[发明专利]直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体材料的装置和方法

说明书

发明领域

本发明涉及直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体材料，尤其是球形微米和纳米级粉体材料的装置和方法。

背景技术

由于纳米级粒子有很多优良特性，可以改造传统产业，如高分子量复合材料，涂料，橡胶，颜料，陶瓷，化妆品及抗菌材料等领域，可以大大提高产品的性能，使产品增值，由于产品性能优异，在我国进入WTO后，产品质量可向世界挑战，故具有重大意义。

对纳米材料，例如二氧化硅的生产方法，国内外大多采用化学法，化学法工艺流程长，工艺繁琐，大都需用酸碱，对环境造成一定的污染。

1-100微米球形二氧化硅的主要用途是做电子封装材料。目前，世界上每年生产二氧化硅作封装材料约17万吨，用机械粉碎法制得的二氧化硅占70％。微米级球形二氧化硅年销售量为2-5万吨，机械粉碎的不规则形状的二氧化硅作电子封装材料时，由于其封装密度小，膨胀系数大对电子元件性能会造成不稳定，球形二氧化硅作封装材料，因其流动性好、封装密度大，膨胀系数小而提高了电子元件工作的可靠性和稳定性。国内因没有球形二氧化硅产品，故主要从国外进口，一般每吨球形SiO₂产品的售价为3500美元。

据悉，某一个工厂每年就需1000吨球形微米级二氧化硅电子作封装材料，因而在国内具有较好的销售市场。

而目前生产超细粉体的直流电弧等离子体装置使用寿命短，稳定性差，无法实现工业化规模，不能很好地控制粒度并生产出球形微米和纳米级材料，满足不了市场的需要。

因此对于粒度可控的生产球形微米和纳米级粉体材料的装置及方法存在着迫切的需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种直流电弧等离子体制备微米和纳米级粉体的装置。该装置的特点是使用寿命长(阴极寿命可达50-100小时，阳极寿命可达50-200小时)，电极损耗小，热效率高，可连续运行，可对粒度进行控制，单台装置SiO₂年产百吨级，U₃Si₂年产20吨左右，Sb₂O₃年产500-1000吨，实现了微米和纳米级粉体的工业规模化生产，可生产出球形微米和纳米级材料(包括球形微米和纳米级SiO₂，球形U₃Si₂，纳米级Sb₂O₃等各种粉体材料)。

本发明是用物理法，将粉体受热熔化和汽化，经骤冷制备微米级和纳米级粉体材料，尤其是球形微米级和纳米级粉体材料。本发明是采用直流电弧等离子体作热源(3000-7000K)，使0.3微米至100微米的原料(如SiO₂，Sb₂O₃)喷射到等离子体焰中，原料颗粒受热熔化和汽化，采用超声速气流喷嘴经骤冷后进入重力收集室，一级旋风二级旋风收集器和布袋集尘获得微米级和纳米级粉体。

附图简述

图1是本发明装置的示意图，(1)等离子体发生器；(2)反应器；(3)球化汽化炉；(4)气冷水冷骤冷器；(5)集料锥；(6)阴极；(7)电极保护气体入口；(8)辅助阳极；(9)电弧柱；(10)主气室；(11)主气入口；(12)主阳极；(13)送粉管；(14)等离子体焰；(15)超声速冷却喷管；(16)壁骤冷器。

图2是本发明装置生产的U₃Si₂纳米材料的电镜图。

图3是本发明装置生产的Sb₂O₃纳米材料电镜图。

图4是本发明的工艺流程图。

以下结合附图1来说明本发明。本发明的装置包括直流电弧等离子体发生器(1)，反应器(2)，球化汽化炉(3)，其上端环形分布的多个超声速冷却喷管(15)的气冷水冷骤冷器(4)，集料锥(5)，以及在集料锥以下的旋风分离器和布袋集尘器(在图中未显示)。