一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置及其操作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置及其操作方法，包括：加热水箱、恒温水泵、空化管和温压控制系统；加热水箱的出口通过第一管道与空化管的进口相连通，第一管道上设置有恒温水泵；空化管的出口通过第二管道与加热水箱的进口相连通；空化管水平设置；空化管内设置有孔板，孔板设置有通孔，用于引发局部低压并产生空泡；温压控制系统，用于采集孔板上下游的温度信号和压力信号，并将采集的信号转化为电信号，调节装置内水流温度和流量。本发明专利技术的装置，利用孔板引发的局部低压引发空泡，并利用空泡溃灭的瞬时激波、局部高压向纳米材料中引入晶体缺陷，达到改变纳米材料的晶体结构的目的。

A hydrodynamic cavitation device for introducing crystal defects into nanomaterials and its operation method

【技术实现步骤摘要】
一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置及其操作方法
本专利技术属于纳米材料制备工艺及设备
，特别涉及一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置及其操作方法。
技术介绍
纳米材料的研究是当前很有发展前景的研究方向，实验研究表明，纳米材料在某些属性上具有传统材料无法比拟的优势：以碳纳米管石墨烯为代表的超高强度材料，其比强度是钢铁的好几倍；以金纳米材料为代表的纳米催化剂在反应速率和价格上都优于传统产品；某些纳米材料的光学、电学性质十分特殊，正被作为各种新型光学传感器、新型半导体的候选材料进行研究。实验表明，2D六边形结构的金纳米材料在可见光及红外光谱下具有优秀的、可调节的光学特性。以其为材料的光学传感器具有很好的光学特性和寿命，因此受到学界的广泛关注。研究表明，纳米颗粒内部的晶体缺陷是决定纳米金颗粒微观结构的关键因素。晶体缺陷是指晶体内部结构完整性受到破坏。在实际的晶体中，指晶体中由于晶体形成条件、原子的热运动及其它条件的影响，原子排列偏离了理想晶体结构的区域。实验表明，当晶体具有堆叠的镜像缺陷时，原始金颗粒将沿着(111)平面生长，并最终成为2D六边形纳米金颗粒。然而，人为向纳米颗粒中引入缺陷有着极端苛刻的条件：若采用在样品上均匀施加恒定压力的方式在单晶金纳米颗粒中引入上述的缺陷需要100Mpa以上压力，而传统的压力装置不仅难以在达到如此高的压力，更无法保护样品在如此高压下不受破坏。目前，市场上目前并没有能够引入缺陷的装置，实用经济的人为引入缺陷的装置亟待开发。专利技术内容本专利技术的目的在于提供一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置及其操作方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术的装置，利用孔板引发的局部低压引发空泡，并利用空泡溃灭的瞬时激波、局部高压向纳米材料中引入晶体缺陷，达到改变纳米材料的晶体结构的目的。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术的一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置，包括：加热水箱、恒温水泵、空化管和温压控制系统；所述加热水箱的出口通过第一管道与所述空化管的进口相连通，所述第一管道上设置有恒温水泵；所述空化管的出口通过第二管道与所述加热水箱的进口相连通；所述空化管水平设置；所述空化管内设置有孔板，所述孔板设置有通孔，用于引发局部低压并产生空泡；所述温压控制系统，用于采集孔板上下游的温度信号和压力信号，并将采集的信号转化为电信号，调节装置内水流温度和流量。本专利技术的进一步改进在于，所述空化管包括入口段和扩压段；所述入口段设置有空化管的进口并安装有整流栅；所述扩压段设置有空化管的出口并安装有样品架；所述孔板安装在所述入口段和所述扩压段的交界处。本专利技术的进一步改进在于，所述空化管为透明的圆管结构；所述空化管的扩压段设置有操作窗。本专利技术的进一步改进在于，所述整流栅包括交错排列的导流叶片；所述样品架设置有沟槽结构；所述样品架的倾斜角度可调。本专利技术的进一步改进在于，所述孔板通流面积，据伯努利方程进行估算：其中，P1,P2分别为进口和孔板处的压力；V1,V2分别为进口和孔板处的流速；P2小于对应温度下的水的饱和蒸汽压；忽略孔板前后高度差，消去z1，z2；ρ为水的密度；g为重力加速度；Δh根据下式估算，ζ和λ分别为系统的局部阻力系数和沿程阻力系数。本专利技术的进一步改进在于，所述孔板为单孔或多孔结构；所述孔板的通孔加工有内螺纹。本专利技术的进一步改进在于，所述温压控制系统包括：温度传感器，用于采集孔板上、下游的温度信号；压力传感器，用于采集孔板上、下游的压力信号；计算机，用于采集的信号转化为电信号，调节装置内水流温度和流量。本专利技术的进一步改进在于，温度传感器采用热电偶；压力传感器采用差压传感器。本专利技术的一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置的操作方法，基于本专利技术上述的水力空化装置，包括以下步骤：通过加热水箱和恒温水泵向空化管输入水流；通过孔板上的通孔产生空泡，利用空泡溃灭的瞬时激波、局部高压冲击纳米颗粒，使颗粒的晶体结构发生改变，从而引入晶体缺陷；通过温压控制系统采集孔板上下游水流的温度信号和压力信号，并将采集的信号转化为电信号，调节空化管输入水流的温度和流量。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术的装置中，独创性地采用了孔板节流的手段产生空化气团，并利用其溃灭时产生的激波、局部高压解决了当前无法向纳米颗粒中引入缺陷的问题；本专利技术利用空泡溃灭的瞬时激波、局部高压向纳米材料中引入晶体缺陷，达到改变纳米材料的晶体结构的目的。本专利技术能够以低廉的成本达到引入缺陷，从而提高纳米材料的力学、光学特性。本专利技术通过空化管进行空化；空化指的是液体内局部压力降低时，液体内部或液固交界面上蒸汽或气体的空穴(空泡)的形成、发展和溃灭的过程。空化过程中，空泡急速产生、扩张和溃灭，在液体中形成激波或高速微射流。这种激波的特点是作用的空间、时间尺度极小。在空泡破裂的瞬间，可以在极小范围内产生1000K以上的高温和100Mpa以上的压力，能够达到引入晶体缺陷的条件。本专利技术中，整流栅的结构为一组交错排列的导流叶片，使流体通过导流叶片平稳有序地通过，减少了气流扰动和扰动带来的压力损失，快速达到平稳的流动状态。所述样品架具有沟槽结构。使用时将样品滑入沟槽固定，并安装在扩压段的中心位置。扩压段内安装样品架，样品架沿管向位置可调，使顺流而来的空泡能够顺利地在样品架附近溃灭，形成局部的激波及超高压，改变样品上纳米颗粒的晶体结构，以促成特定的生长模式或物理性质。样品架的倾斜角度可调，以利于改变激波在样品上的作用方向，进而获得需要的特定缺陷方向。本专利技术的方法，基于本专利技术的装置，采用孔板节流的手段产生空化气团，并利用其溃灭时产生的激波、局部高压解决了当前无法向纳米颗粒中引入缺陷的问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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的附图。图1是本专利技术实施例的一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置的示意图；图2是本专利技术实施例中，空化管轴向截面示意图；图3是本专利技术实施例中，孔板示意图；其中，图3的(a)为正视图，图3的(b)为侧视图；图4是本专利技术实施例中，孔板示意图；图5是本专利技术实施例中，装置实物示意图；图1至图4中，1、入口段；2、孔板；3、扩压段；4、温度传感器；5、加热水箱；6、恒温水泵；7、计算机。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术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专利技术一部分实施例。基本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置，其特征在于，包括：加热水箱(5)、恒温水泵(6)、空化管和温压控制系统；/n所述加热水箱(5)的出口通过第一管道与所述空化管的进口相连通，所述第一管道上设置有恒温水泵(6)；所述空化管的出口通过第二管道与所述加热水箱(5)的进口相连通；/n所述空化管水平设置；所述空化管内设置有孔板(2)，所述孔板(2)设置有通孔，用于引发局部低压并产生空泡；/n所述温压控制系统，用于采集孔板(2)上下游的温度信号和压力信号，并将采集的信号转化为电信号，调节装置内水流温度和流量。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置，其特征在于，包括：加热水箱(5)、恒温水泵(6)、空化管和温压控制系统；
所述加热水箱(5)的出口通过第一管道与所述空化管的进口相连通，所述第一管道上设置有恒温水泵(6)；所述空化管的出口通过第二管道与所述加热水箱(5)的进口相连通；
所述空化管水平设置；所述空化管内设置有孔板(2)，所述孔板(2)设置有通孔，用于引发局部低压并产生空泡；
所述温压控制系统，用于采集孔板(2)上下游的温度信号和压力信号，并将采集的信号转化为电信号，调节装置内水流温度和流量。


2.根据权利要求1所述的一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置，其特征在于，所述空化管包括入口段(1)和扩压段(3)；
所述入口段(1)设置有空化管的进口并安装有整流栅；
所述扩压段(3)设置有空化管的出口并安装有样品架；
所述孔板(2)安装在所述入口段(1)和所述扩压段(3)的交界处。


3.根据权利要求2所述的一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置，其特征在于，所述空化管为透明的圆管结构；所述空化管的扩压段(3)设置有操作窗。


4.根据权利要求2所述的一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置，其特征在于，
所述整流栅包括交错排列的导流叶片；
所述样品架设置有沟槽结构；所述样品架的倾斜角度可调。


5.根据权利要求1所述的一种用于向纳米材料中引入晶体缺陷的水力空化装置，其特征在于，所述孔板(2)通流面积，据伯努利方程进行估算：


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【专利技术属性】
技术研发人员：张家忠，欧阳志成，张润辉，陈治宇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61