很短的时间间隔内(典型地几微秒或更短)被加热、汽化、转化成等离子体。实现EEW所需能量通过触发火花隙或其它低阻抗低感应高压开关依靠共轴传输线最有效地从电容器组存储系统传递至所述负载(金属丝)。

从固相至液相至气相的相变使金属的许多性质发生改变。最重要的是失去拉伸强度。一旦金属丝熔化，则重力和表面张力将使金属丝断裂(从而使电路断裂)，除非阻止其断裂。例如保持电路完整的金属本身的机械惯性很长足以发生汽化。但中性的金属蒸气不导电。因此，金属汽化时除非引发电离形成等离子体，否则将使电流流动停止(因而停止进一步加热)。