[发明专利]一种电爆炸制备纳米粉体材料的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种电爆炸制备纳米粉体材料的装置，属于工艺技术领域。 

背景技术

纳米技术是用原子和分子制备新物质的技术，它是20世纪80年代诞生的并正在迅速崛起的新兴学科，涉及到物理学、化学、材料学、生物学及电子学等多学科交叉的知识。纳米技术、信息技术和生命科学是对人类社会未来（21世纪）产生巨大影响的关键技术。 

目前纳米材料的制备方法很多，若以反应过程中物料状态来分可归纳为固相法、液相法、气相法三大类。但其基本机理有两种：一是将大块固体分裂成纳米微粒；二是由单个基本微粒聚集形成微粒，并控制微粒的生长，使其维持在纳米尺寸。目前，基于不同的机理方法，以设计出多套制备纳米材料的装置，但多数装置往往只能利用一种机理或方法生产某一类纳米材料，且得到的纳米材料的活化性能等参数难以改变。而电爆炸方法给出了可密封的制备环境，可以通过改变环境气氛、气压、过热系数K（气化前注入丝的能量与升华能之比）等，改变生成的纳米材料的粒度分布、活性等参数。此外电爆炸方法还具有生产效率高、能量利用率高、可快速更换体系制备不同的化合物的特点。 

电爆炸是通过对加工成一定结构的导电体加载强大的电流（几百上千安培），继而电阻的加热作用使极高的能量在导电体内迅速积聚，使导电体发生相变（大致包括固态熔化、液态气化、电弧击穿形成等离子态气体），体积急剧增大，形成冲击波，发生爆炸声和闪光。整过过程，一般在几微秒内完成，并伴随大量纳米颗粒（通过改变电压、气压等条件，颗粒粒度1～100nm不等）的生成。 

电爆炸生产的金属粉末具有较高的表面活性，其原因是高的表面能及与内部缺陷相关的能量。无机物质在冲击波作用下产生大量残余晶格应变，生成大量位错，其表面能量明显增加，从而无机物质的化学活性也明显提高。例如，对Ag粉末进行微分热分析，测得在230V时有明显的放热效应，估算其所释放 热量约为其熔化热的40％。许多其它金属也有这种放热现象，但不易定量测量，因为这些粉末是痕量O2、N2的良好吸附剂。它们的放热温度比其熔点低得多，有时具有足以产生初始液相烧结的能量。此外，电爆炸制备的纳米金属粉末的熔点和熔化热都低于文献中所给出的相应体金属的值，例如，电爆炸合成的纳米Al粉的熔点为629°C，而普通Al粉的熔点为660°C。电爆炸合成的纳米金属粉末的化学、冶金反应性能明显改进，例如，Al粉末在水中更稳定，因为有稳定的Al2O3保护壳，其厚度约为3nm。而Al粉末在沸水中反应非常快，其反应速率达到碱金属的反应速率。另外，有研究表明通过改变对导电体加热的过热系数，可以以不同的机理生成纳米材料。以碳棒为例，当过热系数小于一时，碳棒被击碎形成纳米颗粒，此时产物为富勒烯、碳纳米管等；当过热系数大于一时，碳棒短时间内发生相变，以小液滴的形式扩散开来，最终形成纳米金刚石。可见，电爆炸装置，通过一套电控系统，改变装置输出的电流、电压、气压等即可方便地根据不同要求，生成的不同结构及特性的纳米材料。但现有电爆炸装置只能做一种规格的导电丝或者导电片，单次产量较小。 

发明内容

本发明提供了一种电爆炸制备纳米粉体材料的装置，适用于纳米金属粉体、纳米金属氧化物和纳米碳材料的合成。 

为实现上述目的，本发明的技术方案如下： 

一种电爆炸制备纳米粉体材料的装置，所述装置包括进气阀、排气阀、罐盖、电爆炸罐、绝缘耐高温尼龙块、固定销、电极棒、固定接头、电极夹头，以及外围设备真空泵、气体钢瓶或空气压缩机； 

其中，所述电爆炸罐上部设有可拆卸的罐盖，两者之间设有密封圈；在罐盖上设有进气阀和排气阀； 

两根电极棒分别通过绝缘耐高温尼龙块和固定销安装在电爆炸罐上，所述电极棒穿过电爆炸罐，一端位于电爆炸罐内部，另一端位于电爆炸罐外部；通过固定接头将电极夹头安装在电极棒的另一端； 

真空泵、空气压缩机可根据实际实验情况，通过排气阀与所述装置连接； 

其中，进气阀可以与气体钢瓶连接，为反应提供不同气氛； 

其中，优选所述电极夹头为两种，一种前端为尖端，利用尖端铜电极进行 尖端放电，产生高能冲击波；另一种前端带有安装槽，通过安装槽将导体片或导电丝安装在两个电极夹头之间； 

优选当电极夹头前端为尖端时，两电极夹头之间的距离可以依据具体实验条件在0～2mm调整； 

优选当采用所述装置进行导体片或导电丝电爆炸制备纳米粉体材料时，在两电极夹头之间施加的电压值为4～50KV； 

优选根据实验条件在电爆炸罐中加入氧气、氮气、氨气等作为保护和反应气体；