專利名稱：一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產設備及方法
技術領域：
本發明屬于納米材料制備技術領域。是一種生產金屬納米粉的裝置，特別是一種自動化連續生產金屬納米粉的生成室，以及為提高粉體的品質而設計的納米粉粒度分級室。
背景技術：
納米粉體材料是指粒徑小于100nm的顆粒聚集體，是一種新型的高科技材料，在電子、機械、航空航天、軍事、化工、冶金、醫療等領域有廣泛的用途，如可用于雷達吸波隱形材料、導電涂料、高性能磁記錄材料、高溫耐磨材料、金屬潤滑修復劑，低溫釬料、工業催化劑、超導膜材料等。
直流電弧等離子體是制備納米粒子，特別是金屬納米粒子的一種有效的熱源，目前采用此方法初步實現了宏量生產，但對于實現大規模工業化生產，還存在著許多技術問題，主要表現在如何克服目前的人工操作，實現生產過程的自動化；另外，如何實現對不同粒徑納米粒子的分級，以提高納米粉體的品質，提高技術含量和附加值。
發明內容
本發明的目的是提供一種能夠實現金屬納米粉的自動化、連續、穩定的規模化生產、對不同粒徑納米粒子進行分級、擴大納米粉體產品種類、提高質量的自動控制直流電弧金屬納米粉生產設備及方法。
本發明的技術解決方案是，一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產設備，由依次連接的粉體生成室1、粉體粒度分級室2、粉體捕集室3、粉體處理室4、抽真空系統5、氣體循環泵6、液壓傳動系統9、水冷系統10、編程控制系統11構成；粉體生成室1中安裝陽極8和陰極7，并穿過粉體生成室1壁與外部液壓傳動和編程控制系統連接；粉體粒度分級室2為雙壁水冷外殼與液氮冷卻罐構成；液壓傳動系統9由控制陰極73維移動和陽極81維移動的液壓罐和傳動桿構成；編程控制系統11由可編程控制器PLC、顯示器、電源調節器等部件構成。
一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產方法是，將物料裝入陽極中并成為陽極的一部分，與陰極形成10～30mm的間隙，整體設備抽真空，通冷卻水以冷卻電極7、8、各個室壁1、2、3、真空泵5、氣體循環泵6等，在分級室的液氮冷卻罐中裝入液氮；按占系統氣壓的20～60％通入活性氣體，其余為冷凝氣體，旋轉氣體循環泵；啟動起弧器和電源，在陰、陽電極間形成電弧，物料開始蒸發并形成納米粉體顆粒，電弧燃燒過程實現監控，完成陰、陽電極的自動控制；形成的粉體隨循環氣流移動，在水冷室壁、液氮冷卻罐表面沉積，漂浮的顆粒在捕集室被全部收集。在不同冷卻部位，獲得不同粒徑的納米粉體。
工作氣體是氫氣。
工作氣體是含氫氣體，如甲烷、氨氣等。
冷凝氣體是惰性氣體，如氬氣、氦氣等。
陰極的移動采用液壓傳動，通過可編程控制器PLC實現陰極在z軸的自動控制，反饋電信號為陰、陽極間的電壓信號，參照此電壓信號調整陰極與陽極間距，達到電弧穩定燃燒的目的。陰極在x，y軸的移動是由獨立的液壓傳動系統，即x，y軸方向的液壓傳動裝置安裝在獨立的導軌上，通過對x，y軸方向上陰極的成像觀察，采用手動控制方式實現陰極在x，y軸的移動。陰極尖部電弧處的3維移動，是由以上提到的陰極頂部3維液壓傳動，通過生成室壁為支點的杠桿作用而實現的。
陽極料棒的移動亦由PLC控制、液壓傳動實現的。反饋信號來自陰、陽極間的電壓信號，由此調整陰極料棒移動的起步、進料速率及停止，達到自動控制的目的。
粉體粒度分級室安裝在循環氣流回路中。循環氣流是為了實現納米粉的連續生產，將生成室中生產的粉體通過氣流傳輸到捕集室進行粉體的收集、處理和包裝，這種氣流循環動力的是由循環風機產生，將貫穿整個制粉設備。液氮冷卻法粉體粒度分級室安裝在生成室和捕集室之間的氣體回路中。
分級室由內部可調速轉動的液氮冷卻單罐或多罐、雙層水冷室壁、粉體收集裝置等構成。循環氣流攜帶生成室中生產的納米粒子進入分級室，由于液氮冷卻罐的低溫冷卻作用，將抑制納米粒子尺寸的進一步長大，導致納米粒子中的細顆粒沉積于冷卻罐的表面，在分級室的雙層水冷內壁上將沉積部分中等尺寸顆粒，大顆粒粒子將隨循環氣流傳輸到后面的捕集室中收集。通過上述過程實現納米粒子尺度的分級。
本發明的優點和所達到的有益效果是，結構新穎，實現金屬納米粉體的自動化規模生產，克服人工操作帶來的生產過程和粉體質量的不穩定因素，提高了生產效率，并實現納米粉體不同級別粒度的分級，從而進一步提高粉體的質量，實現高技術含量和高附加值。
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步的說明。
圖1為本發明的生成室和分級室在整個設備中的連接示意圖。
圖2為本發明的生成室結構簡圖。
圖3為本發明的陰極3維移動自動控制液壓傳動示意圖。
圖4為本發明的液氮冷卻法粉體粒度分級室結構簡圖。
具體實施例方式
一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產設備，由依次連接的粉體生成室1、粉體粒度分級室2、粉體捕集室3、粉體處理室4、抽真空系統5、氣體循環泵6、液壓傳動系統9、水冷系統10、編程控制系統11構成；粉體生成室1中安裝陽極8和陰極7，并穿過粉體生成室1壁與外部液壓傳動和編程控制系統連接；粉體粒度分級室2為雙壁水冷外殼與液氮冷卻罐構成；液壓傳動系統9由控制陰極73維移動和陽極81維移動的液壓罐和傳動桿構成；編程控制系統11由可編程控制器PLC、顯示器、電源調節器等部件構成。
一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產方法是，將物料裝入陽極中并成為陽極的一部分，與陰極形成20mm的間隙，整體設備抽真空，通冷卻水以冷卻電極7、8、各個室壁1、2、3、真空泵5、氣體循環泵6等，在分級室的液氮冷卻罐中裝入液氮；按占系統氣壓的40％通入氫氣，其余為惰性氣體，旋轉氣體循環泵；啟動起弧器和電源，在陰、陽電極間形成電弧，物料開始蒸發并形成納米粉體顆粒，電弧燃燒過程實現監控，完成陰、陽電極的自動控制；形成的粉體隨循環氣流移動，在水冷室壁、液氮冷卻罐表面沉積，漂浮的顆粒在捕集室被全部收集。在不同冷卻部位，獲得不同粒徑的納米粉體。
權利要求
1.一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產設備，其特征在于，由依次連接的粉體生成室(1)、粉體粒度分級室(2)、粉體捕集室(3)、粉體處理室(4)、抽真空系統(5)、氣體循環泵(6)、液壓傳動系統(9)、水冷系統(10)、編程控制系統(11)構成；粉體生成室(1)中安裝陽極(8)和陰極(7)，并穿過粉體生成室(1)壁與外部液壓傳動和編程控制系統連接；粉體粒度分級室(2)為雙壁水冷外殼與液氮冷卻罐構成；液壓傳動系統(9)由控制陰極(7)3維移動和陽極(8)1維移動的液壓罐和傳動桿構成。
2.使用權利里要求1所述的一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產設備進行金屬納米粉生產的方法，其特征在于，將物料裝入陽極中并成為陽極的一部分，與陰極形成10～30mm的間隙，整體設備抽真空，通冷卻水以冷卻電極(7、8)、各個室壁(1、2、3)、真空泵(5)、氣體循環泵(6)等，在分級室的液氮冷卻罐中裝入液氮；按占系統氣壓的20～60％通入活性氣體，其余為冷凝氣體，旋轉氣體循環泵；啟動起弧器和電源，在陰、陽電極間形成電弧，物料開始蒸發并形成納米粉體顆粒，電弧燃燒過程實現監控，完成陰、陽電極的自動控制；形成的粉體隨循環氣流移動，在水冷室壁、液氮冷卻罐表面沉積，漂浮的顆粒在捕集室被全部收集。在不同冷卻部位，獲得不同粒徑的納米粉體。
3.根據權利里要求2所述的一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產方法，其特征在于，工作氣體是氫氣。
4.根據權利里要求2所述的一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產方法，其特征在于，工作氣體是含氫氣體。
5.根據權利里要求2所述的一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產方法，其特征在于，冷凝氣體是惰性氣體。
全文摘要
一種自動控制直流電弧金屬納米粉生產設備及方法屬于納米材料制備技術領域。其特征是自動控制直流電弧陰極的3維移動、陽極的1維移動，以達到自動控制金屬納米粉的穩定、連續生產，并實現不同級別納米顆粒粒度分級的真空生產設備，包括生成室、分級室、捕集室、處理室等。其為實現自動化連續生產金屬納米粉，確保粉體質量，既不同粒徑納米粒子的分級、同級粒徑的均勻分布。本發明的優點是編程控制，液壓傳動，結構新穎，操作簡捷而有效，通過自動控制調整電弧的起弧和燃燒過程，實現金屬納米粉的自動化、連續、穩定的規模化生產。
文檔編號B22F9/14GK1559729SQ200410021190
公開日2005年1月5日 申請日期2004年2月23日 優先權日2004年2月23日
發明者董星龍, 孫維民, 王維, 李志杰 申請人:大連理工大學