[发明专利]磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置和方法

说明书

本发明涉及一种磁场辅助模拟零‑微重力火焰合成纳米颗粒的装置和方法，该装置包括梯度磁场装置(1)、燃烧器(2)和产物收集装置(3)；所述梯度磁场装置由面对面设置的两个磁场装置构成，燃烧器位于两个磁场装置之间，燃烧器的出口竖直向上，且位置处于梯度磁场装置磁场中心下方；通过梯度磁场装置作用于火焰及其周围磁性物种的体积力以抵消重力浮升作用，在模拟的零/微重力火焰下进行火焰合成，制备纳米颗粒。相比于现有火焰合成装置，本发明的能够在地面上利用梯度磁场模拟零/微重力火焰，在特殊的火焰特性下合成纳米颗粒，火焰扰动减小，稳定性提高，不会出现过高温区，相比于现有零/微重力实验方法，成本低运行时间长。

技术领域

本发明为一种火焰合成纳米颗粒的技术，特别是一种磁场辅助模拟下的零-微重力火焰合成纳米颗粒的方法和装置。

背景技术

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料和纳米技术在能源、环境、资源和水处理等产业应用出现了良好的开端，纳米材料的应用范围逐步扩大。随着生物技术、先进制造技术等领域的迅猛发展，对纳米材料的要求也越来越高，元器件的小型化、智能化、高集成和超快传输等对材料尺寸的要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。

火焰合成法是一种新型的纳米材料合成技术，前驱体经过热解、成核、碰撞、团聚等过程形成纳米颗粒，能用来合成几乎所有元素的氧化物。在地面常重力环境下，由于火焰内部气体被加热，重力浮升作用会使火焰中心气体加速上升形成水滴状火焰。而微重力环境下浮升力消失，火焰与周围空气只存在梯度扩散，所以会产生特殊的火焰形貌，例如低雷诺数的扩散火焰呈球形。

微重力特殊形态的火焰会影响流场，组分浓度场以及温度场，可能会对火焰合成过程中颗粒生长过程产生影响，从而改变产物颗粒形貌。一方面，由于屏蔽了重力浮升作用的影响，火焰扰动减小，稳定性提高，另一方面温度场分布均匀，不会出现组分浓度较高、剧烈反应的过高温区，能够生成粒径分布均匀的产物。同时由于微重力以扩散控制为主，燃烧速率减慢，火焰温度降低，碳烟浓度减小，会提高产品纯度。

若想在常重力下实现零/微重力火焰合成模拟，需借助传统微重力实验所需的落塔、失重飞机或在轨空间站，费用昂贵且无法实现大规模长效研究。

发明内容

技术问题：针对现有零-微重力实验方法的劣势，本发明的目的在于借助梯度磁场产生的磁力浮升作用，与重力浮升作用相抵消，提供一种磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置和方法。

技术方案：本发明的一种磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置，包括梯度磁场装置、燃烧器和产物收集装置；所述梯度磁场装置由面对面设置的两个磁场装置构成，燃烧器位于两个磁场装置之间，燃烧器的出口竖直向上，且位置处于梯度磁场装置磁场中心下方；当使用环境为地面，目的为模拟微重力火焰时，燃烧器的出口方向竖直向上，与梯度磁场装置产生的梯度磁场方向相反，此时氧气受到竖直向上的磁场梯度力，使梯度磁场力与重力相抵消，产物收集装置位于火焰下游收集合成目标产物；当使用环境为微重力环境，目的为模拟常重力火焰时，燃烧器出口方向与磁场梯度方向相同，此时氧气受到与燃烧器出口方向一致的磁场梯度力，使磁场梯度力等效为重力，在微重力环境下模拟常重力火焰合成。

其中，

所述梯度磁场装置为电磁铁或永磁铁或亥姆霍兹线圈，能够提供所要求强度的梯度磁场，梯度大小为20-40T²/m之间，其中，为梯度磁场在竖直方向z上的磁场梯度，T为磁场强度单位特斯拉，m为长度单位米。

所述燃烧器包括同轴燃烧器、McKenna平焰预混燃烧器、Hencken燃烧器或雾化喷嘴燃烧器。

所述的同轴燃烧器内的中心为前驱物蒸汽、前驱物蒸汽的外周为燃料、燃料的外周为氧化剂，氧化剂、燃料和前驱物蒸汽在燃烧器出口合成火焰。