[发明专利]一种用于制备纳米材料的微波等离子体反应装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于制备纳米材料的微波等离子体反应装置，属于微波应用技术领域。

背景技术

作为21世纪人类三大关键科技之一，材料技术是各领域孕育新科技、新产品的“摇篮”，而纳米技术的出现则开创了材料科学研究的新时代。当物质粒子达到纳米尺度，大约是在0.1~100纳米这个尺寸范围，其表面的电子结构和晶体结构将发生变化，产生表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应和界面效应等。这种既具不同于原子、分子，也不同于宏观物质的特殊性能粒子构成的材料，即为纳米材料。纳米材料在结构、光、电、磁性能和化学性质等方面表出优异特性，如熔点降低、体积减小、强烈的化学活性和催化活性等，因而在各个领域都有着广阔的应用前景。例如，光学方面：利用金属超微颗粒对光的反射率很低（通常可低于l%）的特性制作光热、光电转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外这一特性还可应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

要生成纳米材料有许多方法，这些方法决定了纳米材料颗粒的大小、形状、纯度等，从而直接影响其性能。过去常用化学方法来合成纳米材料，其主要缺陷是缺乏普适性，几乎对于每一种产品都需要一个特定的生产流程，使得方法的推广遇到了困难。近些年来，利用等离子体生成纳米材料的方法逐渐兴起。等离子体具有能量集中、温度高且温度梯度大、活性高等特点，这为制备纳米材料提供了理想的条件。同时等离子体设备操作方便，反应过程可控，使得其在大规模工业化生制备纳米粉末的应用中展示出广阔前景。目前，用来制备纳米粉末的等离子体法主要有直流电弧等离子体法、射频等离子体法、介质阻挡放电法和微波等离子体法。其中又以微波等离子体法最具有工业应用前景，原因是微波等离子体法具有以下优点：属于无极放电，消除了电极污染，使得纳米材料的纯度更高；具有更高的电离度、离解度和电子温度，能产生更多激发态的活性物质，生成纳米材料的效率更高；可以在更宽的气压范围内获得，尤其是能在高气压下维持等离子体，可能产生大体积的等离子体，便于工业应用；更安全，微波等离子体发生器和高压源是相互隔离的，微波泄漏相对容易控制和防护；此外，微波的产生、传输、控制技术已十分成熟，为微波的应用提供了有利条件。

目前能够用于制备纳米材料的微波等离子体发生装置还很少见，尤其是能够在常温常压下工作且便于工业应用的装置还没有推广开来。

发明内容

本发明的目的是提出一种用于制备纳米材料的微波等离子体反应装置，在常压下能够持续长时间工作，便于工业上的大规模推广应用。

本发明提出的用于制备纳米材料的微波等离子体反应装置，包括等离子体激发装置、矩形波导、反应器和收集器，所述的等离子体激发装置置于矩形波导的一侧，所述的反应器置于矩形波导的另一侧，反应器与矩形波导通过等离子体出口相连通，所述的收集器置于反应器下部，反应器与收集器相连通；所述的等离子体激发装置由外壳、工作气体通道、冷却水通道、外调节柱和内调节柱组成，所述的外壳固定在矩形波导上，所述的工作气体通道、冷却水通道、内调节柱和外调节柱同轴安装于外壳的中央，工作气体通道、冷却水通道、内调节柱和外调节柱的下端部伸入矩形波导中，工作气体通道、冷却水通道和内调节柱的下端部伸出外调节柱后，与所述的等离子体出口相互贴近，所述的冷却水通道与冷却水入口和冷却水出口相连；所述的矩形波导中由前向后依次安装有前密封片、后密封片和短路活塞，前密封片和后密封片分别安装在等离子体激发装置的两侧；所述的反应器中安装有两个气流旋转片，两个气流旋转片相互偏心安装在反应器内，两个气流旋转片的上、下端分别固定在反应器的上、下壳体上，反应器的下部设有反应器气体进出口，反应器底部通过管道与所述的收集器相连。

本发明提出的用于制备纳米材料的微波等离子体反应装置，其优点是：能够在常温常压下利用微波等离子体进行纳米材料的制备；反应器具有封闭的气体环境，制备纳米材料之前，可先将反应器抽真空，并用惰性气体反复冲洗，使得反应生成的纳米材料具有很高的纯净度；为等离子体激发装置设计了水循环冷却系统，能够使激发装置长时间工作而不会因温度过高而发生损坏；反应器内设计了气流旋转片，能够在反应器内生成旋转气流，使生成的纳米材料不致造成大量堆积，导致反应不能持续进行。整套装置能够在常温常压下持续工作，生产高纯度、高质量的纳米材料，具有很好的工业应用前景。

附图说明

图1是本发明提供的用于制备纳米材料的微波等离子体发生装置的结构示意图。

图2是图1的局部放大图。

图3是图1的A－A剖视图。