Способ получения нанодисперсных порошков и устройство для его реализации

Способ получения нанодисперсных порошков и устройство для его реализации

Реферат

Способ получения нанодисперсного порошка и устройство для его реализации. Изобретение относится к области нанотехнологий и наноматериалов и касается получения нанодисперсных порошков (НП).

Известен способ получения нанодисперсных порошков и устройство для его осуществления (патент RU на изобретение №2462332 C2, B22F 9/16, B82B 3/00, опубл. 27.09.2012, бюл. №18). Однако его недостатками являются низкая производительность, нестабильная работа вследствие налипания к внутренним стенкам предкамеры устройства конденсированных продуктов, быстрый нагрев корпуса и большие энергозатраты.

Указанный способ получения НП по своей технической сущности является наиболее близким к предлагаемому изобретению.

Перед изобретением была поставлена задача повышения производительности и обеспечения стабильной работы, снижение энергетических затрат.

Техническим результатом является повышение производительности, обеспечение стабильной работы, снижение энергетических затрат.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения нанодисперсного порошка оксида алюминия, включающем подачу в предкамеру порошкообразного алюминия и первичного активного газа, их смешивание, воспламенение металлогазовой смеси в предкамере с обеспечением перевода алюминия в газовую фазу за счет самоподдерживающейся экзотермической реакции, подачу образовавшейся смеси в основную камеру сгорания с дожиганием металла в газовой фазе при подаче вторичного активного газа - воздуха и образованием конденсированных продуктов сгорания, охлаждают стенки предкамеры и предотвращают налипание на них конденсированной фазы путем подачи в предкамеру химически нейтрального по отношению к алюминию газа, причем в качестве активного газа в предкамеру подают кислород, а в основную камеру сгорания для охлаждения подают дистиллированную воду, при этом полученные в основной камере сгорания конденсированные продукты сгорания совместно с дистиллированной водой подают в устройство отбора конденсированных продуктов сгорания, затем охлаждают образовавшуюся суспензию конденсированных продуктов сгорания (далее - суспензию) с выделением из нее нанодисперсного порошка оксида алюминия, причем часть суспензии конденсированных продуктов сгорания после дополнительного охлаждения возвращают в упомянутое устройство отбора.

На чертеже изображена блок-схема устройства для получения нанодисперсных порошков (далее - устройства). Сплошной стрелкой показано направление движения исходных продуктов, участвующих в образовании содержащей нанодисперсные порошки суспензии.

Устройство содержит узел подачи исходного порошкообразного металла 1, предкамеру 2, систему подачи кислорода 3, систему подачи аргона 4, основную камеру сгорания 5, узел подачи вторичного активного газа 6, устройство отбора 7, узел подачи дистиллированной воды 8, охладитель суспензии 9, емкость сбора суспензии 10, установку для выделения нанодисперсных порошков 11.

Устройство работает следующим образом.

Из узла подачи исходного порошкообразного металла 1 в предкамеру 2 под давлением подают порошкообразный металл алюминий и смешивают с кислородом, поступающим из системы подачи кислорода 3. Далее воспламеняют металлогазовую смесь и переводят алюминий в газовую фазу за счет самоподдерживающейся экзотермической реакции с выделением большого количества тепла и образованием газообразных продуктов сгорания (паров алюминия и субокислов Al₂O, AlO). Для снижения температуры в предкамере 2 и предотвращения налипания на ее внутренних стенках находящейся в жидком состоянии конденсированной фазы (расплавленных частиц алюминия, а также частиц конденсированного оксида Al₂O₃), в предкамеру 2 под давлением из системы подачи аргона 4 подают аргон. Струи аргона снижают температуру, удаляют продукты сгорания от стенок предкамеры 2, что обеспечивает стабильную работу устройства в целом. Меняя количество аргона, давление, с которым он подается, регулируют температуру в предкамере 2 и массовую долю конденсированной фазы, оседающей на ее внутреннюю поверхность. Таким образом, процесс в предкамере 2 происходит более стабильно и равномерно за счет того, что не происходит налипания оксида алюминия на ее стенки. Далее образовавшаяся смесь поступает в основную камеру сгорания 3, куда подают воздух из узла подачи вторичного активного газа 6.

В результате смешения образовавшейся смеси с воздухом и дожигания газообразный алюминий превращается в конденсированный оксид, в том числе в нанооксид алюминия. С целью снижения затрат на охлаждение и предотвращение разрушения устройства в основную камеру сгорания 5 подают не дорогой инертный газ, а более дешевую дистиллированную воду из узла подачи дистиллированной воды 8.

В устройстве отбора 7, в которое также подают дистиллированную воду из узла подачи дистиллированной воды 8, происходит выделение конденсированного оксида алюминия и образование суспензии, которая через охладитель суспензии 9 попадает в емкость сбора суспензии 10 и далее в установку для выделения нанодисперсных порошков 11.

Для экономии затрат часть суспензии возвращают в устройство отбора 7 для использования совместно с уменьшенным количеством дистиллированной воды.

Когда в качестве порошкообразного металла используют алюминий, а первичным активным газом является кислород, перевод частиц исходного порошкообразного металла в газовую фазу осуществляют при значении коэффициента избытка окислителя больше 0,30 и меньше 0,36 (0,30<α<0,36), а в качестве химически нейтрального по отношению к металлу газа применяют аргон, или гелий, или водород, при этом от расхода алюминия расход аргона составляет 25-50 мас. %, расход гелия 3-5 мас.%, расход водорода 1-2 мас.%.

В устройство отбора 7 возвращают до 90% суспензии конденсированных продуктов сгорания.

Предлагаемым способом, имея в предкамере 2 порошкообразный металл с размерами частиц 10-20 мкм, на выходе получают нанодисперсный порошок с размерами частиц порядка 100 нм (0,1 мкм) с улучшенными свойствами.

Устройство для получения нанодисперсного порошка характеризуется тем, что его используют для реализации указанного выше способа.

Устройство для получения нанодисперсного порошка оксида алюминия содержит предкамеру с узлом подачи порошкообразного алюминия и системой подачи первичного активного газа, выполненную с возможностью воспламенения металлогазовой смеси,

основную камеру сгорания, установленную после предкамеры и оснащенную узлом подачи вторичного активного газа - воздуха, устройство отбора конденсированных продуктов сгорания, при этом предкамера оснащена системой подачи химически нейтрального по отношению к алюминию газа для охлаждения ее стенок и предотвращения налипания на стенки конденсированной фазы, основная камера выполнена с возможностью подачи в нее охлаждающей дистиллированной воды, устройство отбора конденсированных продуктов сгорания выполнено с возможностью подачи в него дистиллированной воды для образования суспензии конденсированных продуктов сгорания и оснащено охладителем суспензии конденсированных продуктов сгорания с емкостью сбора охлажденной суспензии и узлом выделения нанодисперсного порошка алюминия из охлажденной суспензии.

Предлагаемые изобретения являются промышленно применимыми, обладают новизной и изобретательским уровнем.

1. Способ получения нанодисперсного порошка оксида алюминия, включающий подачу в предкамеру порошкообразного алюминия и первичного активного газа, их смешивание, воспламенение металлогазовой смеси в предкамере с обеспечением перевода алюминия в газовую фазу за счет самоподдерживающейся экзотермической реакции, подачу образовавшейся смеси в основную камеру сгорания с дожиганием металла в газовой фазе при подаче вторичного активного газа - воздуха и образованием конденсированных продуктов сгорания, отличающийся тем, что охлаждают стенки предкамеры и предотвращают налипание на них конденсированной фазы путем подачи в предкамеру химически нейтрального по отношению к алюминию газа, причем в качестве активного газа в предкамеру подают кислород, а в основную камеру сгорания для охлаждения подают дистиллированную воду, при этом полученные в основной камере сгорания конденсированные продукты сгорания совместно с дистиллированной водой подают в устройство отбора конденсированных продуктов сгорания, затем охлаждают образовавшуюся суспензию конденсированных продуктов сгорания с выделением из нее нанодисперсного порошка оксида алюминия, причем часть суспензии конденсированных продуктов сгорания после дополнительного охлаждения возвращают в упомянутое устройство отбора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перевод частиц порошкообразного алюминия в газовую фазу осуществляют при значении коэффициента избытка окислителя больше 0,30 и меньше 0,36.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве газа, химически нейтрального по отношению к алюминию, используют аргон, или гелий, или водород, при этом расход аргона составляет 25-50 мас.%, расход гелия 3-5 мас.%, а расход водорода 1-2 мас.% от расхода алюминия, соответственно.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в упомянутое устройство отбора возвращают до 90% суспензии конденсированных продуктов сгорания.

5. Устройство для получения нанодисперсного порошка оксида алюминия, содержащее предкамеру с узлом подачи порошкообразного алюминия и системой подачи первичного активного газа, выполненную с возможностью воспламенения металлогазовой смеси, основную камеру сгорания, установленную после предкамеры и оснащенную узлом подачи вторичного активного газа - воздуха, и устройство отбора конденсированных продуктов сгорания, отличающееся тем, что предкамера оснащена системой подачи химически нейтрального по отношению к алюминию газа для охлаждения ее стенок и предотвращения налипания на стенки конденсированной фазы, основная камера сгорания выполнена с возможностью подачи в нее охлаждающей дистиллированной воды, устройство отбора конденсированных продуктов сгорания выполнено с возможностью подачи в него дистиллированной воды для образования суспензии конденсированных продуктов сгорания и оснащено охладителем суспензии конденсированных продуктов сгорания с емкостью сбора охлажденной суспензии и узлом выделения нанодисперсного порошка оксида алюминия из охлажденной суспензии.