用于制造细粉末的等离子体电弧反应器制造技术

本发明专利技术提供一种用于由固体原料例如铝制造粉末的等离子体电弧反应器和工艺。该反应器包括：（ａ）第一电极，（ｂ）适于与第一电极隔开一定距离以便足以在其间产生等离子体电弧的第二电极，（ｃ）用于将等离子体气体引入第一和第二电极之间的空间的装置，（ｄ）用于在第一和第二电极之间的空间产生等离子体电弧的装置，其中第一电极具有贯穿它运行的沟道，沟道的出口通到第一和第二电极之间的空间，并且其中提供用于通过沟道馈送固体材料并经过出口从沟道出去进入第一和第二电极之间的空间的装置。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于制造粉末的设备和工艺。特别是，提供一种可用在等离子体蒸发工艺中的等离子体电弧反应器以制造亚微米或纳米(即纳米尺寸的)铝粉。这里使用的术语电极包括等离子体点火器。第一电极优选关于第二电极从其电弧部分与第二电极的电弧部分接触的第一位置到所述电弧部分互相隔开足以在其间产生等离子体电弧的距离的第二位置是可移动的。这是有利的，因为接触和第一和第二电极可帮助起动等离子体电弧。应该意识到，术语电弧部分指的是在其间可产生等离子体电弧的第一和第二电极表面上的那些区域或点。第一电极可优选采用中空细长部件的形式，其内表面确定一个封闭的沟道(等效于腔或通道)。该细长部件终止于电弧尖端，在使用时，该电弧尖端与第二电极的电弧部分相对。封闭的沟道的出口设置在该电弧尖端或其附近。在这种情况下，第一电极可以是空棒、圆筒或管的形式。第一电极最初可以形成为中空部件。或者，第一电极可以形成为固体部件，以便后来具有形成在其中的腔或通道。如果出口设置在电弧尖端，则应该理解该细长部件的端面将确定电极的电弧尖端和封闭沟道的出口。第一电极通常用做阴极。用作对置电极的第二电极可采用任何合适的形式，以便可以在其与第一电极之间产生等离子体电弧。第二电极可简单地具有基本上平的电弧部分。例如，第二电极可以设置为等离子体反应器的底壁上的平面基片。第一和/或第二电极的电弧部分通常由碳、优选石墨形成。该等离子体反应器可以提供为由石墨做衬里的容器或石墨坩埚的形式，其中其一部分用做第二电极。相应地，第二电极可整体地形成有反应容器。在优选实施例中，等离子体电弧反应器的部分或全部内表面构成第二电极。该腔室可以是石墨反应部件或石墨做衬里的反应室。还优选将第二电极做成阳极，以便在使用中金属离子与之静电推斥。第一和第二电极都不需要接地。该等离子体电弧反应器有利地还包括用于冷却和凝结已经在第一和第二电极之间产生的等离子体电弧中汽化的固体材料的冷却装置。该冷却装置优选包括冷却气体源。第二电极优选包括石墨容器，该石墨容器具有在使用中适于将汽化材料向下游引到将要利用气体冷却的冷却区域的表面。可以在冷却区域的下游提供收集区，用于收集冷凝的汽化材料的粉末。收集区可包括分离粉末颗粒和气流的过滤布。该过滤布优选安装在接地罩上，以便防止积累静电电荷。然后可以从过滤布收集粉末，优选在受控气氛区中收集。然后优选将得到的粉末产物在上述气氛压力以上的压力下密封在容器中的惰性气体中。第一电极中的沟道有利地适于另外地将等离子体气体引入到第一和第二电极之间的空间中。这样，固体原料和等离子体气体可穿过公用沟道运行并离开电极经过公用出口进入第一和第二电极之间的空间。用于在第一和第二电极之间的空间中产生等离子体电弧的装置一般包括DC或AC电源。如果需要的话，可采用其中具有材料供给沟道的一个或多个附加电极，以便可以将不同材料共同供给到单个等离子体反应器中。可采用公用对置电极，或者，可提供分开的对置电极，每个对置电极与其中具有沟道的电极相对。可采用公用或分开的电源，但是分开的电源是优选的，因为这允许对于不同材料的不同蒸发速率。根据本专利技术的设备可在不采用在等离子体反应器内部的任何水冷却部件的情况下工作，并且还可以允许在不使反应器停止的情况下补充固体原料。水冷却将导致热振动和材料碎裂。而且不希望在水蒸汽和待处理材料之间发生反应。根据本专利技术的设备还可包括用于将固体原料运送到第一电极的装置。如果固体原料是线形式的，则该设备优选包括线源。例如，该设备可包括用于线的容器或固定器，优选为线圈或线轴。还优选提供用于从线源将线运送到第一电极的装置，其中线被输送到沟道中。这可以通过例如采用电机来实现。本专利技术还提供用于由固体原料制造粉末的工艺，该工艺包括(i)提供这里所述的等离子体电弧反应器，(ii)将等离子体气体引入到第一和第二电极之间的空间中，(iii)在第一和第二电极之间的空间中产生等离子体电弧，(iv)将固体材料通过沟道输送到通道并经过其出口送入等离子体电弧，由此固体原料汽化，(v)冷却汽化材料以凝结粉末，和(vi)收集粉末。根据本专利技术的工艺可以看作是气体/蒸汽相冷凝工艺。在这种工艺中，产生等离子体以使固体原料汽化，并在蒸汽相中发生材料破碎。然后蒸汽被冷却并转换成固相颗粒。固体原料一般包括或由金属、例如铝、镍或钨构成，并包括含有这些金属的一种或多种的合金。优选铝和铝合金。固体原料可提供为任何合适的形式，只要允许它输送到沟道并通过沟道到达出口并进入电极之间的空间中即可。例如，该材料可以是线、纤维和/或颗粒的形式。该固体原料不需要提供为第二支撑相，如液体载体。该固体原料优选提供为连续线的形式。这是有利的，因为发现提供线形式的固体原料可帮助将该材料运送到等离子体区并进入等离子体芯。等离子体气体一般包括或由惰性气体构成，例如氦和/或氩。等离子体气体有利地被注入到第一电极中的沟道中，以便从第一电极出去进入第一和第二电极之间的空间中。在这种情况下，等离子体气体和固体材料优选经过公用出口离开第一电极。等离子体气体和固体材料可以经过公用入口或经过分开的入口馈送到第一电极中的沟道中。在操作期间，等离子体气体和固体材料将被共同馈送到沟道中。优选控制等离子体气体的体积流速以便使材料到等离子体的加热传送特性最佳化并促进材料形成汽相的颗粒。可采用惰性气体流如氩和/或氦实现汽化材料的至少某种冷却。选择地，或者在与惰性气体的结合使用中，可采用反应气体流。使用反应气体可制造氧化物和氮化物粉末。例如，用空气冷却汽化材料将产生氧化物粉末，如氧化铝粉末。同样，采用包括例如氨的反应气体可制造氮化物粉末，如氮化铝粉末。冷却气体可经过水冷却控制室再循环。粉末表面可采用钝化气体流氧化。当材料是铝或铝基物质时这是特别有利的。钝化气体可包括含氧气体，特别是最佳气体包括95-99vol.％的惰性气体如氦和/或氩，以及5vol.％氧，更优选包括约为98vol.％的惰性气体(一种或多种)和约为2vol.％的氧。已经发现这种气体混合物对于铝和铝基材料可产生特别好的结果。钝化气体优选预先混合，以便避免局部气相浓缩和爆炸的可能性。(惰性)冷却气体可以再循环，然后用氧以通常为1NM3/小时的速率稀释，以便提供钝化气体流。铝用作用于氧的吸气剂并与氧反应，使室内的分压下降。如果控制室内的压力，则后来分压上升表明铝粉末表面已经基本上完全被钝化。如果有可能的壳体与例如水和/或空气接触，则某些超细粉末的反应性存在操作风险。钝化阶段使粉末状材料更适于传送。对于用于某些应用的铝，优选在等离子体中基本上不发生氧化。还优选采用惰性气体流如氩和/或氦实现汽化材料的冷却。因而，优选只在粉末已经冷却之后进行钝化阶段。在最佳实施例中，固体原料例如铝线被馈送到等离子体芯部位，在那里使其汽化。然后金属蒸汽被输送到在那里进行惰性气体淬火的分离淬火区，并转换成固态粉末。然后在低温氧化条件下将该固体粉末暴露于氧气，因此生长氧化物以限制厚度，然后自调整，即阻止氧化物进一步氧化。通常从等离子体芯发生这个氧气暴露/反应工艺。根据本专利技术的该工艺可用于制造粉末状材料，如铝，基本上所有颗粒的直径都小于200nm。优选平均粒径位于50-150nm范围内，更优选在80-120nm范围内，还优选在90-110nm本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于由固体原料制造粉末的等离子体电弧反应器，该反应器包括：（ａ）第一电极，（ｂ）适于与第一电极隔开一定距离以便足以在其间产生等离子体电弧的第二电极，（ｃ）用于将等离子体气体引入第一和第二电极之间的空间的装置，（ｄ）用于在 第一和第二电极之间的空间产生等离子体电弧的装置，其中第一电极具有贯穿其运行的沟道，沟道的出口通到第一和第二电极之间的空间，并且其中提供用于通过沟道馈送固体材料并经过出口从沟道出去进入第一和第二电极之间的空间的装置。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫爱德华迪根，克里斯大卫查普曼，蒂莫西保罗约翰逊，
申请(专利权)人：特乔尼科斯有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]