一种用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体的坩埚

摘要

本发明涉及金属纳米粉体制备工具技术领域，尤其涉及一种用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体的坩埚，包括坩埚主体、坩埚外套和填充于坩埚主体与坩埚外套之间的隔热填料，所述坩埚主体包括圆筒形容器和设置于圆筒形容器上部的坩埚盖，所述坩埚盖嵌设有用于导出金属蒸气的喷嘴和用于导入惰性气体的进气嘴。本发明特别适用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体，使用本发明的坩埚进行蒸发冷凝法制备金属纳米粉体，能够减少热量耗散，提高能量利用率，从而可以减少生产的能耗；同时，本发明实坩埚具有良好的耐高温性，并且可以进行拆卸组装，增加部件的可重复使用性，避免个别部件损坏而造成坩埚整体的损坏，进而可以降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及金属纳米粉体制备工具技术领域，尤其涉及一种用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体的坩埚。

背景技术

金属纳米材料是纳米材料的一个重要分支，在导电浆料、印刷电子、高效催化剂、吸波隐形材料、高密度磁记录材料、固体推进剂等领域有广泛应用前景。目前，大批量制备金属纳米粉体多采用物理法进行，其中以蒸发-冷凝法最为常见。蒸发-冷凝法是在真空蒸发室内充入低压的惰性气体，通过蒸发源的加热作用将金属原料气化，金属原子蒸气与惰性气体原子碰撞而失去能量，然后冷凝成金属纳米粒子。加热的方式主要有电阻加热、感应加热、电弧等离子加热、激光加热和电子束加热。其中，与其它加热方式相比，感应加热具有加热效率高、速度快、非接触式、工艺简单、容易实现自动化、设备可大功率长时间运转等优点。但是，目前在利用感应加热蒸发-冷凝法制备金属纳米粉体时，能量利用率仍然较低。其原因归根结底是现有的进行感应加热蒸发-冷凝法制备金属纳米粉体的坩埚保温性能差，导致传导散热和辐射散热大；同时，在高温条件下，现有的坩埚也容易损坏，此两种原因是金属纳米粉体生产成本高的因素之一。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体的坩埚，该坩埚不仅能够减少热量耗散、提高能量利用率，而且 具有改进的耐用性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体的坩埚，包括坩埚主体、坩埚外套和填充于坩埚主体与坩埚外套之间的隔热填料，所述坩埚主体包括圆筒形容器和设置于圆筒形容器上部的坩埚盖，所述坩埚盖嵌设有用于导出金属蒸气的喷嘴和用于导入惰性气体的进气嘴。

优选地，所述坩埚盖开设有第一圆孔和第二圆孔，所述喷嘴嵌设于所述第一圆孔内，所述进气嘴嵌设于所述第二圆孔内。

优选地，所述喷嘴呈圆管状，所述喷嘴的下段的外径小于其上段的外径，所述喷嘴的下段嵌设于所述第一圆孔内。

优选地，所述第二圆孔的上段的内径大于其下段的内径；所述进气嘴呈圆管状，所述进气嘴的下段的外径小于其上段的外径，所述进气嘴的下段嵌设于所述第二圆孔的上段。

优选地，所述隔热填料的填充高度高于所述坩埚盖的顶部并低于所述喷嘴和进气嘴的顶部。

优选地，所述坩埚盖与所述圆筒形容器咬合连接。

优选地，所述坩埚外套包括圆筒形外套和与该圆筒形外套底端可拆卸连接的圆形底板。

优选地，所述坩埚主体的原料由石墨、氧化锆、氮化锆、二硼化锆、氧化铝、氮化铝、碳化钛、二硼化钛、氮化硅、碳化硅、硼化硅、氮化硼、碳化硼中的任意一种原料制成。

优选地，所述隔热填料为氧化锆或者氧化铝。氧化锆和氧化铝具有较低的导热系数，有利于隔热，减少热量耗散，从而可提高能量利用率。

优选地，所述坩埚外套的原料由氧化铝、莫来石、碳化硅中的一种或两种以上的原料制成。

本发明的有益效果：本发明的坩埚，制备金属纳米粉体时，将金属原料置于坩埚主体内，并将整个坩埚放入蒸发室内，坩埚周围绕设有感应加热线圈。启动加热设备后，感应加热线圈中交流电产生的交变磁场作用在坩埚中的金属原料上，并在金属原料内产生涡电流，从而将金属原料加热并蒸发为金属原子蒸气。在蒸发过程中，惰性气体经坩埚盖上嵌设的进气嘴进入到坩埚主体的内部，并将坩埚主体内的金属原子蒸气从坩埚盖上嵌设的喷嘴带出至坩埚主体外。在此过程中，金属原子蒸气在惰性气体介质中扩散、迁移，并与惰性气体原子碰撞而失去部分能量，从而凝聚成金属纳米粒子。本发明特别适用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体，使用本发明的坩埚进行蒸发冷凝法制备金属纳米粉体，能够减少热量耗散，提高能量利用率，从而可以减少生产的能耗；同时，本发明实坩埚具有良好的耐高温性，并且可以进行拆卸组装，增加部件的可重复使用性，避免个别部件损坏而造成坩埚整体的损坏，进而可以降低生产成本。

附图说明

图1为本发明坩埚的结构示意图。

图2为本发明坩埚的坩埚主体的结构示意图。

图3为本发明坩埚的坩埚外套的结构分解示意图。

图4为本发明坩埚的进气嘴与惰性气体导管连接的结构示意图。

图5为金属纳米粉体在制备过程中能量分配的流程图。

附图标记包括：

10—坩埚主体      11—坩埚盖      12—圆筒形容器

20—坩埚外套      21—圆筒形外套  22—圆形底板

30—隔热填料      40—喷嘴        50—进气嘴

60—惰性气体导管  111—第一圆孔   112—第二圆孔

211—底缘。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，本实施例中的左、右、上、下、顶、底等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

实施例一： 

如图1至图4所示，本发明实施例提供的一种用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体的坩埚，包括坩埚主体10、坩埚外套20和填充于坩埚主体10与坩埚外套20之间的隔热填料30，坩埚主体10包括圆筒形容器12和设置于圆筒形容器12上部的坩埚盖11，坩埚盖11嵌设有用于导出金属蒸气的喷嘴40和用于导入惰性气体的进气嘴50。具体的，制备金属纳米粉体时，将金属原 料置于坩埚主体10的圆筒形容器12内，并将整个坩埚放入蒸发室内，坩埚周围绕设有感应加热线圈，启动加热设备，感应加热线圈中交流电产生的交变磁场作用在坩埚中的金属原料上，并在金属原料内产生涡电流，从而将金属原料加热并蒸发为金属原子蒸气，惰性气体经坩埚盖11上嵌设的进气嘴50进入到坩埚主体10的内部，并将坩埚主体10内的金属原子蒸气从坩埚盖11上嵌设的喷嘴40带出至坩埚主体10外，在此过程中，金属原子蒸气在惰性气体介质中扩散、迁移，并与惰性气体原子碰撞而失去部分能量，从而凝聚成金属纳米粒子。

本发明特别适用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体，使用本发明的坩埚进行蒸发冷凝法制备金属纳米粉体，能够减少热量耗散，提高能量利用率，从而可以减少生产的能耗；同时，本发明实坩埚具有良好的耐高温性，并且可以进行拆卸组装，增加部件的可重复使用性，避免个别部件损坏而造成坩埚整体的损坏，进而可以降低生产成本。

本实施例中，坩埚盖11开设有第一圆孔111和第二圆孔112，喷嘴40嵌设于第一圆孔111内，进气嘴50嵌设于第二圆孔112内。具体的，通过在坩埚盖11上开设第一圆孔111和第二圆孔112，一方面，第二圆孔112可以作为进行制备金属纳米粉体时的惰性气体导入，第一圆孔111可以将金属蒸气从坩埚主体10内带出至坩埚主体10外，并且在这个过程中，金属蒸气可以冷凝成金属纳米粒子；另一方面，第一圆孔111和第二圆孔112可以分别用于安装喷嘴40和进气嘴50，采用嵌设的方式，能够很好的固定好喷嘴40和进气嘴50，避免喷嘴40和进气嘴50出现松脱，保证喷嘴40和进气嘴50可以发挥其作用。

本实施例中，喷嘴40呈圆管状，喷嘴40的下段的外径小于其上段的外径，喷嘴40的下段嵌设于第一圆孔111内。具体的，喷嘴40用于导出金属蒸气。将喷嘴40的下部嵌入坩埚盖的第一圆孔111，喷嘴40的上部露出在坩埚盖外，由于喷嘴40的下部外径小于喷嘴40的上部外径，可以有效地防止喷嘴40落入到坩埚主体10内。

本实施例中，第二圆孔112的上段的内径大于其下段的内径；进气嘴50呈圆管状，进气嘴50的下段的外径小于其上端的外径，进气嘴50的下段嵌设于第二圆孔112的上段。具体的，进气嘴50的下部嵌入坩埚盖的第二圆孔112的上部，进气嘴50的上部内径大于进气嘴50的下部内径，该较大的内径位置上可以插入惰性气体导管60(参见图4)，进气嘴50对惰性气体导管60起固定和支撑作用，保证惰性气体导管60的端部不会落入坩埚主体10内。惰性气体经惰性气体导管60通入进气嘴50，再从进气嘴50进入到坩埚主体10内，将坩埚主体10内的金属蒸气从喷嘴40带出坩埚主体10外，并在这个过程中将金属蒸气冷凝成金属纳米粒子。另外，第二圆孔112的下部可以设计成斜圆孔，呈倾斜通向坩埚主体10内。

具体的，隔热填料30的填充高度高于坩埚盖11的顶部并低于喷嘴40和进气嘴50的顶部，该种结构设计，可以确保隔热填料30不会从喷嘴40和进气嘴50掉落至坩埚主体10内，同时，又能够覆盖坩埚主体10以及坩埚主体10上部设置的坩埚盖11，真正起到减少热量耗散和提高能量利用率的作用。

本实施例中，坩埚盖11与圆筒形容器12咬合连接。更具体的，坩埚主体10由相互咬合的圆筒形容器12和坩埚盖11组成，使得坩埚主体10可以 实现拆卸，便于填装金属原料及对坩埚主体10内部的清理，以及增加坩埚主体10部分结构的重复使用次数，减少部件的损耗，从而减少生产成本。

其中，坩埚盖11与圆筒形容器12的咬合连接不限于具体的一种连接方式，只要坩埚盖11与圆筒形容器12的连接能够实现拆卸，且保证坩埚盖11与圆筒形容器12连接后能够实现密封即可。

同样，坩埚外套20包括圆筒形外套21和与圆筒形外套21底端可拆卸连接的圆形底板22。该种结构可以增加坩埚外套20部分结构的重复使用次数，减少部件的损耗，从而减少生产成本。

进一步地参见图3，圆筒形外套21的底部向下延伸设置有底缘211，底缘211的内径大于圆筒形外套21的内径，并且底缘211的内径与圆形底板22的直径相对应，底缘211的高度与圆形底板22的厚度相对应，保证圆形底板22能嵌入底缘211内时实现密封稳定连接。

感应加热蒸发-冷凝法制备金属纳米粉体一般选择在1～20kPa的气压范围内进行，在该气压范围内，制备纳米铜、纳米银或纳米金时，需要将铜加热至1816℃以上、银加热至1510℃以上、金加热至2000℃以上，因此坩埚主体10必须具有良好的耐高温性。那么，坩埚主体10的原料优选石墨，石墨具有熔点高(3652℃)、热膨胀系数小(5×10^-6m/m·K)、抗热震性好、高温下不与铜银金反应、成本低等的优点，非常适用于作为制备纳米铜、纳米银或纳米金用的坩埚主体10的原料。同时，隔热填料30为氧化锆。在进行高温作业时，氧化锆不会与石墨发生化学反应。其中，作为隔热填料30的氧化锆优选氧化锆颗粒或者氧化锆纤维，氧化锆颗粒的粒径优选在0.5～3mm的 范围内。

优选地，坩埚外套20的原料由氧化铝、莫来石、碳化硅中的一种或两种以上的原料制成。具体的，采用氧化铝、莫来石、碳化硅中的一种或两种以上的原料制成的坩埚外套20具有良好的耐高温性，且氧化铝、莫来石、碳化硅原料价格相对低廉，可以降低生产成本。

实施例二： 

本实施例与实施例一的不同之处在于，坩埚主体10的原料选用氧化铝或者氮化铝，氧化铝或者氮化铝材质的坩埚主体10同样具有耐高温的性能，该种坩埚主体10适用于纳米铝的制备；同时，隔热填料30为氧化铝。在进行高温作业时，氧化铝不会与氮化铝发生化学反应。其中，作为隔热填料30的氧化铝优选氧化铝颗粒或者氧化铝纤维，氧化铝颗粒的粒径优选在0.5～3mm的范围内。

本实施例的其余部分与实施例一相同，在本实施例中未解释的特征，均采用实施例一的解释，这里不再进行赘述。

实施例三： 

本实施例与实施例一的不同之处在于，坩埚主体10的原料选用氧化锆，优选采用稳定的氧化锆，稳定的氧化锆材质的坩埚主体10同样也具有耐高温的性能，该种坩埚主体10适用于纳米铁、纳米钴和纳米镍的制备；同时，隔热填料30为氧化锆。在进行高温作业时，氧化锆之间不会发生化学反应。其中，作为隔热填料30的氧化锆优选氧化锆颗粒或者氧化锆纤维，氧化锆颗粒的粒径优选在0.5～3mm的范围内。

本实施例的其余部分与实施例一相同，在本实施例中未解释的特征，均采用实施例一的解释，这里不再进行赘述。

实施例四： 

本实施例与实施例一的不同之处在于，坩埚主体10的原料选用氮化锆、二硼化锆、碳化钛、二硼化钛、氮化硅、碳化硅、硼化硅、氮化硼或者碳化硼。氮化锆、二硼化锆、碳化钛、二硼化钛、氮化硅、碳化硅、硼化硅、氮化硼或者碳化硼原料制成的坩埚主体10具有耐高温的性能，同样适用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体。

本实施例的其余部分与实施例一相同，在本实施例中未解释的特征，均采用实施例一的解释，这里不再进行赘述。

以下针对本发明的坩埚特别适用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体做进一步说明：

感应加热蒸发-冷凝法制备金属纳米粉体时，将金属原料置于坩埚中，并将坩埚放入蒸发室内，坩埚周围绕设有感应加热线圈。在蒸发室内充入低压的惰性气体，启动加热设备，感应加热线圈中交流电产生的交变磁场作用在坩埚中的金属原料上，并在金属原料内产生涡电流，从而将金属原料加热并蒸发为金属原子蒸气，金属原子蒸气在惰性气体介质中扩散、迁移，并与惰性气体原子碰撞而失去部分能量，从而凝聚成金属纳米粒子。

蒸发和冷凝过程中的能量分配过程，如图5所示。从加热热源注入金属原料的能量Q_E分配为几个方面：

金属原料被加热至平衡温度时的吸热；

金属原料的熔化潜热；

传给周围环境的传导、对流、辐射散热；

金属蒸发时的气化潜热；

金属蒸气在凝聚过程中释放的部分潜热，由介质气体或冷却壁带走。

当工艺条件一定时，熔体会在某一温度下达到平衡。在能量分配的过程中，金属升温到平衡温度的吸热、熔化潜热以及气化潜热是生成纳米粒子的有效能量(记为Q_有效)，而因能量注入效率损失的能量及散热损失的能量则属于无效能量(记为Q_无效)。因此，能量利用率η可定义为单位蒸发量时有效能量与总消耗能量的比值(1)：η＝Q_有效/(Q_有效+Q_无效)。

金属的熔化潜热、气化潜热和吸热与加热方式和过程无关，是随材料而定的恒量，因此，Q_有效与时间无关，对单位蒸发量而言为一常数。而因能量注入效率和散热损失的能量Q_无效则与加热方式和过程密切相关，并且为时间的函数。

因能量注入效率损失的能量可表示为(2)：Q_损＝(1－Ke)Wt；

式中，Ke为能量注入效率，W为加热源功率，t为完成单位蒸发量的时间。

系统散热损失的总热量Q_散热与散热面积A、系统与环境的温度差△T以及传热时间t之间有如下关系(3)：Q_散热＝K·△T·A·t；

式中，K为导热系数，它与温度、气流状况、保温措施等有关。

将(2)、(3)代入(1)得(4)：

可见，提高能量利用率的途径有：提高能量注入效率Ke；减小热传导系 数K；或者减小完成单位蒸发量的时间t。

能量注入效率Ke主要与加热方式和设备自身特点有关，而导热系数K与坩埚有密切关系。

本发明的坩埚具有良好的保温性能，可以减少传导散热和辐射散热，将热量局限在坩埚内，将金属原料快速升温并维持在所需温度，从而提高能量利用率。同时，本发明的坩埚具有良好保温性能也利于加快蒸发速度，减小完成单位蒸发量的时间t，从而提高能量利用率。

综上所述可知本发明特别适用于蒸发冷凝法制备金属纳米粉体，本发明的坩埚用于进行蒸发冷凝法制备金属纳米粉体，具有减少热量耗散、提高能量利用、减少生产能耗、良好的耐高温性、可进行拆卸组装、部件可重复使用、以及生产成本低的优点；从而得以令其在使用上，增进以往技术中所未有的效能而具有实用性，成为一极具实用价值的产品。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。