一种采用氢等离子体还原三氯化硼制备纳米硼粉的装置的制作方法

本实用新型涉及无机非金属材料制备技术领域，具体是一种采用氢等离子体还原三氯化硼制备纳米硼粉的装置。

背景技术：

超细无定型硼粉具有比表面积大、燃烧值高的优点，可用在富硼燃料、安全气囊引发剂及焰火工业。作为固体燃料，它是理想的火箭、导弹固态富燃料推进剂。同样，在液体燃料中加入硼粉，也可提高导弹的推力。它还是核电站中不可或缺的防核泄漏的物质，用作中子计数管、中子吸收剂、反应堆控制棒材料的制作。超细无定型硼粉还可用于其他含硼功能陶瓷、金属陶瓷材料的制备，尤其是在抗弹陶瓷材料方面。由于含硼陶瓷具有高硬度、耐磨、耐高温等特性，可广泛应用于航空航天、兵器工业、核工业、汽车制造、硬质材料、高温材料等领域。

超细硼粉的制备方法主要有：金属还原法、熔盐电解法、硼烷裂解法、化学气相还原法(CVD)等。

金属还原法主要采用Mg粉(或Al粉)在高温下(700-800℃)还原氧化硼制得粗硼并经酸洗烘干等后续工序，最终可得纯度90-97％、粒度1-2μm的无定型硼粉。该工艺特点：工艺成熟、产量大、自蔓延反应，但产品纯度低，颗粒不均匀。采用氟硼酸盐及氧化硼类体系的熔盐电解法可在750-800℃下电解制得纯度95％的无定型硼粉，但该方法电极材料难以解决，能耗高、产率低。硼烷裂解法可以得到纯度极高的硼粉(99.9％)，但由于硼烷剧毒，工艺操作困难且无法大规模生产，只适合实验室采用。化学气相还原法主要采用 BCl3/H2或BBr3/H2体系，在1000～1300℃条件下,可以制得高纯硼粉(99％以上)。传统的化学气相还原法设备一般采用电阻炉外加热方式，硼易在炉管壁沉积成型而难以成粉，且产率不高，粒度分散性大。也可采用化学火焰加热，但易引起硼的氧化及化学污染。

以上工艺得到的超细硼粉一般都在微米级别。

当粒子尺寸进入纳米量级(1-100nm)时，由于小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。为更好地满足航空、航天等军事领域的需求尤其是作为固体燃料，无定型硼粉平均粒径应控制在1.0μm以下，甚至是纳米级无定型硼粉，由于表面积大、表面能大，点火时间更短，反应更快，而且性能更稳定。同时，纳米级无定型硼粉也是合成含硼陶瓷材料、金属硼化物及其复合材料，解决陶瓷材料脆性的战略途径。

目前制备纳米硼粉的方法在工业生产方面尚未成熟

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种采用氢等离子体还原三氯化硼制备纳米硼粉的装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种采用氢等离子体还原三氯化硼制备纳米硼粉的装置，包括等离子体发生电源、等离子发生器、反应器、冷却收粉器、水吸收气固分离收粉器、氩气源、氢气源和三氯化硼气源；所述等离子发生器的阴极与等离子体发生电源的直流电弧电源负极连接，等离子发生器阳极与等离子体发生电源的直流电弧电源正极连接；所述等离子发生器的阴极底部设有环状切线氩气进气孔，氩气进气孔通过第一通气管连通有氩气源；所述等离子发生器的阳极顶部设有环状切线氢气进气孔，氢气进气孔通过第二通气管连通有氢气源；所述反应器为含水冷外夹套及通孔石墨管构成的管式反应器，反应器的石墨管与等离子发生器的下端密封连接的，反应器顶部对称设置有三氯化硼进气孔，三氯化硼进气孔通过第三通气管连通有三氯化硼气源；所述反应器的下端口置于所述冷却收粉器内；所述水吸收气固分离收粉器为包含连接冷却收粉器出口的伸底管及出气管的密封容器；所述出气管连接有尾气喷淋吸收塔。

作为本实用新型进一步的方案：所述等离子体发生电源为直流电弧电源，输出功率为 10～100kW。

作为本实用新型进一步的方案：所述等离子发生器上部为铈钨材料制成的棒状阴极，等离子发生器的下部为铜材料制成的环状阳极，且等离子发生器的阴极与等离子发生器的阳极由聚四氟材料绝缘组成一个上端封闭下端开口的容器。

作为本实用新型进一步的方案：所述等离子发生器采用内置冷却循环水系统。

作为本实用新型进一步的方案：所述三氯化硼气源外设置有用于三氯化硼进行加热汽化的三氯化硼加热源。

作为本实用新型进一步的方案：所述冷却收粉器由上部含对称开口视镜的柱形桶身、中部为沉降锥形桶身及底部为积粉罐组成，并采用外夹套循环冷却水系统进行冷却。

作为本实用新型进一步的方案：所述第一通气管、第二通气管和第三通气管均设有流量计，流量计为空气标定的转子流量计。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型采用等离子体反应工艺步骤简单，可一步制得成品；且等离子体产生的高温及大量活性粒子使得合成反应速率极高，生产效率高；同时气相反应体系中非产品物质均以气体溢出，没有外来杂质，制得的硼粉纯度高；而等离子体气相合成反应生成的固相产物具有空间均匀成核及气流喷射分散和冷壁骤冷沉积的特点，使制得的硼粉超细且粒度分布均匀，硼粉收率最高可达到70％以上，产品的纯度可达99％以上，其平均粒径大约在30～80nm之间，无需后处理即可用于制备陶瓷材料，与传统工艺方法相比具有更好的综合优势，可实现工业化生产。

附图说明

图1为采用氢等离子体还原三氯化硼制备纳米硼粉的装置的结构示意图。

图中：1-等离子体发生电源；2-等离子发生器；3-反应器；4-冷却收粉器；5-水吸收气固分离收粉器；6-氩气源；7-氢气源；8-三氯化硼气源；9-流量计；10-三氯化硼加热源； 11-尾气喷淋吸收塔；12-伸底管；13-出气管。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

请参阅图1，本实用新型实施例中，一种采用氢等离子体还原三氯化硼制备纳米硼粉的装置，包括等离子体发生电源1、等离子发生器2、反应器3、冷却收粉器4、水吸收气固分离收粉器5、氩气源6、氢气源7、三氯化硼气源8、流量计9、三氯化硼加热源10、尾气喷淋吸收塔11、伸底管12及出气管13；所述等离子体发生电源1为直流电弧电源，输出功率为10～100kW可调，等离子发生器2上部为铈钨材料制成的棒状阴极，等离子发生器2的下部为铜材料制成的环状阳极，且等离子发生器2的阴极与等离子发生器2的阳极由聚四氟材料绝缘组成一个上端封闭下端开口的容器，等离子发生器2的阴极与等离子体发生电源1的直流电弧电源负极连接，等离子发生器2阳极与等离子体发生电源1的直流电弧电源正极连接。

所述等离子发生器2的阴极底部设有环状切线氩气进气孔，氩气进气孔通过第一通气管连通有氩气源6，导入氩气；所述等离子发生器2的阳极顶部设有环状切线氢气进气孔，氢气进气孔通过第二通气管连通有氢气源7，导入氢气；所述等离子发生器2采用内置冷却循环水系统进行冷却保护，为工作在大气压或更高气压的直流电弧热等离子发生器降温，故无需在真空条件下进行。

所述反应器3为与等离子发生器2的下端密封连接的含水冷外夹套及通孔石墨管构成的管式反应器，反应器3顶部对称设置有三氯化硼进气孔，三氯化硼进气孔通过第三通气管连通有三氯化硼气源8，导入三氯化硼气体，三氯化硼气源外设置有用于三氯化硼进行加热汽化的三氯化硼加热源10。

所述反应器3的下端口置于所述冷却收粉器4内，冷却收粉器4由上部含对称开口视镜的柱形桶身、中部为沉降锥形桶身及底部为积粉罐组成，并采用外夹套循环冷却水系统进行冷却；所述水吸收气固分离收粉器5为包含连接冷却收粉器4出口的伸底管12及出气管13的密封容器，其中伸底管伸入水面以下5cm。

所述出气管13连接有尾气喷淋吸收塔11。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于：所述第一通气管、第二通气管和第三通气管均设有流量计9，流量计9为空气标定的转子流量计。

本实用新型的工作原理：采用等离子发生器将氩气电离为等离子体弧，同时将氢气引入等离子体弧进行混合放电并形成温度大于4000℃的电弧等离子体射流，在此温度下氢气大部分被解离为还原活性极高的氢原子；将此射流导入反应器，同时将原料BCl3气体通过相向对称的三氯化硼进气孔也导入反应器与贯穿的等离子体射流混合形成温度大于 2000℃的反应体系，在温度辐射及大量高能活性粒子的作用下，三氯化硼快速断键并与氢原子在空间碰撞重组完成还原反应，生成HCl和硼；由于氢气、三氯化硼体系一般在1000℃即可断键产生反应生成硼，因此，在等离子体产生的超高温及大量高能活性粒子的作用，等离子体气相合成反应的效率及速度远高于传统方式。等离子体空间气相合成硼粉的具体步骤如下：

首先将氩气导入等离子发生器2，启动等离子体发生电源1产生氩气等离子体弧，再将氢气入等离子发生器2与氩气等离子体混合放电形成等离子体射流；而后将等离子体射流导入等离子发生器2下方的反应器3，同时从反应器3的三氯化硼进气孔导入三氯化硼气体，与等离子体射流撞击迅速混合完成气相合成反应，空间生成固态B和气态HCl；固态B随气流喷射至冷却收粉器4的冷却壁上骤冷沉积形成纳米硼粉；部分纳米硼粉在气流的带动下进入水吸收气固分离收粉器5，粉末被水吸收而气体溢出，最后收集粉末并经洗涤、干燥后得到纳米硼粉；尾气HCl由尾气喷淋吸收塔11处理。

在上述实施例中，氩气及氢气分别从等离子发生器2的阴极底部及阳极顶部以环状切线的方式进气，可保证等离子体弧及等离子体射流的稳定性；三氯化硼在反应器3顶部以相向对称的方式进气，在保证三氯化硼切入动能的同时增加反应气体混合的均匀性。

在上述实施例中，氩气、氢气、三氯化硼应保持一定的供气压力及流量，以保证等离子体弧(射流)持续稳定性及气相合成反应的充分高效性，也是保证与粒度相关的气流喷射速率的基础。

在上述实施例中，反应物从反应器3中喷出后，有部分粉体在气体的带动下溢出冷却收粉器4，将其导入水吸收气固分离收粉器5进行气固分离，伸底管12伸入水面下方5cm，即可有效吸收溢出的硼粉，又能轻松溢出气体，高效达到气固分离的目的，又不会对反应气流造成阻力，相比于普通采用的筛网式、布袋式气固分离器，效果更好、反应更顺畅；水吸收的硼粉经收集后用去离子水洗涤并在100℃条件下真空烘干2h即可；由尾气喷淋吸收塔11处理后的HCl气体可作盐酸副产品使用。

需要特别说明的是：本实用新型采用等离子体反应工艺步骤简单，可一步制得成品；且等离子体产生的高温及大量活性粒子使得合成反应速率极高，生产效率高；同时气相反应体系中非产品物质均以气体溢出，没有外来杂质，制得的硼粉纯度高；而等离子体气相合成反应生成的固相产物具有空间均匀成核及气流喷射分散和冷壁骤冷沉积的特点，使制得的硼粉超细且粒度分布均匀，硼粉收率最高可达到70％以上，产品的纯度可达99％以上，其平均粒径大约在30～80nm之间，无需后处理即可用于制备陶瓷材料，与传统工艺方法相比具有更好的综合优势，可实现工业化生产。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。