专利名称：用等离子体制备纳米金属粉体的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种生产纳米金属粉体的装置，尤其涉及一种用等离子体制备纳米金属粉体的装置。
背景技术：
新材料是当今科技发展最为活跃的领域之一，新材料的开发研究已经成为科技进步和经济发展的一个重点，受到全世界的广泛关注。纳米金属材料由于颗粒微小，具有其他材料所无法达到的性能，在粉末冶金、精细化工、电子信息等领域有着广阔的前景。目前生产纳米金属粉体的方法主要有化学方法(如电解法和羟基热分解法水浆加压氧还原法等)和物理方法(激光法及等离子体法)，其中等离子体法生产纳米金属粉体是利用高频电源放电产生等离子体弧为热源，使金属汽化蒸发，再经收集器冷却凝聚，从而生成纳米金属粉体，由于用等离子体法制备的纳米金属粉体产量大、粒度容易控制、粉体性能好等优点，在工业上已经得到广泛应用，相应的用等离子体生产纳米金属粉体的设备也就应用而生。中国专利02110837.4中提供了一种用等离子体生产纳米金属的装置，该装置是在内衬耐高温材料的壳体上部设有等离子枪，对应地下部设有装盛金属液体的坩埚，同时壳体开口连接离子控制器和离子收集器，离子收集器有出料口和气相出口，且气相出口通过管道和泵分别连接壳体和离子控制器的循环入口；在壳体内还设有中频感应线圈。该装置结构简单、产量大、粒度容易控制，适合工业应用，但是该装置也存在以下缺点1、该装置等离子枪与坩埚之间的相对位置不能调节；2、制取的金属粉体的颗粒较大，大都在100um以上，不是严格意义上的纳米粉体的制备技术。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种用等离子体制备纳米金属粉体的装置，该装置等离子枪与坩埚之间的相对位置可调，且纳米金属粉体颗粒的粒径分布在100um以下，粒径均匀、无团簇现象。
本发明的目的可以通过以下措施实现一种用等离子体制备纳米金属粉体的装置，包括真空室、设在真空室内的坩埚、等离子体产生装置、粒子收集装置及冷水循环系统等，所述等离子体产生装置为外置高频引弧装置，其等离子枪体由真空室壁伸入到真空室内的坩埚上方。
所述粒子收集装置包括双层套筒及设在双层套筒下部的负压抽取装置；所述双层筒置于所述真空室内的坩埚四周，所述负压抽取装置位于真空室外；所述双层筒的空腔与冷却液连通，其外壁设有冷凝管。
为了制取低熔点纳米金属粉体，在上述真空室的顶部还设有可上下移动的阴极。
所述粒子收集装置的气相出口通过循环泵与真空室连通。
本实用新型的工作原理如下在真空反应室内充入低压惰性保护气氛，利用高频电源和直流电源，在等离子枪和水冷坩埚之间产生稳定的惰性混合气体热等离子体。这种等离子体同时受到经过等离子枪体水冷喷嘴的内腔时产生的机械压缩、循环水和气体的冷压缩以及放电时产生的电磁压缩三种压缩效应，使阴阳极间的自由电弧被压缩成高温、高电离度、高能量密度的等离子体，这一高能量密度热等离子体(中心温度达40000K)作用于阳极的高纯金属原料时，产生金属气氛等离子体，该等离子体在扩散过程中，不断与惰性气体原子发生激烈的碰撞，或利用骤冷装置迅速损失能量而冷却，这种有效的冷却过程在金属蒸气中形成很高的区域过饱和区，使金属蒸气冷却，从气相中自发成核并凝聚生长成超微粒团簇，团簇形成后，通过气体对流作用而迅速离开过饱和区，最后沉积在粒子收集装置的器壁上。
本实用新型与现有技术相比具有以下优点1、本实用新型采用高频引弧装置及特殊结构的等离子枪体，对高频电源产生的等离子体弧进行空间约束，使等离子体受到冷压缩、机械压缩、电磁压缩三种压缩效应，阴阳极之间的自由电弧被压缩成高温、高电离度、高能量密度的等离子体，温度可达30000K以上，热功率密度高达104w/cm2，能使高熔点金属充分汽化蒸发，制取金属粉体。
2、本实用新型的超高温蒸发热源与骤冷装置两个极端参数实现了连续可调的温度场分布和温度梯度，一般为105-106K/m，冷却速度高(可达100K/S)，等离子体温度分布区域小、成核速率大，有利于形成极细的、高性能的金属纳米颗粒。
3、本实用新型为外置高频引弧装置，其等离子枪与坩埚之间的相对位置、角度均可自由的改变。
4、本实用新型的金属粉粒在低压惰性保护气体中产生，粉末纯度高，呈标准球形；又由于其在准热平衡状态下生成，结晶良好。
5、本实用新型可根据需要通过优化工艺参数控制纳米粉体的大小和性能，适用于各种被蒸发的金属及其化合物超微粉的制取。
6、本实用新型工艺简单、操作方便、产率高，且对金属原材料的几何形状没有限制，不产生废料。
图1为本实用新型的结构原理图具体事实方式参照图1，一种用等离子体制备纳米金属粉体的装置，包括真空室1、设在真空室1内的坩埚2、等离子体产生装置3、粒子收集装置4及冷水循环系统10等。粒子收集装置4包括双层套筒5及设在双层套筒下部的负压抽取装置6两部分，其中双层筒5置于真空室1内的坩埚2四周，而负压抽取装置6设置在真空室1外；等离子体产生装置3为外置高频引弧装置，其枪体通过真空室1及套筒5的壁延伸到坩埚2的上方；上述双层套筒5的空腔与冷却液连通，其外壁上还设有冷凝管7。为了制取低熔点纳米金属粉体，在真空室1的顶部设有可上下移动的阴极8(钨丝或金属)；上述粒子收集装置的负压抽取装置6的气相出口通过循环泵9与真空室1连通。上述冷水循环系统10的水冷管道可采用水电管。为了实现纳米金属粉粒的粒径、性能的可控性，本实用新型还设置了自动控制装置，并在粒子收集装置4的不同位置上配置等离子体诊断系统(图中未标出)。
利用本实用新型几乎可以制备任何金属的纳米粉在N2、NH3等气氛下可制备AlN、TiN、Si3N4等金属氮化物；在氧化气氛下可以制备WO3、MoO3、NiO等金属氧化物的超微粉；在金属原料中混入碳或CH4、C2H6气氛下则可制取金属碳化物(如WC、ZRC等)的纳米粉。
权利要求1.一种用等离子体制备纳米金属粉体的装置，包括真空室(1)、设在真空室(1)内的坩埚(2)、等离子体产生装置(3)、粒子收集装置(4)及冷水循环系统(10)等，其特征在于所述等离子体产生装置(3)为外置高频引弧装置，其等离子枪由真空室(1)的壁伸入到坩埚2的上方。
2.如权利要求1所述的用等离子体制备纳米金属粉体的装置，其特征在于所述粒子收集装置(4)包括双层套筒(5)及设在双层套筒下部的负压抽取装置(6)，且双层筒(5)置于真空室(1)内的坩埚(2)四周，负压抽取装置(6)设在真空室(1)外；所述双层筒(5)的空腔与冷却液连通，其外壁还设有冷凝管(7)。
3.如权利要求1或2所述的用等离子体制备纳米金属粉体的装置，其特征在于所述真空室(1)的顶部设有可上下移动的阴极(8)。
4.如权利要求1所述的用等离子体制备纳米金属粉体的装置，其特征在于所述粒子收集装置(4)的气相出口通过循环泵(9)与真空室(1)连通。
专利摘要本实用新型涉及一种用等离子体生产纳米金属粉体的装置，该装置包括真空室、等离子体产生装置、粉体收集装置、循环冷水系统及控制系统等。本实用新型通过特殊结构的等离子枪体对高频直流放电产生的等离子体弧进行空间约束，形成高温、高电离度及高能量密度的压缩电弧，作为高温热源制备金属纳米微粒；在超高温蒸发热源与骤冷装置两个极端参数之间实现了连续可调的温度场分布和温度梯度，有利于形成高性能的金属纳米颗粒。本实用新型结构简单、操作方便，对金属原材料的几何形状没有限制，且不产生废料。
文档编号B22F9/14GK2712505SQ20032010995
公开日2005年7月27日 申请日期2003年11月28日 优先权日2003年11月28日
发明者阎鹏勋 申请人:金昌凌云纳米材料有限责任公司, 兰州大学等离子体与金属材料研究所