[发明专利]磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置和方法

权利要求书

1.一种磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置，其特征在于，该装置包括梯度磁场装置(1)、燃烧器(2)和产物收集装置(3)；所述梯度磁场装置(1)由面对面设置的两个磁场装置构成，燃烧器(2)位于两个磁场装置之间，燃烧器(2)的出口竖直向上，且位置处于梯度磁场装置(1)磁场中心下方；当使用环境为地面，目的为模拟微重力火焰时，燃烧器(2)的出口方向竖直向上，与梯度磁场装置(1)产生的梯度磁场方向相反，此时氧气受到竖直向上的磁场梯度力，使梯度磁场力与重力相抵消，产物收集装置(3)位于火焰下游收集合成目标产物；当使用环境为微重力环境，目的为模拟常重力火焰时，燃烧器(2)出口方向与磁场梯度方向相同，此时氧气受到与燃烧器(2)出口方向一致的磁场梯度力，使磁场梯度力等效为重力，在微重力环境下模拟常重力火焰合成。

2.根据权利要求1所述的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置，其特征在于，所述梯度磁场装置(1)为电磁铁或永磁铁或亥姆霍兹线圈，能够提供所要求强度的梯度磁场，梯度大小为20-40T²/m之间，其中，为梯度磁场在竖直方向z上的磁场梯度，T为磁场强度单位特斯拉，m为长度单位米。

3.根据权利要求1所述的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置，其特征在于，所述燃烧器(2)包括同轴燃烧器、McKenna平焰预混燃烧器、Hencken燃烧器或雾化喷嘴燃烧器。

4.根据权利要求3所述的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置，其特征在于，所述的同轴燃烧器内的中心为前驱物蒸汽(23)、前驱物蒸汽(23)的外周为燃料(22)、燃料(22)的外周为氧化剂(21)，氧化剂(21)、燃料(22)和前驱物蒸汽(23)在燃烧器出口合成火焰。

5.根据权利要求1所述的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置，其特征在于，所述产物收集装置(3)包括纤维过滤器或热泳收集装置，在火焰下游收集纳米颗粒产物。

6.根据权利要求1所述的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置，其特征在于，所述合成目标产物包括金属氧化物、非金属氧化物、碳纳米颗粒或纳米薄膜。

7.一种如权利要求1所述装置的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的方法，其特征在于，采用同轴燃烧器、McKenna平焰预混燃烧器、Hencken燃烧器或雾化喷嘴燃烧器，在所述燃烧器中通入目标纳米颗粒的前驱物蒸汽、燃料和氧化剂，在燃烧器出口处点燃燃料并调节各路气流量得到适合的火焰，将火焰置于所述梯度磁场装置(1)中，调节磁场梯度大小使火焰形成零-微重力火焰，通过产物收集装置(3)到目标产物-纳米颗粒，实现模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒。

8.根据权利要求7所述的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的方法，其特征在于，所述燃烧器出口处空气为顺磁性物质，在梯度方向竖直向上的磁场作用下，会受到竖直向上的磁体积力作用；沿竖直z方向，单位体积空气所受磁化力表示为：

上式中，F_m为单位体积空气所受磁化力，μ₀为真空磁导率，χ为空气的体积磁化率，为梯度磁场在竖直方向z上的磁场梯度。

9.根据权利要求8所述的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的方法，其特征在于，所述燃烧器出口处常重力下火焰内气体被加热密度减小而上升，这种作用为重力浮升作用，利用梯度磁场产生的磁场梯度，对火焰周围的空气产生竖直向上的磁力浮升作用，相当于对火焰内部气体产生了竖直向下的浮升作用，当梯度磁场对火焰内部的磁力浮升作用与重力浮升作用相互抵消时，就会形成零-微重力火焰。

10.一种如权利要求1所述的磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置的应用，其特征在于，所述磁场辅助模拟零-微重力火焰合成纳米颗粒的装置使用环境用于微重力环境的轨卫星，月球表面。