[实用新型]一种用来制备纳米硅粉的电弧放电-等离子体复合装置

说明书

技术领域

本实用新型属于等离子技术领域，具体涉及一种用来制备纳米硅粉的电弧放电-等离子体复合装置。

背景技术

现有的纳米硅制备方法可归结为两类方法：第一类方法是裂解小分子形成纳米硅粒子（Bottom Up）。通常以硅烷（SiH₄）为原料借用高功率激光或等离子体的能量进行脱氢，将Si-H键断裂生成Si-Si键、硅核(Si_X)、以至硅粒子。这类方法的通病是脱氢不完全、原材料转化率低、产率低。由于不完全脱氢，产品常包含有危害性的气体，比如未反应的原料气体（SiH₄）、反应中间体多聚硅烷、以及脱氢反应的副产物氢气(H₂)。这些易燃易爆气体严重影响安全生产。第二类方法是将硅块进行机械粉碎球磨成纳米粒子（Top Down）。这种方法产出的粒子形状不规则、大小分布不均匀。另外，机械球磨法生产纳米级粒子的时间长产率低。不适宜工业化规模生产。  

现有的方法均是制得纳米级别的硅粉，纳米硅比表面积大，极易发生氧化等反应，不易保存。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种用来制备纳米硅粉的电弧放电-等离子体复合装置，可以直接采用高纯度半导体（9N级晶硅）或太阳能级（6N级晶硅）铸锭的硅棒，采用电弧放电、高温等离子体气化、活化处理、接枝反应等步骤得到一种核壳结构硅纳米复合材料，成品转化率和纯度较高，使用本装置制备方法简单易行，适合规模化生产。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种用来制备纳米硅粉的电弧放电-等离子体复合装置，其特征在于，包括电弧放电装置和等离子体发生器，所述电弧放电装置和等离子体发生器通过管道和阀门连接。

进一步的，所述电弧放电装置包括容纳火花放电的腔体，所述腔体一端连通供介电材料进入的管道，腔体另一端连通有第一收集腔，还包括置于腔体中的第一电极、第二电极以及与第一电极、第二电极导通的脉冲电源；所述第二电极连接有使第二电极旋转的旋转马达，所述第一电极连接有使第一电极前后移动的步进马达。

所述脉冲电源其产生电压施加于第一电极和第二电极上使之产生火花放电；所述脉冲电源为旋转脉冲电源发生器（Rotary Impulse Generator）、弛豫电源发生器（Relaxation Generator）、脉冲电源发生器（Pulse Generator）和杂化电源发生器（Hybird Generator）中的任何一种。

进一步的，所述等离子体发生器包括中空的腔体，所述腔体上端设有供硅粉料进入的投料口和保护气氛通入的风帘；所述腔体内部分为上、中、下三部分，上半部分为燃烧室，中间部分为接枝反应腔，下半部分为沉淀腔；所述燃烧室内装有石英管，石英管外围绕有放电线圈，所述放电线圈外接有电源；石英管内为等离子弧；所述石英管上端连接投料口和风帘进气端；等离子弧下端设在接枝反应腔内，接枝反应腔内壁设有从外部通入活性气体和接枝反应气体的进气管道，所述活性气体进气管道的喷嘴朝向等离子弧下端。 

进一步的，所述第一电极为所需制备的纳米材料的块材，其靠近第二电极的一面为凹形的圆柱面；所述第二电极为圆柱体面；所述第二电极的圆柱体面与第一电极的凹形圆柱面的间距为0.8~1.2mm。

进一步的，所述投料口上端与第一收集腔的出口用管道连接，所述管道上设有第一阀门。

进一步的，所述等离子体发生器的腔体外壁上设有冷却装置，所述冷却装置为装有冷却水的管道。

进一步的，所述接枝反应气体的进气管道设在活性气体进气管道的下方。

进一步的，所述沉淀腔下端出口连接有第二收集腔，所述第二收集腔内设有筛网，用于收集制备好的纳米硅粉。

实用新型优点：

本实用新型所述用来制备纳米硅粉的电弧放电-等离子体复合装置，具有如下优点：

可以直接采用高纯度半导体（9N级晶硅）或太阳能级（6N级晶硅）铸锭的硅棒，采用电弧放电、高温等离子体气化、活化处理、接枝反应等步骤得到一种核壳结构硅纳米复合材料，成品转化率和纯度较高，使用本装置制备方法简单易行，适合规模化生产。

附图说明

图1为本实用新型所述用来制备纳米硅粉的电弧放电-等离子体复合装置的结构示意图；