[发明专利]一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统

说明书

本发明公开了一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，在高温常压微波等离子体炬产生系统中，通过引燃控制电极靠近中空导体输出端，在大功率微波作用下出现尖端击穿，通过中心导体输出的携带前驱材料的载气流，在大功率微波作用下产生尖端放电，形成稳定的高温常压等离子体炬。前驱材料经高温常压微波等离子炬裂解为活化粒子束流，为材料生长合成提供所需活化粒子。在材料生长及控制系统中，金属环与引燃控制电极在外部可调直流电源的控制下，在材料生长区域形成可调的静电场分布，活化粒子束流在可调的静电场作用下改变其运动状态，从而控制活化粒子束流中的正负离子、电子或粒子的运动速度或成分比例，实现材料生长过程的可控，解决了生长控制力弱的问题。

技术领域

本发明属于微波等离子体与材料合成技术领域，更为具体地讲，涉及一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，即一项利用高温常压微波等离子体炬合成新材料的技术。

背景技术

新型材料研制一直是前沿科学的研究热点。以零维、一维、二维纳米材料为代表的新结构材料，以其优异的机械、电、热性能成为人们追逐的目标，是下一代信息系统、储能系统以及涂层材料不可或缺的基础，在高速、低能耗、大规模元器件和新型传感器方面有着极具魅力的应用前景。同时在太阳能、蓄电池等方面的优异表现，使得高效清洁能源、长续航电动系统成为可能。

高性能的三维材料在硬度、导热的方面的优异表现是高速转动系统结构中迫切需要的传动接触面材料，在航空、航天发动机轴承、叶片方面的应用将大幅度提升其性能，延长使用寿命。

目前新型材料的制备仍然以化学方法为主。例如常用的CVD(Chemical VapourDeposition，化学气相沉淀)法就是以化学活化真空沉积技术为基础的材料制备方法。此外，还有高温常压溅射沉积、直流真空等离子体等制备方法。无论上述那种技术，在新型材料制备方面均存在一定问题。例如在石墨烯制备方面，大多数方法只能制备微米级粉末单晶石墨烯，大片、低缺陷石墨烯极难合成，限制了其应用水平和范围。某些材料由于其分子键能较大，裂解极其困难，目前常规方法很难得到活化粒子，难以作为新型材料的前驱体。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，以解决材料合成中前驱体裂解活化困难、生长控制能力弱、能效低的问题，实现利用不同形态、不同种类前驱体进行快速新型材料的合成。

为实现上述发明目的，本发明基于高温常压微波等离子体的材料合成系统，其特征在于，包括高温常压微波等离子体炬产生系统、材料生长及控制系统；

其中，高温常压微波等离子体炬产生系统又包括大功率微波源及输入耦合传输系统和等离子体炬产生头，等离子体炬产生头由一段中空导体以及一引燃控制电极组成，中空导体一端(输入端)输入前驱体载气，另一端(输出端)输出前驱体载气，引燃控制电极位于中空导体输出端，并能够移动；

大功率微波源及输入耦合传输系统中，大功率微波源将其输出的大功率微波输入耦合至等离子体炬产生头中空导体输出端处；材料合成系统启动时，离子体炬产生头的引燃控制电极靠近等离子体炬产生头的中空导体输出端，在大功率微波作用下出现尖端击穿，尖端击穿后引燃控制电极抽离，置于材料生长区域，通过中心导体输出的前驱体载气，在尖端放电作用和大功率微波激励下通过雪崩效应形成稳定的高温常压等离子体炬；

其中，材料生长及控制系统又包括密封系统和材料生长控制系统，等离子体炬产生头的中空导体输出端插入到密封系统中，引燃控制电极也置于密封系统中；材料生长控制系统由一金属环、一外部可调直流电源以及等离子体炬产生头的引燃控制电极组成；