[发明专利]一种超声速气流碰撞气固反应合成陶瓷材料的方法

说明书

本发明公开一种超声速气流碰撞气固反应合成陶瓷材料的方法，包括如下步骤：将气体在气流加速装置中加速至超声速，使气体汇聚成气流束；在所述气流加速装置的一端导入金属颗粒，另一端设置靶头，使靶头的中心线和气流束中心线重合；将所述金属颗粒在气流加速装置中发生碰撞，碰撞后高能金属颗粒与气流中气体分子发生气固反应，金属颗粒在气流加速装置中持续循环运行10‑30min，反应结束后得陶瓷材料。本发明利用超声速气流的加速作用可使机械能馈入密度达到100W/g以上，反应速率较机械研磨固相反应提高了10倍以上，在高效、快速合成新材料领域具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于材料制备技术领域，尤其涉及一种超声速气流碰撞气固反应合成陶瓷材料的方法。

背景技术

低热固相反应合成技术是近年来快速发展的材料制备新技术，其本质特征在于室温或低温下的能量传递，即通过机械化学研磨等方式，向粉末反应剂体系中引入机械能，并使之转变为反应体系的化学能，从而实现室温下的固相合成。低热固相反应合成过程不同于传统的材料制备工艺，不需要高温，不使用溶剂，合成周期短、产率高、工艺流程简便实用，是近年来绿色合成领域中的一个重要分支，对于降低能耗、绿色生产的具有重要意义。

在基于球磨原理的低热固相反应合成装置中，实现室温固相反应合成所需的最佳能量密度为3-10W/g。基于此，近年来，国际上先后发展起来了以球磨、研磨为代表的低热固相反应合成装备，但这类传统的通过球磨、研磨产生机械力诱发化学反应的装备，有效馈入能量小于总能耗的5％，制备周期一般大于300min，能源利用率极低。

本发明的研究人员发现，利用超声速气流加速和碰撞技术可以向粉末反应体系中高效率地馈入机械能，能量利用率较之以磨球作为能量传递介质有显著提高，能够实现陶瓷材料的低热固相合成。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种超声速气流碰撞气固反应合成陶瓷材料的方法。该方法以气固两相流碰撞实现能量传递，代替传统的球磨研磨工艺中以磨球作为能量传递介质，是一种崭新的材料合成路线，能量利用率大幅度提高，材料合成周期大幅度缩短。

一种超声速气流碰撞气固反应合成陶瓷材料的方法，包括如下步骤：

1)将气体在气流加速装置中加速至超声速，并调整所述气流加速装置，使气体汇聚成气流束；

2)在所述气流加速装置的一端导入金属颗粒，另一端设置靶头，使靶头的中心线和气流束中心线重合；

3)所述金属颗粒被气流束输送至靶头，金属颗粒与靶头发生第一次碰撞，碰撞后金属颗粒表面能和内能升高，生成高能金属颗粒，生成的部分高能金属颗粒与气流束中的气体分子发生气固反应；反应结束后已反应的金属颗粒和未反应的金属颗粒共同被气流束输送至气流加速装置的加料端发生第二次碰撞，剩余未反应金属颗粒表面能和内能继续升高，生成高能金属颗粒，然后生成的高能金属颗粒与气流束中的气体分子发生气固反应。

4)粒径为10-400μm的金属颗粒在气流加速装置中将步骤3)的过程持续循环运行10-30min，反应结束，得陶瓷材料。

进一步，所述超声速是指速度超过音速3倍的传播速度。

进一步，所述的金属颗粒为钛粉、硅粉和铝粉中的一种或多种。

进一步，所述气流束是直径为2-5mm的气流束。

进一步，所述金属颗粒的粒径为10-400μm。

进一步，步骤2)中，金属颗粒的导入速度为1-10kg/h。

进一步，所述靶头为圆柱形实心结构，所述靶头的材质为金属材料、陶瓷材料或金刚石涂层材料。

进一步，步骤4)中，反应结束后，用旋风分离装置收集得到陶瓷材料。