[实用新型]一种用来制备纳米硅粉的电弧放电装置

说明书

技术领域

本实用新型属于等离子技术领域，具体涉及一种将需要制备纳米颗粒的原材料作为电极原材料，通过控制电极原材料的间距达到控制火花放电过程来制备纳米颗粒的可控火花放电制备纳米颗粒的装置。

背景技术

纳米颗粒，尤其是半导体纳米颗粒，例如硅纳米颗粒，在电子、光电子、太阳能和生物医学领域具有非常广泛的应用。例如，硅纳米颗粒作为锂电池的阳极材料，每个硅原子可以存储多达4.4个锂原子，使存储能力达到4200mAHg-1理论值，远高于目前的石墨阳极的存储能力370mAHg-1。 再如，基于硅纳米颗粒的印刷电子墨水，已经逐渐改变半导体器件、太阳能器件、光、电、磁及各种生物医疗传感器器件的制备工艺，由传统的复杂和昂贵的真空工艺和设备，向新型的简单和低廉的印刷工艺和设备转移。

目前，常用的制备纳米颗粒，尤其是硅纳米颗粒的方法有几种：化学方法，如化学气相沉积法、激光或等离子体辅助化学气相沉积法、溶胶凝胶法等；物理方法，如研磨、球磨法，电火花法，等离子体喷射法等。

激光或等离子体辅助化学气相沉积法是利用激光或等离子体分解含硅的气体分子，硅原子进而再结合成纳米颗粒。该方法可达到0.2克/小时的产能，远小于大规模生产的要求。

另一种常用化学合成方法为溶胶凝胶法。其特点是成本低、产量较高，但是很难去除合成过程中的各种化学成分的交叉污染。

常用的火花放电法制备纳米颗粒的装置，不能控制电极原材料之间的间距，从而导致无法控制火花放电过程，使得制备的纳米颗粒尺寸不均匀，制备的颗粒大部分为微米量级尺寸，实际纳米颗粒产能不高。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种将需要制备纳米颗粒的原材料作为电极原材料，通过控制电极原材料的间距达到控制火花放电过程来制备纳米颗粒的可控火花放电制备纳米颗粒的装置，可以提高纳米颗粒产能和纳米颗粒尺寸分布的均匀性。

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：

一种可控火花放电制备纳米颗粒的装置，其特征在于，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，另一端由阀门连通有颗粒收集器，还包括置于腔体中的第一电极、第二电极以及与第一电极、第二电极导通的电源；所述第一电极连接有使第一电极旋转的旋转马达，所述第二电极连接有使第二电极前后移动的步进马达。

作为优化，所述第一电极为所需制备的纳米材料的块材，形状为圆柱体。

作为优化，所述第二电极为所需制备的纳米材料的块材，其靠近第一电极的一面为凹形的圆柱面。

作为优化，所述第一电极的圆柱体面与第二电极的凹形圆柱面的间距为0.8~1.2mm。

作为优化，所述电源为脉冲电源，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。用于火花放电的脉冲电源可以是a）旋转脉冲电源发生器（Rotary Impulse Generator）、b）弛豫电源发生器（Relaxation Generator）、c）脉冲电源发生器（Pulse Generator）和d）杂化电源发生器（Hybird Generator）中的任何一种，产生电压施加于电极原材料之上，使之产生火花放电。

作为补充优化，所述颗粒收集器内设有分离纳米颗粒的过滤布，所述颗粒收集器后端还连接有辅助引入流动气体的真空泵。

工作原理：

所述的第一电极原材料为所需制备之纳米材料的块材，其形状为圆柱体，并在所连接马达驱动下作旋转运动。所述的第二电极原材料也为所需制备之纳米材料的块材，其形状特征在于其一面含有凹形圆柱面，与第一电极圆柱体面相对保持一致间距。这样第一、二电极在脉冲电源施加的电压下产生火花放电，使电极原材料熔化、气化，喷射至介电气体或液体中冷却形成纳米颗粒。由于第一、二电极间具有相对较大的面积，且第一电极不停旋转，使其圆柱体面均能参与火花放电过程，使制备的纳米颗粒的产能提高。又由于第二电极原材料连接于作线性运动的步进马达，可以用来改变、控制第一、二电极间距，使得火花放电过程的电压、电流稳定，产生的纳米颗粒的尺寸分布均匀。可以利用火花放电过程的电压、电流作为反馈，通过可编程逻辑控制器（PLC）编程来动态控制第一、二电极间距。也可以在每一次火花放电之后，通过步进电机移动第二电极，使之与第一电极接触短路，之后再移动第二电极后退之所设定的电极间距，进行下一个火花放电。

所述的腔体的一端，连通进介电材料的管道。介电材料为液体或者气体。