一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置

1.本发明属于脉冲功率技术领域，涉及一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置。


背景技术：

2.金属丝电爆炸(electrical explosion of wires，简称eew、丝爆)将一定参数的脉冲电流注入金属导体(金属丝)，在焦耳加热的作用下，金属负载经历快速的相态变化，其过程包括固态加热、液化、液态加热、气化/相爆，最后击穿形成等离子体，同时伴随着强光辐射和冲击波等物理效应。
3.相较于传统的金属纳米颗粒制备方法，如气相沉积、机械研磨、热等离子体法等，金属丝电爆炸具有独特的优势。其极高的反应温度(＞105k)可保证金属蒸汽处于较高的原子化及电离程度，这为均匀、精细的纳米粉体形成提供了基础，也为多元合金材料及金属氮化物、氧化物等的高质量制备提供了可能。金属丝相爆过程发生后，金属蒸汽以高速膨胀扩散(～km/s)，与介质氛围中的分子、原子碰撞后以极高的速率冷却(10
9-10
10
k/s)，成核并形成直径几纳米到几十纳米不等的球状颗粒。此外，电爆炸法简便、高效，对待制备纳米粉末的原材料要求不高，仅要求为导体或有金属涂覆。根据电爆炸介质氛围不同，惰性气体环境常用作制备金属单质纳米颗粒，含氮、含氧氛围则被用作生成金属氮化物和氧化物。其中多元金属合金/涂层，金属与碳等复合材料也是电爆炸法关注的重点。
4.现有使用电爆炸法制备合金粉末多使用提前熔炼好的合金丝，其工序复杂，增加了不必要的成本，此外，合金丝电爆炸过程与对应质量单元素金属丝电爆炸具有显著差异，主要体现在放电通道沉积能量、产物的膨胀速度及等离子体过程上，从而影响金属蒸汽的冷却及成核过程，不能得到预期的合金粉末。若使用多根金属丝并联爆炸可省去制作合金丝的工序，但各根丝电爆炸过程中的强电/磁耦合效应则会带来均匀性及一致性等问题。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的是提供一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置，将金属丝嵌套至半封闭介质管中，能够提高金属丝电爆炸过程中的沉积能量，且能够获得定向喷射的金属蒸汽，避免各根金属丝在相爆及等离子体过程中的相互影响；通过在管口处设有辅助磁场线圈，能够调控并约束带电金属蒸汽的喷射轨迹；采用磁场线圈辅助控制带电金属蒸汽膨胀取向，通过设计时序控制系统能够结合不同金属电爆炸特性调控爆炸延时和顺序，以获得更高质量的多元合金粉末。
6.本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
7.本发明公开的一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置，包括绝缘子、高压电极、地电极、进气口、电爆炸及喷射装置、金属混合蒸汽、产物收集基台、排气口。
8.绝缘子采用四氟或尼龙材料制成，将高压电极柱与腔体分隔开，防止高压电极与腔体连通或发生击穿、爬电。绝缘子表面为螺旋状结构，用于有效增大绝缘强度。
9.高压电极与接地电极为不锈钢柱，分别连接同轴高压电缆的芯与接地外皮。
10.进气口用于通入惰性气体，如氦气、氩气等，用于防止金属粉末被氧化/氮化。排气口用于实现洗气的功能，使腔体内达到预设的介质氛围，此外还用于使电爆炸产物定向排出，便于收集。
11.作为优选，所述惰性气体为氦气或氩气。
12.电爆炸喷射装置主要由三部分构成，单个电爆炸喷射装置包括半封闭介质管、电极，绝缘子及金属丝、恒定磁场；半封闭介质管长度为2-4cm，直径为5-20mm，材质选取高屈服强度的塑性材料，防止电爆炸冲击波使介质管破碎或发生不可逆形变。绝缘子安插在介质管上防止沿面闪络。高压电极和低电极一端分别与腔体的高压电极和地电极相连，另一端接金属丝。金属丝负载选用高纯度以防止杂质引入，金属丝直径选取与系统初始储能相关，要求能够使金属丝放电通道击穿前的沉积能量大于该质量下金属丝完全气化所需的能量。磁场线圈由直流电源驱动，用于提供恒定磁场，其主要功能是对带电金属蒸汽膨胀轨迹起到预定束缚作用，辅助定向喷射。多个喷射装置连接时，机械悬臂与介质管封闭端相连，用于自由调控金属蒸汽喷射方向。时序控制系统由数字延时发生器(dg645)控制，
①
～
⑥
分别为六个独立的三电极火花开关，隶属于时序控制系统，数字延时发生器通过电信号触发控制开关导通，开关导通时高压和地电极沟通脉冲电流流经金属丝，驱动电爆炸。通过在管口处设有辅助磁场线圈，调控并约束带电金属蒸汽的喷射轨迹；采用磁场线圈辅助控制带电金属蒸汽膨胀取向。金属蒸汽为各根金属丝电爆炸后从介质管喷出后混合的产物，与介质环境分子/原子碰撞冷却后，成核、凝聚，在重力作用和气流作用下逐渐沉降。
13.产物收集基台采用硅基片，用于收集一部分爆炸产物，硅基片直接用于sem、tem、eds、xrd、xps等设备的测试和表征。
14.作为优选，通过设计时序控制系统能够结合不同金属电爆炸特性调控爆炸延时和顺序，以获得更高质量的多元合金粉末。
15.作为进一步优选，机械悬臂与介质管封闭端相连，用于自由调控金属蒸汽喷射方向。机械悬臂数量为六个。电爆炸喷射装置数量为六个。通过设计时序控制系统，结合不同金属电爆炸特性调控爆炸延时和顺序，以获得更高质量的多元合金粉末。所述时序控制系统由数字延时发生器控制，数字延时发生器通过电信号控制开关触发极电压的有无，从而起到控制开关导通的效果，进而结合不同金属电爆炸特性调控爆炸延时和顺序，以获得更高质量的多元合金粉末。
16.作为优选，电爆炸喷射装置材质选取有机玻璃pmmt。
17.作为优选，金属丝负载选用99.99％以上的高纯度。
18.有益效果：
19.1、本发明公开的一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置，将金属丝嵌套至半封闭介质管中，能够提高金属丝电爆炸过程中的沉积能量，且能够获得定向喷射的金属蒸汽，避免各根金属丝在相爆及等离子体过程中的相互影响。
20.2、本发明公开的一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置，通过在管口处设有辅助磁场线圈，能够调控并约束带电金属蒸汽的喷射轨迹。
21.3、本发明公开的一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置，采用磁场线圈辅助控制带电金属蒸汽膨胀取向，通过设计时序控制系统能够结合不同金属电爆炸特性调控爆
炸延时和顺序，以获得更高质量的多元合金粉末。
22.4、本发明公开的一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置，管口处有辅助磁场线圈存在，可调控并约束带电金属蒸汽的喷射轨迹。同时，配合时序控制系统可人为调控不同金属丝爆炸延时和顺序，避免金属丝自身特性(电/热导率、熔沸点、潜热)带来的放电模式及不稳定发展的差异。
23.5、本发明公开的一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置，每根介质管连接有能够改变喷射方向的机械悬臂，用于调控粉末形成区域。
24.6、本发明公开的一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置，经过大量试验验证和理论分析，机械悬臂、电爆炸喷射装置数量均为六个，通过设计时序控制系统能够结合不同金属电爆炸特性调控爆炸延时和顺序，满足同步爆炸或延时混合爆炸需求，以获得更高质量的多元合金粉末，
附图说明
25.图1本发明公开的一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置示意图；
26.图2本发明公开的电爆炸喷射装置示意图；
27.图3本发明公开的电爆炸喷射装置俯视示意图；
28.其中：1—绝缘子、2—高压电极、3—地电极、4—进气口、5—电爆炸及喷射装置、6—金属混合蒸汽、7—产物收集基台、8—排气口。
具体实施方式
29.为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
30.实施例1：
31.如图1、2、3所示，本实施例公开的一种基于电爆炸法的多元合金粉末合成装置，包括绝缘子1、高压电极2、地电极3、进气口4、电爆炸及喷射装置5、金属混合蒸汽6、产物收集基台7、排气口8。
32.绝缘子1采用四氟或尼龙材料制成，将高压电极柱与腔体分隔开，防止高压电极与腔体连通或发生击穿、爬电等现象，绝缘子表面为螺旋状结构，能够有效增大绝缘强度。
33.高压电极2与接地电极3为不锈钢柱，分别连接同轴高压电缆的芯与接地外皮。
34.进气口4可通入惰性气体，如氦气、氩气等，可防止金属粉末被氧化/氮化等。排气口8可实现洗气的功能，使腔体内达到预设的介质氛围，此外还可使电爆炸产物定向排出，便于收集。
35.电爆炸喷射装置5主要由三部分构成，分别为半封闭介质管、电极，绝缘子及金属丝、恒定磁场。图2-1为单个电爆炸喷射装置图解，绝缘子1安插在介质管上防止沿面闪络。高压电极2和地电极3一端分别与腔体的高压电极和地电极相连，另一端接金属丝。半封闭介质管10长度为2-4cm，直径为5-20mm，材质选取高屈服强度的塑性材料，防止电爆炸冲击波使介质管破碎或发生不可逆形变。金属丝负载9选用高纯度以防止杂质引入，金属丝直径选取与系统初始储能相关，要求能够使金属丝放电通道击穿前的沉积能量大于该质量下金属丝完全气化所需的能量。磁场线圈11由直流电源驱动，用于提供恒定磁场，其主要功能是
对带电金属蒸汽膨胀轨迹起到预定束缚作用，辅助定向喷射。图2-2为多个喷射装置连接时的俯视图。机械悬臂13与介质管封闭端相连，用于自由调控金属蒸汽喷射方向。时序控制系统12由数字延时发生器(dg645)控制，
①
～
⑥
分别为六个独立的三电极火花开关，隶属于时序控制系统，数字延时发生器通过电信号触发控制开关导通，开关导通时高压和地电极沟通脉冲电流流经金属丝，驱动电爆炸。通过在管口处设有辅助磁场线圈，调控并约束带电金属蒸汽的喷射轨迹；采用磁场线圈辅助控制带电金属蒸汽膨胀取向。
36.金属蒸汽6为各根金属丝电爆炸后从介质管喷出后混合的产物，与介质环境分子/原子碰撞冷却后，成核、凝聚，在重力作用和气流作用下逐渐沉降。
37.产物收集基台7采用硅基片，用于收集一部分爆炸产物，硅基片可直接用于sem、tem、eds、xrd、xps等设备的测试和表征。
38.机械悬臂13与介质管封闭端相连，用于自由调控金属蒸汽喷射方向。机械悬臂13数量为六个。通过设计时序控制系统，结合不同金属电爆炸特性调控爆炸延时和顺序，以获得更高质量的多元合金粉末。所述时序控制系统12由数字延时发生器控制，数字延时发生器通过电信号控制开关触发极电压的有无，从而起到控制开关导通的效果，进而结合不同金属电爆炸特性调控爆炸延时和顺序，以获得更高质量的多元合金粉末。
39.电爆炸喷射装置5材质选取有机玻璃(pmmt)。
40.金属丝负载9选用99.99％以上的高纯度。
41.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。