磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置和方法

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。

技术实现要素：

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。

所述产物收集装置包括纤维过滤器或热泳收集装置，在火焰下游收集纳米颗粒产物，

所述产物收集装置将产物直接用于化学气相沉积，用于工件表面镀膜。

所述合成目标产物包括金属氧化物、非金属氧化物、碳纳米颗粒或纳米薄膜。

所述装置的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的方法为：采用同轴燃烧器、mckenna平焰预混燃烧器、hencken燃烧器或雾化喷嘴燃烧器，在所述燃烧器中通入目标纳米颗粒的前驱物蒸汽、燃料和氧化剂，在燃烧器出口处点燃燃料并调节各路气流量得到适合的火焰，将火焰置于所述梯度磁场装置中，调节磁场梯度大小使火焰形成零-微重力火焰，通过产物收集装置到目标产物-纳米颗粒，实现模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒。

所述燃烧器出口处空气为顺磁性物质，在梯度方向竖直向上的磁场作用下，会受到竖直向上的磁体积力作用；沿竖直z方向，单位体积空气所受磁化力表示为：

上式中，fm为单位体积空气所受磁化力，μ0为真空磁导率，χ为空气的体积磁化率，为梯度磁场在竖直方向z上的磁场梯度。

所述燃烧器出口处常重力下火焰内气体被加热密度减小而上升，这种作用为重力浮升作用，利用梯度磁场产生的磁场梯度，对火焰周围的空气产生竖直向上的磁力浮升作用，相当于对火焰内部气体产生了竖直向下的浮升作用，当梯度磁场对火焰内部的磁力浮升作用与重力浮升作用相互抵消时，就会形成零-微重力火焰。

其使用环境也可以用于微重力环境如在轨卫星，月球表面等。

有益效果：本发明与现有火焰合成装置相比，具有如下突出性特点和优点：

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，火焰温度降低，碳烟浓度减小，能够得到粒径分布窄，纯度提高的产品。相比于现有零-微重力实验方法，成本低运行时间长。同时，本发明能够实现调节磁场参数来改变火焰合成纳米材料形貌的方法。

附图说明

图1是本发明磁场辅助模拟零/微重力火焰合成纳米颗粒装置示意图。

图中有：梯度磁场装置1、燃烧器2、氧化剂21、燃料22、前驱物蒸汽23、产物收集装置3。

具体实施方式

本发明的一种磁场辅助模拟零/微重力火焰合成纳米颗粒方法和装置，包括梯度磁场装置、燃烧器和产物收集装置；所述燃烧器通入火焰合成的前驱物、燃料和氧化剂，燃烧器出口方向与梯度磁场装置产生的梯度磁场方向呈一定角度，能够满足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产物。

上述梯度磁场装置为电磁铁或永磁铁或亥姆霍兹线圈，能够提供一定强度的梯度磁场，梯度大小为20-40t²/m之间。通过控制磁场梯度的大小与方向，可以实现模拟零/微重力火焰合成。

本装置实现模拟零/微重力火焰合成的原理如下：

空气为顺磁性物质，在梯度方向竖直向上的磁场作用下，会受到竖直向上的磁体积力作用；沿竖直z方向，单位体积空气所受磁化力可表示为：

上式中，fm为单位体积空气所受磁化力，μ0为真空磁导率，χ为空气的体积磁化率，为梯度磁场在竖直方向z上的磁场梯度。

常重力下火焰内气体被加热密度减小而上升，这种作用为重力浮升作用。利用梯度磁场产生的磁场梯度，可以对火焰周围的空气产生竖直向上的磁力浮升作用，相当于对火焰内部气体产生了竖直向下的浮升作用。当梯度磁场对火焰内部的磁力浮升作用与重力浮升作用相互抵消时，就会形成零/微重力火焰。

上述燃烧器包括同轴燃烧器，mckenna平焰预混燃烧器，hencken燃烧器，雾化喷嘴燃烧器等，在燃烧器中通入目标纳米颗粒的前驱物蒸汽、燃料和氧化剂，在燃烧器出口处点燃燃料并调节各路气流量得到适合的火焰，即可通过产物收集装置收集得到纳米产物。进而将火焰置于上述梯度磁场下，调节磁场梯度大小使火焰形成零/微重力火焰，实现模拟零/微重力火焰合成。

其使用环境也可以用于微重力环境如在轨卫星，月球表面等。

本发明磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒装置的优选实施方式，如图1所示，包括梯度磁场装置1、燃烧器2和产物收集装置3；所述燃烧器2优选为同轴燃烧器，通入火焰合成的前驱物、燃料和氧化剂，燃烧器出口竖直向上，且位置处于梯度磁场装置1磁场中心下方。产物收集装置3优选为玻璃纤维制成的过滤装置，过滤装置后接真空泵，产物收集装置3位于火焰上方收集合成的纳米颗粒。

所述的同轴燃烧器内的中心为前驱物蒸汽23、前驱物蒸汽23的外周为燃料22、燃料22的外周为氧化剂21，氧化剂21、燃料22和前驱物蒸汽23在燃烧器出口合成火焰。

在燃烧器2中心通入目标纳米颗粒的前驱物蒸汽，中间层通入燃料如甲烷、氢气等，在外层通入氧化剂如空气或氧气，在燃烧器2出口处点燃燃料并调节各路气流量得到合适的火焰，即可通过产物收集装置3收集得到纳米氧化物颗粒。

进而将火焰置于梯度磁场装置1产生的梯度向上的磁场下。调节梯度磁场装置1的电流大小和极头间距，同时微调燃烧器2出口处火焰与梯度磁场装置1的相对位置，使当地磁场梯度为30t²/m。当梯度磁场对火焰的磁力浮升作用与重力浮升作用相抵消时，梯度磁场就屏蔽了重力作用，形成零/微重力火焰，实现模拟零/微重力火焰合成。