可燃?xì)怛?qū)動(dòng)多相爆轟制備碳化物納米材料的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備碳化物納米材料的裝置及方法，特別是一種可燃?xì)怛?qū)動(dòng)多相前驅(qū)體爆轟制備碳化物納米材料的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]過渡族金屬碳化物(TMCs)是由碳和金屬所形成的“間充性合金”，一類具有很高的熔點(diǎn)、硬度、極高的熱穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性、在室溫下幾乎能耐各種化學(xué)腐蝕等特點(diǎn)的物質(zhì)，還具有與其母體金屬相類似的電、磁性質(zhì)，正是這些性質(zhì)使得它們被廣泛應(yīng)用于各種耐高溫、耐摩擦和耐化學(xué)腐蝕等領(lǐng)域，同時(shí)被廣泛應(yīng)用于礦物開采、機(jī)械切削、石油餾分、高溫部件以及核反應(yīng)堆等領(lǐng)域。此外，還有些具有特殊的光、電、磁、超導(dǎo)、熱學(xué)、催化等性能，是一類極富潛力的非氧化物高溫結(jié)構(gòu)材料、電子材料和催化新材料。
[0003]過渡族金屬一般具有較大的原子半徑，可以容納小原子半徑的碳原子，形成過渡族金屬碳化物，如過渡金屬碳化物，常見的且應(yīng)用廣泛的碳化物主要有碳化鐵、碳化鈷、碳化鎳、碳化鈦、碳化鋯、碳化鎢、碳化錳、碳化釩、碳化鈮、碳化鉭、碳化鉻、碳化鉬及碳化鉿等。
[0004]截至目前，過渡族金屬碳化物(TMCs)的合成方法主要有直接碳化法、化學(xué)氣相沉積法、高溫自蔓延合成法、燃燒法、球磨法、微波法、高溫反應(yīng)釜法等；其中，化學(xué)方法的產(chǎn)率很高，但得到的納米粉體純度不高，或成本高，制備時(shí)間長；物理方法產(chǎn)物純度高，但納米粉體顆粒分布尺度較寬，同樣成本高、制備時(shí)間較長?？傮w上而言，其制備通常需要較高的反應(yīng)溫度和較長的反應(yīng)時(shí)間，而且制得產(chǎn)物顆粒尺寸較大，一般在微米范圍，形貌和尺寸難以調(diào)控，這種情況嚴(yán)重阻礙了過渡族金屬碳化物的廣泛應(yīng)用。
[0005]目前可燃?xì)怏w驅(qū)動(dòng)多相前驅(qū)體爆轟制備碳化物納米材料，在國內(nèi)外研究中實(shí)驗(yàn)裝置和制備方法尚未見詳細(xì)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是要提供一種目標(biāo)產(chǎn)物的生產(chǎn)效率高，成本低廉，綠色無污染的可燃?xì)怛?qū)動(dòng)多相爆轟制備碳化物納米材料的裝置及方法。
[0007]本發(fā)明的目的通過以下所述的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):制備碳化物納米材料的裝置由爆轟激發(fā)裝置、前驅(qū)體混合裝置、爆轟波傳播裝置、輔助測(cè)試裝置和環(huán)保處理裝置五部分組成。
[0008]所述的前驅(qū)體混合裝置包括空氣壓縮機(jī)、高壓氣儲(chǔ)存器、過濾器、電磁閥、U型儲(chǔ)液管、霧化噴頭和氣體壓力控制器；空氣壓縮機(jī)、高壓氣儲(chǔ)存器、過濾器和電磁閥順序連接，在電磁閥輸出端有多路恒壓支路中，在恒壓支路上連接有U型儲(chǔ)液管以及安裝在爆轟管主體的管壁上的霧化噴頭；氣體壓力控制器與電磁閥的控制端連接，在氣體壓力控制器和電磁閥之間有氣壓表。
[0009]所述的爆轟激發(fā)裝置包括高能點(diǎn)火器、放電頻率調(diào)節(jié)器B和電源；所述的電源為交流或者直流電路；交流電經(jīng)整流后儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電容器中，電壓由電壓調(diào)節(jié)旋鈕控制，通過放電頻率調(diào)節(jié)器控制輸出至高能點(diǎn)火器釋放；所述的高能點(diǎn)火器為半導(dǎo)體電極，連接在爆轟管主體的一端；所述的放電頻率調(diào)節(jié)包括:固態(tài)繼電器和三極管；并由三極管調(diào)節(jié)控制固態(tài)繼電器輸出，構(gòu)成調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)或者防爆起爆器。
[0010]所述爆轟波傳播裝置包括:爆轟管主體、高溫液壓油及冷水循環(huán)夾層結(jié)構(gòu)、多通道控制閥、高溫液壓油機(jī)、冷水循環(huán)機(jī)和高溫液壓油及冷卻水循環(huán)進(jìn)出口 ；所述的爆轟管主體為耐高壓不銹鋼無縫圓管；在爆轟管主體外有高溫液壓油及冷水循環(huán)夾層結(jié)構(gòu)，有內(nèi)襯管和外套管，內(nèi)襯管位于外套管內(nèi)，在外套上有進(jìn)液管口和高溫液壓油及冷卻水循環(huán)進(jìn)出口 ；耐高壓不銹鋼無縫圓管有起爆段和實(shí)驗(yàn)段，內(nèi)壁拋光，整體強(qiáng)化密封連接，節(jié)間為高頸鍛件法蘭連接；高溫液壓油機(jī)和冷水循環(huán)機(jī)均通過多通道控制閥與高溫液壓油及冷卻水循環(huán)進(jìn)出口相連。
[0011]所述輔助測(cè)試裝置包括:壓力傳感器、溫度傳感器、壓力、溫度顯示控制單元和爆轟波速度測(cè)試光纖傳感器；壓力傳感器、溫度傳感器和爆轟波速度測(cè)試光纖傳感器均連接在爆轟管主體的管壁上，壓力傳感器、溫度傳感器和爆轟波速度測(cè)試光纖傳感器的輸出信號(hào)通過信號(hào)傳輸線分別與壓力、溫度顯示控制單元的輸入端連接；所述的爆轟波速度測(cè)試光纖傳感器有兩對(duì)，分別固定于管壁上；所述的壓力傳感器和溫度傳感器，間隔15-20cm距離分別固定于管壁上；壓力、溫度顯示控制單元為數(shù)控電子信號(hào)顯示；對(duì)爆轟過程參數(shù)壓力、溫度、爆速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
[0012]所述環(huán)保處理裝置為尾氣處理裝置，該尾氣處理裝置安裝在爆轟管主體的另一端，對(duì)尾氣進(jìn)行化學(xué)吸收凈化環(huán)保處理，針對(duì)不同前驅(qū)體爆轟后產(chǎn)生的尾氣進(jìn)行化學(xué)吸收凈化環(huán)保處理，有處理氯氣采用的氨水溶液，處理二氧化碳采用的氫氧化鈣溶液。
[0013]制備碳化物納米材料的方法:首先將爆轟管中可燃?xì)怏w加熱至100?180°C溫度；然后通過前驅(qū)體混合裝置調(diào)整氣體輸入量、液體或者混合物的配比；開啟輔助測(cè)試裝置對(duì)爆轟反應(yīng)溫度、壓力、爆轟參數(shù)準(zhǔn)備實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；接通電源后通過爆轟激發(fā)裝置引爆可燃?xì)怏w，所述的電源是通過電池組單元串并聯(lián)接入直流電路或者通過小型電源轉(zhuǎn)換器接入交流電路，與此同步開啟電磁閥對(duì)液相混合物或者液固混合相前驅(qū)體使之在爆轟管內(nèi)進(jìn)行霧化并反應(yīng)；爆轟反應(yīng)五分鐘后，開啟尾氣處理閥門，凈化尾氣；最后收集管內(nèi)產(chǎn)物。
[0014]有益效果，由于采用了上述方案，利用可燃?xì)怛?qū)動(dòng)前驅(qū)體多相爆轟化學(xué)快速反應(yīng)提供了生成游離原子或分子的環(huán)境，在高壓、高溫和快速反應(yīng)等環(huán)境中發(fā)生成核、結(jié)晶、相變和聚集等一系列變化，由于采用了價(jià)廉的前驅(qū)體原材料、制備裝置設(shè)計(jì)合理、工藝控制過程簡單及巧妙處理多種尾氣，最終可以實(shí)現(xiàn)高效、控制開發(fā)多品種、高質(zhì)量、易于規(guī)模化生產(chǎn)途徑的過渡族金屬碳化物(TMCs)納米材料將為國民經(jīng)濟(jì)許多行業(yè)帶來新的發(fā)展機(jī)遇和契機(jī)。
[0015]實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)效率高，成本低廉，綠色無污染，達(dá)到了本發(fā)明的目的。
[0016]控制裝置可實(shí)現(xiàn)高效的、同步控制氣液、氣液固多相混合，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)爆轟的特點(diǎn)。
[0017]可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力、溫度、爆速特征。
[0018]該裝置及制備方法的優(yōu)點(diǎn):結(jié)構(gòu)優(yōu)化，功能性強(qiáng)，操作簡單，控制方便，成本低廉，反應(yīng)迅速，產(chǎn)率較高?！靖綀D說明】:
[0019]圖1為本發(fā)明的可燃?xì)怏w驅(qū)動(dòng)多相爆轟化學(xué)反應(yīng)裝置示意圖；
[0020]圖2為五個(gè)裝置之間的連接關(guān)系及工作流程圖；
[0021]圖3為本發(fā)明制備碳化鐵納米材料的TEM圖譜；
[0022]圖4為本發(fā)明制備碳化鐵納米材料的XRD圖譜。
[0023]圖中:1、爆轟管主體；2、高能點(diǎn)火裝置；3、氣體壓力控制器；4、霧化噴頭；5、壓力傳感器；6、溫度傳感器；7、U形儲(chǔ)液管；8、電磁閥；9、過濾器；10、高壓氣儲(chǔ)存器；11、壓力、溫度顯示控制單元；12、高溫液壓油及冷水循環(huán)夾層結(jié)構(gòu)；13、空氣壓縮機(jī)；14、多通道控制閥；15、高溫液壓油機(jī)；16、冷水循環(huán)機(jī)；17、爆轟波速度測(cè)試光纖傳感器；18、尾氣處理裝置。
【具體實(shí)施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的說明:
[0025]如圖1所示，制備碳化物納米材料的裝置由爆轟激發(fā)裝置、前驅(qū)體混合裝置、爆轟波傳播裝置、輔助測(cè)試裝置和環(huán)保處理裝置五部分組成。
[0026]所述的前驅(qū)體混合裝置包括空氣壓縮機(jī)13、高壓氣儲(chǔ)存器10、過濾器9、電磁閥8、U型儲(chǔ)液管7、霧化噴頭4和氣體壓力控制器3 ;空氣壓縮機(jī)13、高壓氣儲(chǔ)存器10、過濾器9和電磁閥8順序連接，在電磁閥8輸出端有多路恒壓支路中，在恒壓支路上連接有U型儲(chǔ)液管7以及安裝在爆轟管主體2的管壁上的霧化噴頭4 ;氣體壓力控制器3與電磁閥8的控制端連接，在氣體壓力控制器3和電磁閥8之間有氣壓表C。
[0027]通過空氣壓縮機(jī)將工作氣體壓縮成高壓氣體，存放在高壓氣體儲(chǔ)存器中，然后經(jīng)過濾器，同步控制電磁閥釋放高壓氣體將U型儲(chǔ)液管中的液體或者混合物經(jīng)過安裝在爆轟管主體2的管壁上的霧化噴頭將其瞬態(tài)霧化，用于氣、液混合及高壓霧化混合物，以利于反應(yīng)組分充分爆轟反應(yīng)；采用空壓機(jī)將一定配比的氣體充入管體內(nèi)，達(dá)到一定壓力，關(guān)閉氣閥；液態(tài)燃料混合后存儲(chǔ)在U型管路中，將噴霧裝置沿管壁在管體壁面均勻分布、對(duì)稱開孔，其優(yōu)點(diǎn):霧滴主要集中在噴孔周圍，均勻狀態(tài)保持在管內(nèi)；打開電磁閥，在氣流壓力作用下壓入噴霧裝置進(jìn)行霧化，經(jīng)噴頭二次霧化進(jìn)入管體。
[0028]所述的爆轟激發(fā)裝置包括高能點(diǎn)火器2、放電頻率調(diào)節(jié)器B和電源；所述的電源為交流或者直流電路；交流電經(jīng)整流后儲(chǔ)存在儲(chǔ)能電容器中，電壓由電壓調(diào)節(jié)旋鈕控制，通過放電頻率調(diào)節(jié)器控制輸出至高能點(diǎn)火器釋放；所述的高能點(diǎn)火器為半導(dǎo)體電極，連接在爆轟管主體的