[发明专利]在激光热解作用下以连续流的方式生产纳米或亚微米粉末的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种在激光热解作用下以连续流方式生产纳米或 亚微米粉末的系统和方法。

背景技术

在通过粉末冶金加工制造的高密度材料领域，对于机械和热机 械应用，断裂强度、硬度、磨耗强度的特性随着减小粉末颗粒的尺 寸趋向于改善。当该尺寸达到纳米范围(1至100纳米)，所述特性 可以有很强的变化，并且可以观察到好的流动(fluage，蠕变)性能， 在ZrO₂、SiC、纳米混合物Si₃N₄/SiC和C_u情况下的可能的超塑性 (当多晶材料可以承受超过100％的拉力变形而没有表现收缩，称 多晶材料具有超塑性)。利用挤压性能，能够考虑，例如，在避免 机械加工步骤情况下的陶瓷的热成型。但是，因为粉末的特殊特性 (反应性，团聚性…)，它们的可用性和价格，使用纳米粉末的材 料的制造方法还没有很好的掌握。关于无氧纳米粉末，自燃效应可 以被证明是危险的并且使得表面屏蔽层的形成成为必要。因此，期 望通过有机或者无机的屏蔽材料包覆颗粒。

在用于处理流体的催化领域中，在获得粉末表面的活性相的良 好分散的条件下，掺杂金属(用于催化作用)的纳米氧化物粉末能 够获得具有增加的催化活性的保护镀层。

在化妆品领域，配方中的TiO₂粉末或者ZnO粉末的使用能够 在紫外线方面增强保护。光色纳米粉末的使用同样地允许新的有色 产品的产生。

在平面显示器装置领域，使用纳米粉末能够实现可调节波长的 强发光保护镀层。(掺杂ZnO或者ZnS的P，Si)。

在能量储存领域，用于制造锂电池电极的复合氧化物纳米粉末 的使用能够增大能量储存的容量。

因此，在这些不同的领域中，纳米(5-100纳米)或者亚微米 (100-500纳米)粉末的使用使特性能够得到显著改善。

存在这样的粉末的多种合成方法，尤其流式激光热解方法。该 方法基于CO₂功率激光的发射和由气体、液体的气溶胶形式、或者 两者的混合物组成的反应物流之间的相互作用，以便粉末的化学组 成可以是多成分的。在激光束中反应物的通过速度能够控制粉末的 尺寸。反应物流吸收激光束的能量，其导致反应物分子的分解，然 后通过同质的晶核化和在火焰中的生长，导致微粒的形成。微粒的 生长由淬火效应阻止。该方法是一个能灵活应用的方法，能够以高 产率合成不同的碳化物，氧化物，氮化物的纳米粉末。该方法同样 适用于诸如Si/C/N或者Si/C/B混合粉末的合成。

参考文献[1]在说明书结尾处描述了通过沿着激光束的长轴延 长反应物喷射器截面(section)，由流式激光热解，用于大量合成这 样的粉末的装置。该装置包括带有窗户的反应室以引入激光束，和 喷射器的细长开口。在该装置中，通过棱镜的径向聚焦引起在焦点 处功率密度的增大，但是也引起生产率的减小，因为喷射器截面应 该相对于非聚焦的情况被减小。该装置不考虑功率密度参数，该功 率密度参数是影响粉末的结构、组成、颗粒尺寸以及产量的关键参 数。该装置不能够保证需要使用大功率密度的大尺寸粉末的生产。 因此，生产率的推断不利于对粉末特性的可能的调节。并且喷射器 截面不能非常显著地沿激光束的轴线延长。因此，随着反应物流被 激光穿入，能量逐渐被吸收直到剩余能量不足。热解反应是界限效 应的反应，存在某一时刻，在该时刻，每平方厘米入射的能量对于 引起合成反应来说太弱。此外，当反应物流被穿过时被吸收的能量 的量的减小自然地引起同一批形成的粉末的结构、尺寸和成分的变 化，尤其因为入射的激光能量很高。

参考文献[2]在说明书结尾处描述了研磨颗粒(例如纳米颗粒) 的生产方法。该文献公开了在相互作用区激光器发射的光束和反应 物流之间的相互作用。但是这些方法不能在一个大范围的功率密度 下实现高的生产率。

本发明的一个目的在于通过基于流式激光热解原理大量合成 纳米或者亚微米粉末，能够低成本地以连续流的方式每小时生产 500克这样的粉末，从而消除这些缺点。

发明内容