采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝的制作方法
【專利摘要】采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，包括以下步驟：將塊體高純金屬置入熔爐中，熔融后，將與熔爐連接的導(dǎo)液管加熱；將反應(yīng)室抽真空至2～10MPa，充入冷卻空氣，并向置于反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)器夾層中通入冷卻水；開啟反應(yīng)器的電弧等離子氣化系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)氣化電流至10～2000A，電壓5～400V；向金屬熔體中通入惰性氣體，以導(dǎo)液管引流，進(jìn)行氣化反應(yīng)，形成金屬射流；金屬射流在電弧等離子體的作用下被氣化形成原子團(tuán)簇，與氧氣反應(yīng)形成納米氧化物顆粒，冷風(fēng)負(fù)壓下冷凝，隨冷風(fēng)氣流進(jìn)入到收粉室，即得到納米金屬氧化物粉。本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單、不需要等離子體源、產(chǎn)率高，所制備的納米金屬氧化物粉不易團(tuán)聚、純度高，易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。
【專利說明】
采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種納米材料的制備工藝，具體的說是一種用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]專利公開號(hào)為CN1381304、名稱為“直流電弧等離子體制備微米和納米級(jí)粉體材料的裝置和方法”的中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)、公開了利用等離子體熱源直接將氧化物原料進(jìn)行物理氣化沉積制備微納米Sb203、Si02等粉體。專利公開號(hào)為CN102515233、名稱為“一種利用熱等離子體制備氧化鋁的方法及其產(chǎn)品”的中國(guó)發(fā)明專利，申請(qǐng)、公開了利用熱等離子體源對(duì)鋁粉進(jìn)行氣化反應(yīng)制備微納米氧化鋁粉體。這兩種方法均利用外加等離子體熱源的方式，對(duì)物料進(jìn)行氣化，然后經(jīng)過沉積，制備成微納米氧化物粉體，其缺點(diǎn)是所制備的粉體粒徑分布比較寬，大至微米級(jí)，小至納米級(jí)，而且產(chǎn)率低。
[0003]納米In2O3屬于體心立方鐵錳礦結(jié)構(gòu)，是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料(Eg=3.7eV)，以本體或摻雜體的形式被廣泛應(yīng)用于平板顯示器，太陽(yáng)能電池，功能性玻璃等。納米SnO2是一種η型半導(dǎo)體材料，具有金紅石晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)良的阻燃導(dǎo)電性、穩(wěn)定的化學(xué)性能、高光催化活性、良好的耐候性、耐腐蝕性，被廣泛應(yīng)用于光電材料領(lǐng)域。已知的，納米SnO2以及納米In2O3的制備方法主要為化學(xué)濕法，包括共沉淀法、微乳液法、溶膠凝膠法以及水熱合成法等?；瘜W(xué)濕法制備納米I112O3以及納米Sn02的主要缺點(diǎn)是制備工藝復(fù)雜，所制備的納米顆粒容易團(tuán)聚，需要二次提純，環(huán)境污染嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明目的是為解決上述技術(shù)問題的不足，提供一種用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，該工藝具有簡(jiǎn)單、不需要等離子體源、產(chǎn)率高，所制備的納米金屬氧化物顆粒具有不易團(tuán)聚、純度高等特點(diǎn)，而且很容易實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，包括以下步驟:
步驟一、將塊體高純金屬置入熔爐中，在300?600°C下熔融，保溫至塊體高純金屬完全熔化，使得到金屬熔體;對(duì)與熔爐連接的導(dǎo)液管進(jìn)行電磁加熱，將導(dǎo)液管加熱至400?650°C，維持該溫度；
步驟二、將反應(yīng)室抽真空至2?lOMPa，充入10?20°C的冷卻空氣，并向置于反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)器夾層中通入冷卻水；
步驟三、開啟反應(yīng)器的電弧等離子氣化系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)氣化電流至10?2000A，電壓5?400V；
步驟四、向步驟一熔爐內(nèi)的金屬熔體中通入惰性氣體，以導(dǎo)液管引流，通入反應(yīng)器中，進(jìn)行氣化反應(yīng)，形成金屬射流；
步驟五、金屬射流在電弧等離子體的作用下被氣化形成原子團(tuán)簇，與氧氣反應(yīng)形成納米氧化物顆粒，在冷風(fēng)負(fù)壓的作用下冷凝，隨冷風(fēng)氣流進(jìn)入到收粉室當(dāng)中，即得到納米金屬氧化物粉。
[0006]所述惰性氣體優(yōu)選為氬氣、氦氣或氖氣。
[0007]所述高純金屬有限為錫或銦。
[0008]步驟一中所述保溫至塊體高純金屬完全熔化，保溫時(shí)間優(yōu)選為lh。
[0009]作為本發(fā)明的優(yōu)選技術(shù)方案，本發(fā)明采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，應(yīng)用于制備納米Sn02或納米I112O3中。
[0010]有益效果是:
1、本發(fā)明工藝簡(jiǎn)單，制造成本低、產(chǎn)率高;與其它的等離子體法制備納米氧化物粉體相比，本發(fā)明不需要外加等離子體源。與濕法制粉相比，該工藝不需要對(duì)制備的粉體進(jìn)行提純、熱處理等后續(xù)處理。所用原料為塊體錠，而不是粉體或者前驅(qū)體，降低了制造成本。本發(fā)明所制備的納米SnO2以及納米In2O3產(chǎn)率可達(dá)15kg/h，可規(guī)?；a(chǎn)。
[0011]2、本發(fā)明所制備的納米金屬粉，結(jié)晶完整、分散性好、形貌均勻、純度高;其中所制備的納米SnO2和納米In2O3納米SnO2以及納米In2O3高度氧化，結(jié)晶非常完整，粉體的粒度范圍在10?50nm，顆粒分散性較好，形貌均勻，純度高;本發(fā)明所用原料為4N以上的高純金屬錠，制備過程中，引入的雜質(zhì)非常少，不需要后續(xù)的提純工藝，所制備的粉體純度在99.99%以上。
[0012]3、本發(fā)明通過對(duì)金屬導(dǎo)液管進(jìn)行電磁加熱，確保等離子氣化反應(yīng)的連續(xù)性、穩(wěn)定性;通過陽(yáng)極原料自耗，直接對(duì)原料進(jìn)行氣化，可使反應(yīng)器中的蒸氣在短時(shí)間達(dá)到飽和;通過對(duì)反應(yīng)器夾層中充入冷卻水，對(duì)反應(yīng)器外壁進(jìn)行循環(huán)水急冷，可使整個(gè)反應(yīng)器內(nèi)部形成較大的溫度梯度，利于結(jié)晶，抑制晶粒長(zhǎng)大。反應(yīng)室抽真空至2?lOMPa，有利于納米顆粒的收集和冷卻;反應(yīng)室中10?20°C的冷卻空氣有利于使反應(yīng)器維持穩(wěn)定的溫度差。
【附圖說明】
[0013]圖1是實(shí)施例1中納米SnO2粒子的透射電鏡照片；
圖2是實(shí)施例1中納米SnO2粒子的XRD圖譜；
圖3是施例2中納米In2O3粒子的透射電鏡照片；
圖4是實(shí)施例2中納米In2O3粒子的XRD圖譜。
【具體實(shí)施方式】
[0014]以下通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0015]實(shí)施例1
一種直流等離子體法制備納米SnO2粉末的方法，步驟如下:
取塊體的金屬錫錠(純度>99.99%)，投入到熔化爐當(dāng)中，加熱熔化至600 0C，并保溫Ih。連接導(dǎo)液管，并對(duì)導(dǎo)液管進(jìn)行電磁加熱，加熱至650°C，并進(jìn)行保溫。
[0016]將反應(yīng)室抽真空至10—2MPa,充入10?20°C的冷卻空氣，并向反應(yīng)器夾層中通入冷卻水。開啟電弧等離子氣化系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)反應(yīng)器氣化電流至10?2000A，電壓5?400V。向熔錫爐中通入氬氣，形成穩(wěn)定的熔體射流，開始?xì)饣磻?yīng)。錫液在反應(yīng)中高溫等離子體的作用下氣化與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)，形成原子團(tuán)簇，并聚集成SnO2納米粒子，隨冷風(fēng)沉降至收集室中。
[0017]實(shí)施例1合成的納米SnO2粒子的透射電鏡照片如圖1所示，所制備的納米SnO2結(jié)晶完整、形貌均勾。
[0018]實(shí)施例1合成的納米Sn02粒子的XRD圖譜如圖2所示，顯示所制備的納米Sn02為單相
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[0019]實(shí)施例2
一種直流等離子體法制備納米In2O3粉末的方法，步驟如下:
取塊體的金屬銦錠(純度>99.99%)，投入到熔化爐當(dāng)中，加熱熔化至300°C，并保溫lh。連接導(dǎo)液管，并對(duì)導(dǎo)液管進(jìn)行電磁加熱，加熱至400°C，并進(jìn)行保溫。
[0020]將反應(yīng)室抽真空至10—2MPa,充入10?20°C的冷卻空氣，并向反應(yīng)器夾層中通入冷卻水。開啟電弧等離子氣化系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)反應(yīng)器氣化電流至10?2000A，電壓5?400V。向熔銦爐中通入氬氣，形成穩(wěn)定的熔體射流，開始?xì)饣磻?yīng)。銦液在反應(yīng)中高溫等離子體的作用下氣化與空氣中的O2發(fā)生反應(yīng)，形成原子團(tuán)簇，并聚集成In2O3納米粒子，隨冷風(fēng)沉降至收集室中。
[0021]實(shí)施例2合成的納米In2O3粒子的透射電鏡照片如圖3所示，所制備的納米In2O3結(jié)晶完整、形貌均勾。
[0022]實(shí)施例2合成的納米Ιη2θ3粒子的XRD圖譜如圖4所示，顯示所制備的納米Ιη2θ3為單相態(tài)。
[0023]實(shí)施例3
采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，包括以下步驟:
步驟一、將塊體高純金屬銦置入熔爐中，在600°C下熔融，保溫lh，使得到金屬熔體;對(duì)與熔爐連接的導(dǎo)液管進(jìn)行電磁加熱，將導(dǎo)液管加熱至650°C，維持該溫度；
步驟二、將反應(yīng)室抽真空至lOMPa，充入20°C的冷卻空氣，并向置于反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)器夾層中通入冷卻水；
步驟三、開啟反應(yīng)器的電弧等離子氣化系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)氣化電流至2000A，電壓400V;步驟四、向步驟一熔爐內(nèi)的金屬熔體中通入惰性氣體，以導(dǎo)液管引流，通入反應(yīng)器中，進(jìn)行氣化反應(yīng)，形成金屬射流；
步驟五、金屬射流在電弧等離子體的作用下被氣化形成原子團(tuán)簇，與氧氣反應(yīng)形成納米氧化物顆粒，在冷風(fēng)負(fù)壓的作用下冷凝，隨冷風(fēng)氣流進(jìn)入到收粉室當(dāng)中，即得到納米In2O3粉。
[0024]實(shí)施例4
采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，包括以下步驟:
步驟一、將塊體高純金屬錫置入熔爐中，在500°C下熔融，保溫至塊體高純金屬完全熔化，使得到金屬熔體;對(duì)與熔爐連接的導(dǎo)液管進(jìn)行電磁加熱，將導(dǎo)液管加熱至550°C，維持該溫度；
步驟二、將反應(yīng)室抽真空至8MPa，充入15 °C的冷卻空氣，并向置于反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)器夾層中通入冷卻水；
步驟三、開啟反應(yīng)器的電弧等離子氣化系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)氣化電流至1000A，電壓200V; 步驟四、向步驟一熔爐內(nèi)的金屬熔體中通入惰性氣體，以導(dǎo)液管引流，通入反應(yīng)器中，進(jìn)行氣化反應(yīng)，形成金屬射流；
步驟五、金屬射流在電弧等離子體的作用下被氣化形成原子團(tuán)簇，與氧氣反應(yīng)形成納米氧化物顆粒，在冷風(fēng)負(fù)壓的作用下冷凝，隨冷風(fēng)氣流進(jìn)入到收粉室當(dāng)中，即得到納米SnO2粉。
[0025]實(shí)施例5
采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，包括以下步驟:
步驟一、將塊體高純金屬錫置入熔爐中，在300°C下熔融，保溫至塊體高純金屬完全熔化，使得到金屬熔體;對(duì)與熔爐連接的導(dǎo)液管進(jìn)行電磁加熱，將導(dǎo)液管加熱至400°C，維持該溫度；
步驟二、將反應(yīng)室抽真空至2MPa，充入10 °C的冷卻空氣，并向置于反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)器夾層中通入冷卻水；
步驟三、開啟反應(yīng)器的電弧等離子氣化系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)氣化電流至10A，電壓5V;
步驟四、向步驟一熔爐內(nèi)的金屬熔體中通入惰性氣體，以導(dǎo)液管引流，通入反應(yīng)器中，進(jìn)行氣化反應(yīng)，形成金屬射流；
步驟五、金屬射流在電弧等離子體的作用下被氣化形成原子團(tuán)簇，與氧氣反應(yīng)形成納米氧化物顆粒，在冷風(fēng)負(fù)壓的作用下冷凝，隨冷風(fēng)氣流進(jìn)入到收粉室當(dāng)中，即得到納米SnO2粉。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一、將塊體高純金屬置入熔爐中，在300?600°C下熔融，保溫至塊體高純金屬完全熔化，使得到金屬熔體;對(duì)與熔爐連接的導(dǎo)液管進(jìn)行電磁加熱，將導(dǎo)液管加熱至400?650°C，維持該溫度； 步驟二、將反應(yīng)室抽真空至2?lOMPa，充入10?20 °C的冷卻空氣，并向置于反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)器夾層中通入冷卻水； 步驟三、開啟反應(yīng)器的電弧等離子氣化系統(tǒng)電源，調(diào)節(jié)氣化電流至10?2000A，電壓5?400V； 步驟四、向步驟一熔爐內(nèi)的金屬熔體中通入惰性氣體，以導(dǎo)液管引流，通入反應(yīng)器中，進(jìn)行氣化反應(yīng)，形成金屬射流； 步驟五、金屬射流在電弧等離子體的作用下被氣化形成原子團(tuán)簇，與氧氣反應(yīng)形成納米氧化物顆粒，在冷風(fēng)負(fù)壓的作用下冷凝，隨冷風(fēng)氣流進(jìn)入到收粉室，即得到納米金屬氧化物粉。2.如權(quán)利要求1所述采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，其特征在于:所述惰性氣體為氬氣、氦氣或氖氣。3.如權(quán)利要求1所述采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，其特征在于:所述金屬為錫或銦。4.如權(quán)利要求1所述采用直流等離子體法制備納米金屬氧化物粉的工藝，其特征在于:步驟一中所述保溫至塊體高純金屬完全熔化，保溫時(shí)間lh。
【文檔編號(hào)】C01G15/00GK106044849SQ201610400648
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年6月8日
【發(fā)明人】謝斌, 劉冠鵬, 李龍騰, 王政紅
【申請(qǐng)人】中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所