一种微纳米气泡发生装置及材料制备系统的制作方法

本实用新型涉及材料制备领域，具体而言，涉及具有微米或纳米气泡的材料制备领域。

背景技术：

众所周知，材料的热传导方式主要有辐射、传导和对流三种。当气体存在于狭小孔隙时，特别是常温常压时，材料中小于65纳米的空隙，受到气体分子自由活动行程的限制，将不会产生气体对流传热，空隙尺度大于气体分子自由程时，材料内部空隙的导热系数与空气相当；则当一个材料内部均匀充斥微米或纳米空隙时，会对材料产生物理阻隔，形成微小界面，增长传导传热路径，减少传热截面，降低材料传热性能。所以存在于材料内气泡的大小体现材料不同的抗压、抗拉强度。

由于材料内的气体气泡的浮力和气泡体积大小成正比，气泡体积越小浮力越小，当气泡浮力小于气体与材料的摩擦阻力时，气泡稳定存在于材料之中，所以气泡的尺寸大小直接影响到材料的性质的好坏，而现目前的微纳米气泡发生器无法控制气泡尺寸大小，适用面窄。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种微纳米气泡发生装置，该装置能够在材料制备的过程中，通过控制进入材料气体的温度、气压以及尺寸改变材料内气泡尺寸的大小；同时提供一种材料制备系统，用于制备不同性能的材料。

本实用新型的实施例是这样实现的：

一种微纳米气泡发生装置，包括外壳容器、物料容器、尺寸控制系统以及气体控制系统；

所述外壳容器为密封容器，用于形成封闭的工作空间；

所述物料容器设置于所述外壳容器内，用于容纳待加工的物料，所述物料容器的内部空腔与所述工作空间连通；

所述气体控制系统包括进气管、气体温度控制模块和气压控制模块；所述进气管伸入所述外壳容器内并与所述物料容器连接，用于向所述物料容器通入气体；所述气体温度控制模块与所述进气管连接，并控制通入至所述物料容器的气体的温度；所述气压控制模块与所述进气管连接，并控制通入所述物料容器的气体的气压；

所述尺寸控制系统分别与所述物料容器和所述进气管连接，用于将通入所述物料容器的气体分隔为预设尺寸的气泡。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，所述尺寸控制系统包括微孔膜网，所述微孔膜网连接于所述物料容器，所述物料容器通过所述微孔膜网与所述进气管连通。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，所述气体温度控制模块包括气体加热器和第一温度计，所述气体加热器和所述第一温度计均设置于所述进气管上，所述第一温度计设置于所述气体加热器与所述外壳容器之间，所述气体加热器用于加热通入所述物料容器的气体，所述第一温度计用于测量通入所述物料容器的气体加热后温度。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，所述气压控制模块包括气源件、第一压力计和第一气体阀门，所述气源件连接于所述进气管远离所述物料容器的一端，所述气体加热器设置于所述物料容器与所述气源件之间，所述第一压力计和所述第一气体阀门均设置于所述进气管上，所述第一气体阀门设置于所述外壳容器与所述气体加热器之间，所述第一压力计设置于所述第一气体阀门与气体加热器之间，所述气源件用于提供通入所述物料容器的气体，所述第一压力计用于测量通入所述物料容器的气体的气压。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，所述气压控制模块还包括第二压力计和第二气体阀门，所述第二压力计和所述第二气体阀门均设置于所述进气管上，所述第二压力计设置于所述第一气体阀门与所述外壳容器之间，所述第二气体阀门设置于所述气体加热器与所述气源件之间。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，所述微纳米气泡发生装置还包括压差控制系统，所述压差控制系统与所述外壳容器连接，并与所述工作空间连通，用于控制所述工作空间的气压。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，所述压差控制系统包括出气管、减压泵、第一控压阀门、第二控压阀门以及第三压力计，所述出气管的一端与所述外壳容器连接，所述减压泵设置于所述出气管上，所述第一控压阀门与所述第二控压阀门均设置于所述出气管上，所述第一控压阀门设置于所述外壳容器和所述减压泵之间，所述第二控压阀门位于所述减压泵远离所述第一控压阀门的一侧。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，所述微纳米气泡发生装置还包括物料搅拌系统，所述物料搅拌系统包括搅拌器和搅拌驱动件，所述搅拌器与所述搅拌驱动件连接，所述搅拌器设置于所述物料容器内。

进一步地，在本实用新型较佳实施例中，所述微纳米气泡发生装置还包括物料温度控制系统，所述物料温度控制组件包括物料加热器和第三温度计，所述物料加热器设置于所述物料容器内，所述第三温度计与所述物料容器连接，用于测量物料加热温度。

一种材料制备系统，包括上述微纳米气泡发生装置，其包括外壳容器、物料容器、尺寸控制系统以及气体控制系统；所述外壳容器为密封容器，用于形成封闭的工作空间；所述物料容器设置于所述外壳容器内，用于容纳待加工的物料，所述物料容器的内部空腔与所述工作空间连通；所述气体控制系统包括进气管、气体温度控制模块和气压控制模块；所述进气管伸入所述外壳容器内并与所述物料容器连接，用于向所述物料容器通入气体；所述气体温度控制模块与所述进气管连接，并控制通入至所述物料容器的气体的温度；所述气压控制模块与所述进气管连接，并控制通入所述物料容器的气体的气压；所述微纳米气泡发生装置用于制备具有气泡孔洞的材料。

本实用新型实施例的有益效果是：本实用新型提供一种微纳米气泡发生装置，通过气体控制系统中的气体温度控制模块控制进入气体的温度，同时通过气体控制系统中的气压控制模块控制进入气体的气压，并且通过尺寸控制系统控制气体进入的预算尺寸，从而控制所需材料中的气泡尺寸大小，进而控制所需材料的抗压、抗拉强度以及热传递性能。同时本实用新型还提供一种材料制备系统，其能够制造具备可控气泡尺寸大小的材料，从而得到不同性能的材料。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本实用新型第一实施例提供的微纳米气泡发生装置结构示意图。

图2为本实用新型第一实施例提供的尺寸控制系统示意图。

图3为本实用新型第一实施例提供的气体控制系统的结构示意图。

图4为本实用新型第二实施例提供的微纳米气泡发生装置结构示意图。

图标：100、200-微纳米气泡发生装置；110-外壳容器；111-第四温度计；113-第四压力计；114-工作空间；115-出气口；117-进气口；120-物料容器；130-物料搅拌系统；131-搅拌驱动件；133-搅拌器；140-压差控制系统；141-出气管；143-减压泵；145-第一控压阀门；147-第二控压阀门；149-第三压力计；150-尺寸控制系统；160-气体控制系统；161-进气管；163-气体温度控制模块；165-气压控制模块；1631-气体加热器；1633-第一温度计；1635-第二温度计；1651-气源件；1653-第一压力计；1655-第二压力计；1657-第一气体阀门；1659-第二气体阀门；170-物料进出系统；171-物料进出管；173-物料阀门；210-物料温度控制系统；211-第三温度计；213-物料加热器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“设有”、“连接”、“相通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

下面结合附图，对本实用新型的一些实施方式作详细说明，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

第一实施例

图1为本实用新型第一实施例提供的微纳米气泡发生装置100结构示意图。微纳米气泡发生装置100主要应用于制备各种需要充填气泡的材料，例如非金属材料、高分子树脂材料、金属材料以及合金材料等等，使其能得到微米或纳米级的气泡，从而使制成的材料具有轻质、高强、隔热以及节能环保等性能。

请参阅图1，本实用新型第一实施例提供的微纳米气泡发生装置100包括外壳容器110、物料容器120、尺寸控制系统150、气体控制系统160、物料进出系统170、压差控制系统140以及物料搅拌系统130。物料容器120设置于外壳容器110内，物料进出系统170与物料容器120固定连接并伸出外壳容器110外，物料容器120通过尺寸控制系统150与气体控制系统160连接，压差控制系统140与外壳容器110固定连接。

本实施例中，外壳容器110为中空的密封容器，用于形成封闭的工作空间114，外壳容器110外壁上设置有进气口117、出气口115、第四压力计113以及第四温度计111，第四压力计113的压力探头伸入外壳容器110内，用于测量工作空间114的压力值，即第三压力，第四温度计111的测温探头伸入外壳容器110内，用于测量工作空间114的温度值。

本实施例中，物料容器120为上有开口的中空容器，物料容器120的内部空腔与工作空间114连通，物料容器120用于容纳待加工的物料。

本实施例中，物料进出系统170包括物料进出管171和物料阀门173，用于控制物料的进出；物料进出管171的一端与物料容器120固定连接，另一端伸出外壳容器110外，物料阀门173设置于物料进出管171伸出外壳容器110的一端。

物料搅拌系统130包括搅拌器133和搅拌驱动件131。搅拌驱动件131与搅拌器133连接，搅拌器133设置于物料容器120内，搅拌驱动件131设置于外壳容器110外，物料搅拌系统130用于使气体均匀填充于物料中。

压差控制系统140包括出气管141、减压泵143、第一控压阀门145、第二控压阀门147以及第三压力计149。出气管141的一端与外壳容器110固定连接，减压泵143、第三压力计149、第一控压阀门145和所述第二控压阀门147均与出气管141连接；第一控压阀门145设置于外壳容器110和减压泵143之间，第二控压阀门147位于减压泵143远离第一控压阀门145的一侧，第三压力计149设置于外壳容器110与第一控压阀门145之间。压差控制系统140通过减压泵143控制工作空间114的气压，第三压力计149用于测量出气管141中的气体压力值。

在本实施例中，尺寸控制系统150设置于物料容器120底壁上，与气体控制系统160连接。请参阅图2，尺寸控制系统150包括微孔膜网，微孔膜网上设置有多个微小孔(图未示)，该微小孔的孔径大小为制备材料时的预设尺寸。微孔膜网用于将通入物料的气体分隔为预设尺寸的气泡，从而控制进入物料气体的气泡尺寸大小。

请参阅图3，在本实施例中，气体控制系统160包括进气管161、气体温度控制模块163以及气压控制模块165。进气管161的一端与尺寸控制系统150连接，用于向物料通入气体。气体温度控制模块163以及气压控制模块165均与进气管161连接。气体控制系统160通过气体温度控制模块163控制进入物料的气体温度，通过气压控制模块165控制进入物料的气体气压。

气压控制模块165包括气源件1651、第一压力计1653、第二压力计1655、第一气体阀门1657和第二气体阀门1659。气源件1651、第一压力计1653、第二压力计1655、第一气体阀门1657和第二气体阀门1659分别与进气管161连接；其中气源件1651连接于所述进气管161远离所述尺寸控制系统150的一端，用于提供通入物料中的气体；第一压力计1653设置于第一气体阀门1657与第二气体阀门1659之间，用于测量气源件1651出来的气体压力；第二压力计1655设置于第一气体阀门1657远离第二气体阀门1659的一侧，用于测量进入物料中气体的压力，即第一气压。

气体温度控制模块163包括气体加热器1631，第一温度计1633和第二温度计1635。气体加热器1631，第一温度计1633以及第二温度计1635分别与进气管161连接；气体加热器1631设置于第一压力计1653与第二气体阀门1659之间，用于增加通入物料中的气体温度；第一温度计1633设置于第一压力计1653与第一气体阀门1657之间，加热之后气体的温度；第二温度计1635设置于第二压力计1655远离第一压力计1653的一侧，用于测量通入物料中气体的温度，即第一温度。

本实施例提供的微纳米气泡发生装置100的工作原理：根据理想气体状态方程：PV＝nRT；P1V1/T1＝P2V2/T2；V2＝P1V1T2/T1P2,其中P1为进入物料的气体的预设第一气压，T1为进入物料的气体的预设第一温度，V1为气泡的预设尺寸，T2为进入物料的气体的预设第二温度，P2为进入物料的气体的预设第二气压，V2为气泡的目标尺寸。由以上公式可知，以P1、T1条件充入的V1尺寸的气泡，调节到P2，T2条件时，得到V2尺寸的气泡，气泡体积尺度将随气压和温度的变化将会产生变化。

以下以不需要加热材料为例，具体介绍该微纳米气泡发生装置100的工作过程，具体工作过程如下：首先将打开物料进出系统170，在物料容器120内充入将要制备含有微米或纳米气泡的物料，关闭物料进出系统170，使外壳容器110形成一个密闭空间；按照计算出的第一温度T1与第一压力P1，通过压差控制系统140改变外壳容器110内的第三气压，当第三气压达到预设值后，开启物料搅拌系统130，接着在保持该压力状态下开启气体控制系统160，使带有第一温度T1和第一气压P1的气体通过尺寸控制系统150得到预设尺寸V1的气泡并充入物料中，随着继续搅拌，气泡慢慢达到充填量至充分均匀。待外壳容器110内的第三气压调节到预设的第二气压P2，温度调节至预设的第二温度T2，此时物料中的气泡达到第二气压P2和第二温度T2，气泡的尺寸发生相应的变化，得到目标尺寸V2。从而得到充填均匀目标尺寸V2气泡的材料，使其具有不同的材料性能。

本实施例中，设定第二温度T2为常温(例如25℃)，第二气压P2为常压(例如一个标准大气压)，使得最终制备的材料能够在常温常压下使用。通过气体温度控制模块163调节第一温度T1，气压控制模块165调节第一气压P1，尺寸控制系统150调节预设尺寸V1，同时通过压差控制系统140将工作空间114内的第三气压调至小于第一气压P1，使工作空间114内始终保持负压状态，使带有第一温度T1和第一气压P1的气体，通过尺寸控制系统150分隔成为预设尺寸V1的气泡能顺利进入物料中。待温度达到第二温度T2以及气压达到第二气压P2时，物料中的气泡尺寸从预设尺寸V1改变为目标尺寸V2。

例如：在25℃，50Pa压力下通过微孔膜网网孔直径0.5微米进气网口向容器内装有1％浓度聚乙二醇水溶液，并向该溶液内注入直径0.5微米的空气泡，在注入空气同时搅拌，注气完成搅拌均匀后，进气恢复到25℃和一个标准大气压下时，得到的气泡目标尺寸：

计算如下：P1＝50Pa

T1＝273+25＝298K

V1＝4/3*∏r3＝4/3*3.14*0.253＝0.065立方微米(微孔膜网网孔直径0.5微米，分隔成直径为0.5微米的空气泡。)

P2＝101300Pa

T2＝273+25＝298K

V2＝P1V1T2/T1P2＝50*0.065*298/(298*101300)＝0.000032立方微米

R3＝0.000032*0.75/3.14＝0.0000076立方微米

r＝0.02微米；D＝r*2＝0.04微米，即40纳米

本实施例优选使用1％浓度聚乙二醇水溶液，是因为聚乙二醇粘度越大，气泡保持在液体中的稳定性越好。

本实施例中，举例说明充入的气体为空气，但不限于此，充入的气体可以为氮气、混合气体以及有机气体等等。

综上所述，本实施例提供的微纳米气泡发生装置100，通过气体控制系统160中的气体温度控制模块163控制进入气体的温度，同时通过气体控制系统160中的气压控制模块165控制进入气体的气压，并且通过尺寸控制系统150控制气体进入的预设尺寸，从而控制所需材料中的气泡尺寸大小，进而控制所需材料的轻质、高强、隔热以及节能环保的性能。

需要说明的是，本实施例中，气体温度控制模块163和气压控制模块165可以串联使用，但不仅限于此，气体温度控制模块163和气压控制模块165可单独使用。

还需要说明的是，上述中的固定连接可以为一体成型也可以为分体进行焊接而成。

第二实施例

图4为本实用新型第二实施例微纳米气泡发生装置200结构示意图。本实施例提供的微纳米气泡发生装置200，其基本结构和工作原理和第一实施例相同，为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考第一实施例中相应内容。

请参阅图4，本实施例提供的微纳米气泡发生装置200与第一实施例的区别在于，物料容器120内设置有物料温度控制系统210。

物料温度控制系统210包括物料加热器213和第三温度计211，物料加热器213设置于物料容器120内，用于加热物料容器120内的物料；第三温度计211与物料容器120连接，第三温度计211的测温探头伸入物料容器120内，用于测量物料的温度值。

以下以需要加热的材料为例，具体介绍该微纳米气泡发生装置200的工作过程，具体工作过程如下：首先将打开物料进出系统170，在物料容器120内充入将要制备含有微米或纳米气泡的物料，关闭物料进出系统170，使外壳容器110形成一个密闭空间；开启物料加热器213对物料容器120内的物料进行加热，加热至物料熔融状态；按照计算出的第一温度T1与第一压力P1，通过压差控制系统140改变外壳容器110内的第三气压，当第三气压达到预设值后，开启物料搅拌系统130，接着在保持该压力状态下开启气体控制系统160，使带有第一温度T1和第一气压P1的气体通过尺寸控制系统150得到预设尺寸V1的气泡并充入物料中，随着继续搅拌，气泡慢慢达到充填量至充分均匀。待外壳容器110内的第三气压调节到预设的第二气压P2，温度调节至预设的第二温度T2，此时物料中的气泡达到第二气压P2和第二温度T2，气泡的尺寸发生相应的变化，得到目标尺寸V2。从而得到充填均匀目标尺寸V2气泡的材料，使其具有不同的材料性能。

本实施例中，设定第二温度T2为常温(例如25℃)，第二气压P2为常压(例如一个标准大气压)，使得最终制备的材料能够在常温常压下使用。通过气体温度控制模块163调节第一温度T1，气压控制模块165调节第一气压P1，尺寸控制系统150调节预设尺寸V1，同时通过压差控制系统140将工作空间114内的第三气压调至小于第一气压P1，使工作空间114内始终保持负压状态，使带有第一温度T1和第一气压P1的气体，通过尺寸控制系统150分隔成为预设尺寸V1的气泡能顺利进入物料中。待温度达到第二温度T2以及气压达到第二气压P2时，物料中的气泡尺寸从预设尺寸V1改变为目标尺寸V2。

例如：在1700℃，200Pa下通过微孔膜网网孔直径1微米进气网口向容器内装有熔融态钢水中注入直径1微米氮气泡，在注入氮气同时搅拌，注气完成搅拌均匀后，慢慢冷却得到金属固体，调节到常温25℃，常压，得到的气泡尺寸：

计算如下：P1＝200Pa

T1＝273+1700＝1973K

V1＝4/3*∏r3＝4/3*3.14*0.53＝0.52立方微米

P2＝101300Pa

T2＝273+25＝298K

V2＝P1V1T2/T1P2＝200*0.52*298/(1973*101300)＝0.00016立方微米

r＝0.034微米；D＝r*2＝0.034*2＝0.68微米，即68纳米

本实施例优选将金属材料加热至熔融状态下的金属液体，由于金属液体粘度比金属固体粘度大，增强气泡的稳定性。

本实施例提供的微纳米气泡发生装置200，通过气体控制系统160中的气体温度控制模块163控制进入气体的温度，同时通过气体控制系统160中的气压控制模块165控制进入气体的气压，并且通过尺寸控制系统150控制气体进入的预设尺寸，从而控制所需材料中的气泡尺寸大小，进而控制所需材料的轻质、高强、隔热以及节能环保的性能。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。