一種納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置及制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置及制備方法，所述電爆炸裝置包括電爆炸室、電路系統(tǒng)、馬達(dá)傳動(dòng)裝置、收集裝置、氬氣瓶、氬氣循環(huán)泵、高壓極板，所述馬達(dá)傳動(dòng)裝置、高壓極板相對(duì)設(shè)置于電爆炸室內(nèi)，電路系統(tǒng)安裝在電爆炸室外部，電路系統(tǒng)與高壓極板電連接，氬氣瓶經(jīng)供氣管道與電爆炸室連接，電爆炸室的下部位于高壓極板正下方處設(shè)有豎直管道，豎直管道下方設(shè)有收集裝置，豎直管道的一側(cè)設(shè)有氬氣循環(huán)泵，氬氣循環(huán)泵的入氣口與豎直管道連通，氬氣循環(huán)泵的出氣口經(jīng)氬氣循環(huán)管道與供氣管道相連。本發(fā)明的電爆炸裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用廣泛，能制備多種納米金屬粉末和這些金屬的合金，并且產(chǎn)品純度高。
【專利說(shuō)明】一種納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置及制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬粉末的制備領(lǐng)域，特別涉及一種納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置及制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]鎂/鋁粉具有耗氧量低、燃燒焓搞、密度高的優(yōu)點(diǎn)，在固體推進(jìn)劑中可以添加較高的鎂/鋁粉含量，對(duì)提高比沖的作用相當(dāng)顯著，再加上鎂/鋁粉原材料豐富，成本也較低，使鎂/鋁粉成為固體火箭推進(jìn)劑及火炸藥最為適合的金屬添加劑。
[0003]目前在固體推進(jìn)劑和炸藥中加入的鎂/鋁粉直徑在30μ m左右。微米級(jí)鎂/鋁粉顆粒在推進(jìn)劑燃燒表面上往往經(jīng)歷一個(gè)先熔化再燃燒的過(guò)程，鎂/鋁粉在燃面熔融后容易突破表面氧化鎂/鋁殼層而互相熔聯(lián)形成凝滴，并凝結(jié)成大的“集塊”，其尺寸可達(dá)50?200μπι，需要10?100ms才能燒完，從而導(dǎo)致推進(jìn)劑燃燒速率低，延長(zhǎng)了燃燒時(shí)間。此外，由于微米鎂/鋁粉燃燒釋放出的大部分熱量位于遠(yuǎn)離推進(jìn)劑表面處，對(duì)推進(jìn)劑的熱反饋小，通常金屬燃燒對(duì)推進(jìn)劑本身燃速?zèng)]有影響；同時(shí)，有可能存在燃燒不完全、特征信號(hào)過(guò)強(qiáng)、噴管的兩相流損失和形成羽煙狀的氣體排出等缺陷。因此，使用納米尺寸鎂/鋁粉取代微米鎂/鋁粉應(yīng)用于固體火箭推進(jìn)劑中以克服這些缺陷具有重要應(yīng)用價(jià)值。目前這種高端技術(shù)被俄羅斯、美國(guó)等少數(shù)國(guó)家壟斷，進(jìn)口該設(shè)備市場(chǎng)價(jià)格高達(dá)100萬(wàn)美元，每公斤鋁粉銷售價(jià)格15萬(wàn)人民幣。但是這些進(jìn)口設(shè)備都存在制備效率底，浪費(fèi)嚴(yán)重，鋁粉收集困難等缺陷。
[0004]納米鎂/鋁粉是含能材料的一種新型金屬燃燒劑，由于其具有普通鎂/鋁粉不具備的特性，近年來(lái)倍受關(guān)注。納米鎂/鋁粉可顯著提高推進(jìn)劑的燃燒速率、比沖，降低其特征信號(hào)等；納米鎂/鋁粉可獨(dú)立作為燃燒劑使用，如俄羅斯暴風(fēng)雪魚(yú)雷使用鎂/鋁粉推進(jìn)齊U，可使魚(yú)雷在水中的航速達(dá)到數(shù)百節(jié)。然而活性喪失的納米鎂/鋁粉在含能材料中反而起到相反的作用，因此系統(tǒng)地研究納米鎂/鋁粉的活性及其活性保持機(jī)制顯得尤為重要和迫切。
[0005]目前納米鎂/鋁粉的制備方法很多，分物理方法和化學(xué)方法兩類；包括蒸發(fā)冷凝法，物理粉碎法，機(jī)械合金化法，濺射法，固體相變法，超聲膨脹法，電爆炸絲法，電弧法，化學(xué)氣相法，水熱合成法，蒸發(fā)法，溶膠凝膠法，模板法等等。總的來(lái)說(shuō)，化學(xué)方法的產(chǎn)率很高，但得到的納米鎂/鋁粉純度不高，成本高，制備時(shí)間較長(zhǎng)；某些物理方法，比如激光燒蝕，直流電弧放電等，得到的納米鎂/鋁粉純度很高，但同樣成本高，生產(chǎn)時(shí)間較長(zhǎng)。
[0006]電爆炸法制備超細(xì)金屬及其合金粒子的方法最早是由俄羅斯發(fā)明并首先采用，此后美國(guó)、日本、韓國(guó)等相繼進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)業(yè)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。它是一種物理制備金屬超細(xì)粒子的新方法，利用導(dǎo)體的電爆炸方法控制生產(chǎn)高彌散超細(xì)金屬、合金、類金屬和化學(xué)化合物粒子，適合規(guī)?；a(chǎn)。其特點(diǎn)是能量轉(zhuǎn)化率高、工藝參數(shù)可調(diào)、適用性廣，是一種高產(chǎn)量的制備方法，用電爆炸技術(shù)可獲得較高質(zhì)量的金屬納米粉末。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置及其制備方法。
[0008]本發(fā)明解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是:一種納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置，包括電爆炸室、電路系統(tǒng)、馬達(dá)傳動(dòng)裝置、收集裝置、氬氣瓶、氬氣循環(huán)泵、高壓極板，所述馬達(dá)傳動(dòng)裝置、高壓極板相對(duì)設(shè)置于電爆炸室內(nèi)，馬達(dá)傳動(dòng)裝置將需爆炸的材料輸送至高壓極板上，所述電路系統(tǒng)安裝在電爆炸室外部，電路系統(tǒng)與高壓極板電連接，所述氬氣瓶經(jīng)供氣管道與電爆炸室連接，所述電爆炸室的下部位于高壓極板正下方處設(shè)有豎直管道，豎直管道下方設(shè)有收集裝置，豎直管道的一側(cè)設(shè)有氬氣循環(huán)泵，氬氣循環(huán)泵的入氣口與豎直管道連通，氬氣循環(huán)泵的出氣口經(jīng)氬氣循環(huán)管道與供氣管道相連。
[0009]上述納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置中，所述電路系統(tǒng)包括電源、二極管、球隙和儲(chǔ)能電容，所述電源的輸出端與二極管的負(fù)極相連，二極管的正極經(jīng)球隙與高壓極板相連，所述儲(chǔ)能電容的一端連接在二極管的負(fù)極與球隙之間，另一端接地。
[0010]上述納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置中，所述馬達(dá)傳動(dòng)裝置包括馬達(dá)、卷筒、鋁絲和鋁絲導(dǎo)槽，所述馬達(dá)的輸出軸與卷筒固接，帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，所述卷筒卷繞有鋁絲，鋁絲的出絲端穿過(guò)鋁絲導(dǎo)槽與高壓極板相接觸。
[0011]上述納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置中，所述氬氣循環(huán)管道上設(shè)有冷卻系統(tǒng)。
[0012]一種納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，包括以下步驟:
1)往電爆炸室中放入金屬絲，將金屬絲卷繞在卷筒上，金屬絲的出絲端穿過(guò)鋁絲導(dǎo)槽伸向高壓極板；
2)打開(kāi)氬氣瓶上的閥門(mén)，往電爆炸室中充入氬氣作為保護(hù)氣體，當(dāng)電爆炸室內(nèi)氣壓達(dá)到1.3MPa時(shí)，停止輸氣；
3)啟動(dòng)電路系統(tǒng)的電源，儲(chǔ)能電容開(kāi)始充電，調(diào)節(jié)球隙的大小使得高壓極板上的電壓達(dá)到擊穿電壓；
4)開(kāi)啟馬達(dá)傳動(dòng)裝置，在馬達(dá)的作用下將金屬絲送到高壓極板，金屬絲充分爆炸生成納米粉末；
5 )啟動(dòng)氬氣循環(huán)泵，氬氣在電爆炸室-豎直管道-氬氣循環(huán)管道-供氣管道循環(huán)流通，在氬氣氣流的作用下金屬納米粉末經(jīng)豎直管道落入收集裝置中。
[0013]上述納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，所述步驟1)中，金屬絲為鎂絲或鋁絲。
[0014]上述納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，所述步驟4)中，金屬絲上的電流密度為105A/cm2 ?1010A/cm2。
[0015]上述納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，所述步驟4)中，爆炸生成的納米粉末的粒徑為30?140 nm。
[0016]上述納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，所述步驟4)中，金屬絲送往高壓極板的速度與金屬絲的爆炸燃燒速率一致。
[0017]本發(fā)明的有益效果在于:
1、本發(fā)明的電爆炸裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、應(yīng)用廣泛，利用電爆炸裝置能制備Al/Mg等多種納米金屬粉末和這些金屬的合金，生產(chǎn)能力強(qiáng)，產(chǎn)品純度高，完全可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)； 2、本發(fā)明通過(guò)在密封氬氣氛圍中提供大功率脈沖電流使鎂/鋁絲瞬間爆炸生成納米粉末，保證了納米鎂/鋁粉末的純度，并保證了納米粉末的活性，制備方法工藝簡(jiǎn)單、成本低，適合大規(guī)模生產(chǎn)，解決了現(xiàn)有的其它方法得到的納米鎂/鋁粉末純度不高、成本高、制備時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明電爆炸裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為制備納米鋁粉的過(guò)程中鋁絲的狀態(tài)變化示意圖。
[0020]圖中:101、電源，102、二極管，103、儲(chǔ)能電容，104、球隙，105、氬氣循環(huán)泵，106、電爆炸室，107、高壓極板，108、鋁絲導(dǎo)槽，109、卷筒，110、馬達(dá)，111、收集裝置，112、冷卻系統(tǒng)，113、氣壓表，114、氬氣瓶，201、冷卻腔體，202、鋁絲，203、鋁蒸汽，204、納米鋁粉。

【具體實(shí)施方式】
[0021]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0022]如圖1所示，圖1是電爆炸絲法制備納米鎂/鋁粉過(guò)程示意圖。
[0023]電爆炸絲法產(chǎn)生納米鎂/鋁粉的基本原理是將大功率脈沖電流通過(guò)鎂/鋁絲，利用鎂/鋁絲的電阻熱儲(chǔ)能使鎂/鋁絲內(nèi)部的純鎂/鋁在幾μ s或更短時(shí)間內(nèi)熔化、氣化、沖破鎂/鋁絲外皮的氧化物，形成鎂/鋁蒸氣或進(jìn)一步形成等離子體與周圍氣體發(fā)生碰撞，最后冷凝形成納米鎂/鋁粉。
[0024]如圖2所示，本電爆炸裝置包括電爆炸室106、電路系統(tǒng)、馬達(dá)傳動(dòng)裝置、收集裝置111、氬氣瓶114、氬氣循環(huán)泵105、高壓極板107，所述馬達(dá)傳動(dòng)裝置、高壓極板107相對(duì)設(shè)置于電爆炸室106內(nèi)，馬達(dá)傳動(dòng)裝置將需爆炸的材料輸送至高壓極板107上，所述電路系統(tǒng)安裝在電爆炸室106外部，電路系統(tǒng)與高壓極板107電連接，所述氬氣瓶114經(jīng)供氣管道與電爆炸室106連接，供氣管道上設(shè)有氣壓表113，所述電爆炸室106的下部位于高壓極板107正下方處設(shè)有豎直管道，豎直管道下方設(shè)有收集裝置111，豎直管道的一側(cè)設(shè)有氬氣循環(huán)泵105，氬氣循環(huán)泵105的入氣口與豎直管道連通，氬氣循環(huán)泵105的出氣口經(jīng)氬氣循環(huán)管道與供氣管道相連，所述氬氣循環(huán)管道上設(shè)有冷卻系統(tǒng)112。
[0025]所述電路系統(tǒng)包括電源101、二極管102、球隙104和儲(chǔ)能電容103，所述電源101的輸出端與二極管102的負(fù)極相連，二極管102的正極經(jīng)球隙104與高壓極板107相連，所述儲(chǔ)能電容103的一端連接在二極管102的負(fù)極與球隙104之間，另一端接地。
[0026]所述馬達(dá)傳動(dòng)裝置包括馬達(dá)110、卷筒109、鋁絲和鋁絲導(dǎo)槽108，所述馬達(dá)110的輸出軸與卷筒109固接，帶動(dòng)卷筒109轉(zhuǎn)動(dòng)，所述卷筒109卷繞有鋁絲，鋁絲的出絲端穿過(guò)鋁絲導(dǎo)槽108與高壓極板107相接觸。
[0027]—種制備鎂鋁粉末的方法，包括以下步驟:
1)往電爆炸室106中放入金屬絲，金屬絲為鎂絲或鋁絲，將金屬絲卷繞在卷筒109上，金屬絲的出絲端穿過(guò)鋁絲導(dǎo)槽108伸向高壓極板107 ；
2)打開(kāi)氬氣瓶114上的閥門(mén)，往電爆炸室106中充入氬氣作為保護(hù)氣體，當(dāng)電爆炸室106內(nèi)氣壓達(dá)到1.3MPa時(shí)，停止輸氣；
3)啟動(dòng)電路系統(tǒng)的電源101，儲(chǔ)能電容103開(kāi)始充電，調(diào)節(jié)球隙104的大小使得高壓極板107上的電壓達(dá)到擊穿電壓；
4)開(kāi)啟馬達(dá)傳動(dòng)裝置，在馬達(dá)110的作用下將金屬絲送到高壓極板107，金屬絲送往高壓極板107的速度與金屬絲的爆炸燃燒速率一致，金屬絲充分爆炸生成納米粉末，納米粉末的粒徑為30?140 nm ；
5)啟動(dòng)氬氣循環(huán)泵105，氬氣在電爆炸室106-豎直管道-氬氣循環(huán)管道-供氣管道循環(huán)流通，在氬氣氣流的作用下金屬納米粉末經(jīng)豎直管道落入收集裝置111中。
[0028]圖2中(a)為爆炸前鋁絲的狀態(tài)圖，圖(b)為爆炸中鋁絲的狀態(tài)圖，圖(c)為爆炸后鋁絲的狀態(tài)圖，圖中201為冷卻腔體，202為鋁絲，203為鋁蒸汽，204為納米鋁粉。
[0029]其中電路系統(tǒng)所提供的能量必須大于或等于導(dǎo)體汽化所需的能量，導(dǎo)電體才會(huì)發(fā)生爆炸，否則僅像普通保險(xiǎn)絲那樣熔化，能使導(dǎo)電體發(fā)生爆炸的電流密度為105A/cm2?1010A/cm2。
[0030]鎂的熔點(diǎn)648。。，沸點(diǎn)1107。。，鋁的熔點(diǎn)660.4°C，沸點(diǎn)2467。。，比重2.7kg/m3，鎂絲外皮氧化鎂的熔點(diǎn)2852°C，沸點(diǎn)3600°C，鋁絲外皮氧化鋁的熔點(diǎn)2054°C，沸點(diǎn)2980°C，鎂/鋁絲外皮氧化鎂/鋁的厚度直接影響電爆炸生成鎂/鋁粉的粒度。實(shí)驗(yàn)證明，沸騰的鎂/鋁沖破外皮氣化，生成納米鎂/鋁粉；鎂/鋁絲直徑在0.2mm?0.3mm，爆炸室內(nèi)燃燒的長(zhǎng)度為長(zhǎng)度12mm，能生成粒度小于lOOnm的鎂/鋁粉。
【權(quán)利要求】
1.一種納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置，其特征在于:包括電爆炸室、電路系統(tǒng)、馬達(dá)傳動(dòng)裝置、收集裝置、氬氣瓶、氬氣循環(huán)泵、高壓極板，所述馬達(dá)傳動(dòng)裝置、高壓極板相對(duì)設(shè)置于電爆炸室內(nèi)，馬達(dá)傳動(dòng)裝置將需爆炸的材料輸送至高壓極板上，所述電路系統(tǒng)安裝在電爆炸室外部，電路系統(tǒng)與高壓極板電連接，所述氬氣瓶經(jīng)供氣管道與電爆炸室連接，所述電爆炸室的下部位于高壓極板正下方處設(shè)有豎直管道，豎直管道下方設(shè)有收集裝置，豎直管道的一側(cè)設(shè)有氬氣循環(huán)泵，氬氣循環(huán)泵的入氣口與豎直管道連通，氬氣循環(huán)泵的出氣口經(jīng)氬氣循環(huán)管道與供氣管道相連。
2.如權(quán)利要求1所述的納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置，其特征在于:所述電路系統(tǒng)包括電源、二極管、球隙和儲(chǔ)能電容，所述電源的輸出端與二極管的負(fù)極相連，二極管的正極經(jīng)球隙與高壓極板相連，所述儲(chǔ)能電容的一端連接在二極管的負(fù)極與球隙之間，另一端接地。
3.如權(quán)利要求2所述的納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置，其特征在于:所述馬達(dá)傳動(dòng)裝置包括馬達(dá)、卷筒、鋁絲和鋁絲導(dǎo)槽，所述馬達(dá)的輸出軸與卷筒固接，帶動(dòng)卷筒轉(zhuǎn)動(dòng)，所述卷筒卷繞有鋁絲，鋁絲的出絲端穿過(guò)鋁絲導(dǎo)槽與高壓極板相接觸。
4.如權(quán)利要求3所述的納米鎂鋁粉末的電爆炸裝置，其特征在于:所述氬氣循環(huán)管道上設(shè)有冷卻系統(tǒng)。
5.一種納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，包括以下步驟: 1)往電爆炸室中放入金屬絲，將金屬絲卷繞在卷筒上，金屬絲的出絲端穿過(guò)鋁絲導(dǎo)槽伸向高壓極板； 2)打開(kāi)氬氣瓶上的閥門(mén)，往電爆炸室中充入氬氣作為保護(hù)氣體，當(dāng)電爆炸室內(nèi)氣壓達(dá)到1.3MPa時(shí)，停止輸氣； 3)啟動(dòng)電路系統(tǒng)的電源，儲(chǔ)能電容開(kāi)始充電，調(diào)節(jié)球隙的大小使得高壓極板上的電壓達(dá)到擊穿電壓； 4)開(kāi)啟馬達(dá)傳動(dòng)裝置，在馬達(dá)的作用下將金屬絲送到高壓極板，金屬絲充分爆炸生成納米粉末； 5)啟動(dòng)氬氣循環(huán)泵，氬氣在電爆炸室-豎直管道-氬氣循環(huán)管道-供氣管道循環(huán)流通，在氬氣氣流的作用下金屬納米粉末經(jīng)豎直管道落入收集裝置中。
6.如權(quán)利要求5所述的納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，所述步驟I)中，金屬絲為鎂絲或鋁絲。
7.如權(quán)利要求5所述的納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，所述步驟4)中，金屬絲上的電流密度為105A/cm2?101QA/cm2。
8.如權(quán)利要求5所述的納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，所述步驟4)中，爆炸生成的納米粉末的粒徑為30?140 nm。
9.如權(quán)利要求5所述的納米鎂鋁粉末的電爆炸制備方法，所述步驟4)中，金屬絲送往高壓極板的速度與金屬絲的爆炸燃燒速率一致。
【文檔編號(hào)】B22F9/14GK104399996SQ201410841818
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年12月30日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月30日
【發(fā)明者】喻更生, 周益春, 段仲星, 林建國(guó) 申請(qǐng)人:湘潭大學(xué)