团簇离子束纳米加工设备及其加工方法技术

本发明专利技术提供了一种团簇离子束纳米加工设备，包括进料装置、分级负压发生器、主轴电机、压力腔、物料预处理单元、纳米团簇离子束单元、纳米团簇粒径实时检测单元、出料装置以及电气控制系统；还提供了一种团簇离子束纳米加工方法，包括对所述物料进行预处理，研磨成游离磨料；实时检测所述游离磨料粒径，当所述游离磨料达到亚微米级时，进行偏转、加速和对撞加工，分解成纳米团簇；实时检测所述纳米团簇粒径，满足设定条件时进行卸料。本发明专利技术通过实时检测纳米团簇粒径，保证了纳米团簇粒径的一致性和稳定性；采用游离磨料预处理和纳米团簇的能量束碰撞相结合的加工方式，保证纳米材料的粒径和纯度要求，最大限度地减少组份偏差和物相污染。染。染。

【技术实现步骤摘要】
团簇离子束纳米加工设备及其加工方法


[0001]本专利技术涉及纳米材料加工领域，特别涉及了团簇离子束纳米加工设备及其加工方法。

技术介绍

[0002]纳米材料又称之为超微晶材料，其团簇粒径介于1nm至100nm之间，具有小尺寸效应、量子效应、界面效应和表面效应等独特而优异的物理性能，在陶瓷、微电子、化工、医学等领域具有广阔的应用前景。近十年来，围绕纳米材料的制备方法、性能测试和理论解释已成为各国研究的热点问题，取得了丰硕的理论研究和应用研究成果。
[0003]就纳米材料的加工技术而言，主要有物理蒸发冷凝法、机械球磨法、分子束外延法、化学气相沉积法、液相沉积法等制备方法。
[0004]物理蒸发冷凝法主要应用于金属材料的纳米粉体制备，工艺相对简便，纳米粉体具有较好的力学和电磁学性能，但生产率较低。
[0005]机械球磨法利用研磨球、研磨罐和研磨颗粒的碰撞，改变纳米材料的粒径、形貌和比表面积，在磁性、超饱和固溶体、热电、半导体和硅酸盐等纳米材料的制备以低成本、高效益取得较好的应用成果，但普遍存在分散和污染问题，常采用超声波、机械搅拌改进物理分散，采用改性分散或分散剂分散方法以改进化学分散。但高速球磨伴随的组份偏差和物相污染，目前还未见行之有效的解决措施。
[0006]分子束外延法是一种特殊的真空镀膜工艺。在超高真空腔内，将热蒸发、气体裂解、辉光放电离子化等方法产生的原子束或分子束，投射到具有一定取向、一定温度的晶体衬底上，生成晶体薄膜材料或所需晶体结构。其工艺过程一般为衬底处理、生长控制和后续工序。调制掺杂控制晶体生长的束流强度、稳定性、浓度等参数，以保证晶体的杂质分布和一致性，主要应用于制备激光器、光纤传感器、微波器件或光电显示器件，具有无污染、组份均匀、厚度一致性好等特点，但设备造价较高，不能用于粉体纳米材料的制备(化学气相沉积法和液相沉积法亦然)。
[0007]至今为止，上述各种方法仍面临一些亟待解决的共性问题，诸如如何快速而实时地进行纳米团簇的性能测量和评价、如何保证纳米团簇的稳定性和一致性、如何有效地筛选纳米团簇中不同结构的异构体，以及准确地建立纳米团簇的动力学模型等。
[0008]因此，现有技术还有待于改进和发展。

技术实现思路

[0009]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种团簇离子束纳米加工设备及其加工方法，旨在解决现有的纳米材料加工技术中存在的组分偏差、物相污染、无法实时进行纳米团簇的性能测量和评价等问题。
[0010]本专利技术的技术方案如下：
[0011]一种团簇离子束纳米加工设备，包括进料装置、流量控制装置、分级负压发生器、
主轴电机、压力腔、物料预处理单元、纳米团簇离子束单元、纳米团簇粒径实时检测单元、散热器、出料装置以及电气控制系统；所述进料装置与所述压力腔连接，所述分级负压发生器分别与所述压力腔和主轴电机连接，所述主轴电机与所述压力腔连接，所述纳米团簇离子束单元分别与所述压力腔和出料装置连接，用于实现物料的偏转、加速以及对撞，所述流量控制装置设于所述压力腔内，与所述分级负压发生器连接，所述物料预处理单元设于所述压力腔内，用于物料的预处理，将物料研磨成游离磨料，所述纳米团簇粒径实时检测单元设置在所述压力腔和纳米团簇离子束单元内，用于实时检测纳米团簇的粒径，所述散热器设于所述压力腔上，所述电气控制系统分别与所述进料装置、主轴电机、纳米团簇离子束单元、纳米团簇粒径实时检测单元、散热器、出料装置电连接，还包括离心机，所述离心机用于给力驱动物料由进料装置进入压力腔。
[0012]所述的团簇离子束纳米加工设备，其中，所述纳米团簇离子束单元包括设置在所述压力腔内的离子束偏转电路、偏转线圈以及与所述压力腔连接的两级加速腔；所述离子束偏转电路分别与所述偏转线圈和电气控制系统电连接，向偏转线圈提供锯齿波电流，产生径向、线性偏转磁场，所述两级加速腔靠近所述偏转线圈一端设有分离孔，另一端设有对撞孔，所述两级加速腔内设有正向环形通道和逆向环形通道，所述正向环形通道和逆向环形通道在分别在所述分离孔和所述对撞孔处相交，所述两级加速腔上设有与所述电气控制系统电连接的两级加速电路，所述两级加速电路为分段串接的升压电路，一级加速电压为DC 600
‑
700V，二级加速电压为DC 31000
‑
33000V；物料经所述径向、线性偏转磁场和分级负压发生器的共同作用，由所述分离孔进入所述两级加速腔，并在所述对撞孔实现对撞轰击。
[0013]所述的团簇离子束纳米加工设备，其中，所述纳米团簇粒径实时检测单元采用激光三角法检测激光光强度，从而间接测量纳米团簇的粒径，所述纳米团簇粒径实时检测单元包括半导体激光管、第一透镜组、第二透镜组、面阵CCD图像传感器、反射镜、粒径数据处理模块以及激光管控制电路，所述激光管控制电路分别与所述电气控制系统和半导体激光管电连接，所述粒径数据处理模块分别与所述面阵CCD图像传感器和所述电气控制系统连接；所述半导体激光管发射激光，依次经过所述第一透镜组、纳米团簇离子、第二透镜组、反射镜，至所述面阵CCD图像传感器，所述面阵CCD图像传感器生成的光强度信号经所述粒径数据处理模块进行数据处理后，实时传输纳米团簇的实时粒径信号至所述电气控制系统。
[0014]所述的团簇离子束纳米加工设备，其中，所述粒径数据处理模块包括粒径数据处理控制电路以及与所述粒径数据处理控制电路连接的模拟前端、噪声抑制单元、模数转换单元、数字滤波单元、自适应高阶统计量加权平均单元以及三阶相关峭度反卷积逆滤波器，所述光强度信号经模拟前端、噪声抑制、模数转换、数字滤波、自适应高阶统计量加权平均算法之后，对所述光强度信号的三阶相关峭度反卷积逆滤波器进行盲提取，从而输出纳米团簇的实时粒径信号。
[0015]所述的团簇离子束纳米加工设备，其中，所述电气控制系统包括系统控制板以及分别与所述系统控制板电连接的电机驱动电路、逻辑互锁与保护电路、温度传感器、压力传感器、流量传感器、超微晶粉传感器、位置传感器和人机接口单元；所述电机驱动电路与所述主轴电机连接，所述温度传感器、压力传感器、流量传感器、超微晶粉传感器以及位置传感器设在所述压力腔和两级加速腔内，所述人机接口单元经由MODBUS RTU协议与所述系统控制板通信。
[0016]所述的团簇离子束纳米加工设备，其中，还包括用于使所述压力腔保持恒温恒压条件的过程控制执行单元，所述过程控制执行单元包括布置在压力腔内，分别与所述电气控制系统电连接的温度调节系统以及压力调节系统，所述压力传感器和温度传感器实时监测并反馈压力和温度参数，至所述电气控制系统，所述电梯控制系统控制所述温度调节系统和压力调节系统及时调节腔内的温度和压力。
[0017]所述的团簇离子束纳米加工设备，其中，还包括系统保护单元，所述系统保护单元包括与所述离子束偏转电路和两级加速电路连接的过流过压保护电路、设置在压力腔上的温度保护装置和过压保护装置以及设置在所述第一透镜组和第二透镜组上的自清洁装置。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种团簇离子束纳米加工设备，其特征在于，包括进料装置、分级负压发生器、主轴电机、压力腔、物料预处理单元、纳米团簇离子束单元、纳米团簇粒径实时检测单元、出料装置以及电气控制系统；所述进料装置与所述压力腔连接，所述分级负压发生器分别与所述压力腔和主轴电机连接，所述主轴电机与所述压力腔连接，所述纳米团簇离子束单元分别与所述压力腔和出料装置连接，用于实现物料的偏转、加速以及对撞，所述物料预处理单元设于所述压力腔内，用于物料的预处理，将物料研磨成游离磨料，所述纳米团簇粒径实时检测单元设置在所述压力腔和纳米团簇离子束单元内，用于实时检测纳米团簇的粒径，所述电气控制系统分别与所述进料装置、主轴电机、纳米团簇离子束单元、纳米团簇粒径实时检测单元、散热器、出料装置电连接，还包括离心机，所述离心机用于给力驱动物料由进料装置进入压力腔。2.根据权利要求1所述的团簇离子束纳米加工设备，其特征在于，所述纳米团簇离子束单元包括设置在所述压力腔内的离子束偏转电路、偏转线圈以及与所述压力腔连接的两级加速腔；所述离子束偏转电路分别与所述偏转线圈和电气控制系统电连接，向偏转线圈提供锯齿波电流，产生径向、线性偏转磁场，所述两级加速腔靠近所述偏转线圈一端设有分离孔，另一端设有对撞孔，所述两级加速腔内设有正向环形通道和逆向环形通道，所述正向环形通道和逆向环形通道在分别在所述分离孔和所述对撞孔处相交，所述两级加速腔上设有与所述电气控制系统电连接的两级加速电路，所述两级加速电路为分段串接的升压电路，一级加速电压为DC 600
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700V，二级加速电压为DC 31000
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33000V；物料经所述径向、线性偏转磁场和分级负压发生器的共同作用，由所述分离孔进入所述两级加速腔，并在所述对撞孔实现对撞轰击。3.根据权利要求2所述的团簇离子束纳米加工设备，其特征在于，所述纳米团簇粒径实时检测单元采用激光三角法检测激光光强度，从而间接测量纳米团簇的粒径，所述纳米团簇粒径实时检测单元包括半导体激光管、第一透镜组、第二透镜组、面阵CCD图像传感器、反射镜、粒径数据处理模块以及激光管控制电路，所述激光管控制电路分别与所述电气控制系统和半导体激光管电连接，所述粒径数据处理模块分别与所述面阵CCD图像传感器和所述电气控制系统连接；所述半导体激光管发射激光，依次经过所述第一透镜组、纳米团簇离子、第二透镜组、反射镜，至所述面阵CCD图像传感器，所述面阵CCD图像传感器生成的光强度信号经所述粒径数据处理模块进行数据处理后，实时传输纳米团簇的实时粒径信号至所述电气控制系统。4.根据权利要求3所述的团簇离子束纳米加工设备，其特征在于，所述粒径数据处理模块包括粒径数据处理控制电路以及与所述粒径数据处理控制电路连接的模拟前端、噪声抑制单元、模数转...

【专利技术属性】
技术研发人员：李应高，
申请(专利权)人：广东如动纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：