基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置及方法与流程

本发明涉及材料制备领域，特别涉及一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置及方法。

背景技术：

1、内嵌式复合粉体结构如图1所示，是指在某一相对较大粒径固相颗粒表面及内部相对均匀的嵌入其他一种或几种粒径相对较小固相颗粒的复合粉体。由于这类粉体不同组分颗粒接触更加充分，在特定条件下使其发生反应时产生的热量等能量更大，反应时间更短，在武器弹药、航空航天、冶金工业等领域具有广泛的应用潜力。目前内嵌式复合粉体制备主要采用气加速合成法，其基本原理是将不同组分的原材料按照预定配比投入高速气流，原材料在被高速气流裹挟运动中，通过能量交换不断加速，由于不同原材料在材质、密度以及尺寸方面的差异，会逐渐形成速度差，依靠这种差异实现原材料间的反复碰撞，最终形成目标产物。目标产物往往不是通过一次碰撞就可以形成，通常需要不同组分原材料在一定时间内反复循环碰撞。

2、目前气加速合成法对应的装置主要有两种，一种是单循环装置，其结构如图2所示，装置为循环结构，其中1是稳定段，用于控制超声速气流的能量；2是超声速喷管，用于将气流加速至超声速；3是加速段，用于颗粒加速；4是碰撞室，用于不同原材料碰撞反应；5是靶头，用于固相颗粒碰撞、6是生成物回收器，用于满足条件的生成物回收；7是循环管道，用于不满足要求的固相颗粒反复循环碰撞；8是气源，用于为装置气流流动提供动力。其基本工作原理是颗粒在气流的裹挟下，依次经过稳定段、喷管、加速段，在碰撞室与靶头发生碰撞后经过循环管道，满足要求的生成物被回收器回收，不满足要求的固相颗粒继续沿循环管道再次加速碰撞，直至满足要求。这类装置区别主要在于不同组分原材料进入高速气流的位置不同，或是全部原材料从喷管入口或出口一同进入，或是按照材料不同一部分从喷管入口进入，另一部分从喷管扩张段侧壁进入，但总的原则均是所有原材料速度与高速气流同向。其存在的问题是不同组分材料同向加速的速度差有限，难以达到实现内嵌式结构的要求，提升速度差的方法只能增加不同组分材料的密度差、粒径差，但对于目标产物一定时，几乎是无法实现的。

3、另外一种是双循环装置，其结构如图2所示，装置同样为循环结构，其可视为对称布置，其中1是稳定段，用于控制超声速气流的能量；2是超声速喷管，用于将气流加速至超声速；3是加速段，用于颗粒加速；4是碰撞室，用于不同原材料碰撞反应；5是生成物回收器，用于满足条件的生成物回收；6是循环管道，用于不满足要求的固相颗粒反复循环碰撞；7是气源，用于为装置气流流动提供动力。根据对称结构夹角φ不同衍生出不同类型装置，但其基本原理均为复合粉体原料分别从对称结构的稳定段、喷管某一位置进入气流，经过气流裹挟加速，在碰撞室完成碰撞，之后经过循环管道，满足要求的生成物被回收器回收，其余颗粒通过两侧循环管道重新回到碰撞室上游被气流加速，如此循环。其存在的问题是从两侧进入碰撞室的气流均为超声速气流，根据空气动力学理论可知，在气流发生碰撞前必然会产生强的激波，而高速颗粒经过激波后速度会急剧降低，以降低后的速度进行碰撞，其产生的能量可能无法满足实现内嵌式结构的要求。

4、现有技术无论是单循环装置还是双循环装置，其本质均为混合颗粒加速碰撞。对于单循环装置，由于不同组分颗粒混合加速，虽然颗粒绝对速度可能很高，但颗粒间相对速度较低；对于双循环装置，虽然来自于两侧的颗粒由于是相向运动，其碰撞前的速度差很大，但在发生碰撞前都要经过激波减速，粒径越小的颗粒经过激波后的速度衰减越多，由于两侧均为混合颗粒，就会出现两侧颗粒分别经过激波减速后，都是大颗粒保持了稍高的速度，小颗粒保持较低的速度，大小颗粒以这种速度差发生碰撞生成的复合粉体不一定能实现理想内嵌。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，针对上述不足之处提供一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置及方法，解决了现有技术中内嵌式复合粉体结构均为混合颗粒加速碰撞，不同粒径颗粒间的速度差难以满足复合粉体内嵌要求，不具备量产能力的问题。

2、本发明是通过下述方案来实现的：

3、一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，至少包括但不限于主循环管路、颗粒分级装置和下料管道；所述主循环管路中设置有粒子加速结构，所述颗粒分级装置与主循环管路连接，所述下料管路一端与颗粒分级装置的粗颗粒分离出口连接，另一端延伸到主循环管路的粒子碰撞部中。

4、基于上述一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，所述主循环管路包括稳定段、超声速喷管段、加速段、碰撞室、循环管道和气源；所述稳定段、超声速喷管段、加速段、碰撞室、循环管道依次连接成回路；所述气源设置在稳定段前侧壁上，所述颗粒分级装置与循环管道连接，所述颗粒分级装置包括多个出口端，其至少包括细颗粒出口和粗颗粒出口；所述粗颗粒出口与下料管道连接；所述细颗粒出口与循环管道连接；所述下料管道的出口端延伸到碰撞室中。

5、基于上述一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，所述主循环管路中还设置有生成物回收器，所述生成物回收器设置在循环管道中。

6、基于上述一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，所述颗粒分级装置设置有产物颗粒出口，所述产物颗粒出口与生成物回收器连接。

7、基于上述一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，所述下料管道的出口端靠近加速后粒子流的气流轴线设置；延伸到碰撞室的下料管道端部的外形为流线型，所述下料管道垂直于加速后粒子流的流线设置。

8、基于上述一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，在碰撞室中设置靶头，靶头设置在下料管道下游位置；且靶头通过cfd理论计算建立均匀流场时确定的；该位置为不会造成气流堵塞的位置。

9、基于上述一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，下料管道内壁面应光滑无台阶，且下料管道尽量采用垂直布置。

10、基于上述一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，下料管道从颗粒分级装置至出口的内型面设置为等直或渐缩，且管道位于颗粒分级装置的入口压力大于出口处压力。

11、本方案提供一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备方法，包括以下步骤：

12、步骤一：按照生成物中不同组分固相颗粒配比，称取预定量的原始固相颗粒；

13、步骤二：通过气源驱动，使主循环管路内形成超声速循环气流；

14、步骤三：将确定比例的固相颗粒通过辅助气流馈入稳定流场形成气固两相流，其中，小颗粒原料从稳定段、超声速喷管或加速段上游位置馈入，大颗粒可通过在大颗粒下料管道设置的馈料口馈入；

15、步骤四：小颗粒经稳定段、超声速喷管或加速段加速至超声速；大颗粒通过辅助气流经下料管道出口进入碰撞室；具有不同速度的大小颗粒在碰撞室发生碰撞，之后进入循环管道；

16、步骤五：混合颗粒在循环管道经过分级装置时按粒径分级，大颗粒进入大颗粒下料管道，其余颗粒继续在循环管道循环；

17、步骤六：当其余颗粒经过回收装置时，满足要求的混合颗粒被回收，剩余颗粒继续经循环管道再次进入稳定流场，完成循环反应；

18、步骤七：制备过程结束后，关闭气源，回收产物。

19、在步骤一中，所述原始固相颗粒为铝、镍、钨、铜、铁、锌、钛、钙、锌、锂、碳、硅、磷、硫的单质粉体或金属的氧化物、硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐、碳酸盐、氯化盐或其水合物中的一种或几种；

20、在步骤二中，所述气流介质是氮气、氩气、空气中的一种或几种。

21、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

22、1、本方案本设计的装置能够实现反应粉体材料按照粒径筛选分级，进而进入不同循环通道。能够有效地控制不同粒径粉体材料在气流场中的加速时间和距离，最终实现二者在碰撞室以较大的速度差完成碰撞，达成小粒径颗粒对大粒径颗粒的有效可控侵入内嵌。

23、2、本方案所设计的制备装置对制备原料类别无特别要求，均可实现有机材料和无机材料的加工反应制备材料。同时所装备的气体加热器可实现气流温度控制，最终控制反应室内的温度场，实现特定温度下的材料制备。此外，根据需要还可实现等离子材料的制备。

24、3、本方案所设计的制备装置能够以特定气氛形成超高速流场，形成保护性气氛，避免氧气对活性金属原料的氧化，同时控制产品的氧含量。同时以超声速气流作为机械能的传输介质，有效避免了球磨法中研磨球和研磨浆料的引入杂质的不足。

25、4、本方案所涉及的制备装置得到的产物粒径细小，分布均匀，形貌接近，杂质少，致密度高，分散性好，无明显团聚现象。不同原料组分完成侵入后，能够形成特殊的内嵌式复合粉体分级结构。内嵌复合结构有效地减少了不同组分间的接触距离，增强二者界面接触，提高接触面积，强化能质传递。

技术特征：

1.一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，其特征在于：至少包括但不限于主循环管路、颗粒分级装置和下料管道；所述主循环管路中设置有粒子加速结构，所述颗粒分级装置与主循环管路连接，所述下料管路一端与颗粒分级装置的粗颗粒分离出口连接，另一端延伸到主循环管路的粒子碰撞部中。

2.如权利要求1所述的一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，其特征在于：所述主循环管路包括稳定段、超声速喷管段、加速段、碰撞室、循环管道和气源；所述稳定段、超声速喷管段、加速段、碰撞室、循环管道依次连接成回路；所述气源设置在稳定段前侧壁上，所述颗粒分级装置与循环管道连接，所述颗粒分级装置包括多个出口端，其至少包括细颗粒出口和粗颗粒出口；所述粗颗粒出口与下料管道连接；所述细颗粒出口与循环管道连接；所述下料管道的出口端延伸到碰撞室中。

3.如权利要求2所述的一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，其特征在于：所述主循环管路中还设置有生成物回收器，所述生成物回收器设置在循环管道中。

4.如权利要求2所述的一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，其特征在于：所述颗粒分级装置设置有产物颗粒出口，所述产物颗粒出口与生成物回收器连接。

5.如权利要求1~4任一所述的一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，其特征在于：所述下料管道的出口端靠近加速后粒子流的气流轴线设置；延伸到碰撞室的下料管道端部的外形为流线型，所述下料管道垂直于加速后粒子流的流线设置。

6.如权利要求1~4任一所述的一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，其特征在于：在碰撞室中设置靶头，靶头设置在下料管道下游位置；且靶头通过cfd理论计算建立均匀流场时确定的；该位置为不会造成气流堵塞的位置。

7.如权利要求6所述的一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，其特征在于：下料管道内壁面应光滑无台阶，且下料管道尽量采用垂直布置。

8.如权利要求7所述的一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置，其特征在于：下料管道从颗粒分级装置至出口的内型面设置为等直或渐缩，且管道位于颗粒分级装置的入口压力大于出口处压力。

9.一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

10.如权利要求9所述的一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备方法，其特征在于：在步骤一中，所述原始固相颗粒为铝、镍、钨、铜、铁、锌、钛、钙、锌、锂、碳、硅、磷、硫的单质粉体或金属的氧化物、硫酸盐、硝酸盐、醋酸盐、碳酸盐、氯化盐或其水合物中的一种或几种；

技术总结
本发明公开了一种基于气加速合成法的内嵌式复合粉体材料制备装置及方法，属于材料制备领域，至少包括但不限于主循环管路、颗粒分级装置和下料管道；所述主循环管路中设置有粒子加速结构，所述颗粒分级装置与主循环管路连接，所述下料管路一端与颗粒分级装置的粗颗粒分离出口连接，另一端延伸到主循环管路的粒子碰撞部中；本方案本设计的装置能够实现反应粉体材料按照粒径筛选分级，进而进入不同循环通道。能够有效地控制不同粒径粉体材料在气流场中的加速时间和距离，最终实现二者在碰撞室以较大的速度差完成碰撞，达成小粒径颗粒对大粒径颗粒的有效可控侵入内嵌。

技术研发人员：王显圣,尹刚,杨洋,张林,刘刚,张凯,郑晓东,陈学孔,张悦,林俊,林学东,余鑫,兰毅,杨可朋,邓路军,景川,刘洋
受保护的技术使用者：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23