一种氧化物纳米微粉的制备方法发明专利

专利名称：一种氧化物纳米微粉的制备方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410965078.0

专利申请（专利权）人：甘肃纳微先导基材科技有限公司
权利人地址：甘肃省天水市天水经济技术开发区社棠工业园区科技孵化中心四楼2FX-31

专利发明（设计）人：发明人:王宏博,罗一元,刘培佳,刘亮,刘音娜

专利摘要：本发明属纳米材料技术领域，具体涉及一种氧化物纳米微粉的制备方法。为解决目前国内外氧化物纳米微粉的制备方法存在产品粒径控制不精确、纯度不高、工艺复杂、产能低、成本高、环境污染等问题，提供一种新型的高温气化和化合反应、再结晶合成的制备工艺。该方法选用高纯度原料，经激光辐射气化和化合反应，再经降温凝结生长、骤冷定形、冷却、收集工艺，得到高纯度氧化物纳米微粉。本方法生产过程无污染，生产周期短，效率高，耗能低，投资少，产量高，能用于规模化工业生产。

主权利要求：
1.一种氧化物纳米微粉的制备方法，其特征在于：包括金属氧化物、非金属氧化物纳米微粉的制备方法；所述制备方法是在密闭的常压氧气环境中，利用激光的高密度能量辐射，使单质金属或非金属原料迅速气化并与氧气发生化合反应生成氧化物，再降温凝结成球形或不规则形晶核微粒，之后经粒子生长、骤冷定形、冷却、收集工艺，生产出纳米级微粉材料；所述制备方法由一组成套设备完成工艺流程；
所述成套设备包括：大功率激光器、气化反应炉、粒子生长炉、骤冷器、水风冷却器、收尘器、制氧机、惰气发生器、储料罐、真空机组、监控系统；整个工艺流程在相对封闭的气流通道内完成，从所述制氧机制备出氧气开始，沿氧气流向，通过管道依次连接气化反应炉、粒子生长炉、骤冷器、水风冷却器和收尘器的的内腔，组成整个气流通道；同时，在所述气流通道的末端装有循环管道连接至制氧机出口，将氧气回流，循环利用；
在所述成套设备中，所述储料罐用于储存金属或非金属原料，并装配有送料装置，用于将金属或非金属原料推送至气化反应炉内的气化平台上；所述惰气发生器出口通过管道连接至储料罐，用于向储料罐提供常压的惰性气体；所述制氧机出口通过管道接有风机和电加热器，再连接至气化反应炉，用于向气化反应炉提供流量和温度可控的氧气气流；所述气化反应炉装有独立的温控降温装置；所述粒子生长炉装有单独的温控散热装置和可调风门，用于调节控制气流温度和气流流速；所述真空机组分别与储料罐和气流通道相连接，用于成套设备运行前将储料罐和气流通道预抽真空；所述监控系统用于全程监测、调节和控制各设备运行状态、运行参数及炉腔内气流的工艺参数；
所述工艺流程采用的工艺措施方案包括：真空预处理工艺，常压、密闭氧气环境生产工艺，储料罐无氧储料送料工艺，氧气预热工艺，连续不间断生产工艺，大功率激光辐射气化和化合反应工艺，气化反应炉温控降温工艺，粒子悬浮生长控制工艺，粒子生长炉温控散热工艺，骤冷定形工艺，多级快速冷却工艺，多级收尘工艺，氧气循环工艺，全程监控工艺；
所述工艺流程具体包括以下步骤：
步骤（1）：选用颗粒或粉状的高纯度的一种单质金属或单质非金属材料作为原料备用；
步骤（2）：从所述储料罐的投料口，将1至2个班时所需要的上述原料装入储料罐，关闭投料口使储料罐处于密闭状态，并通过送料装置，将一部分原料推送至气化反应炉内的气化平台上；
步骤（3）：启动监控系统和真空机组，在真空泵作用下，排除储料罐和气流通道内的原有氧气和空气，将真空度气压降至100Pa以下；完成抽真空后，关闭真空管道阀门，并关停真空机组；然后启动惰气发生器、制氧机和风机，先向储料罐充入惰性气体，使储料罐气压达到常压，即1个大气压；再向气流通道充入氧气，使气流通道气压达到常压；
步骤（4）：依次启动大功率激光器、气化反应炉及其温控降温装置、粒子生长炉及其温控散热装置、骤冷器、水风冷却器、收尘器，使整个成套设备投入运行；在风机作用下，氧气在气流通道和循环管道内循环流动，由制氧机补充氧气；可选地，对于熔点在1000℃以上的氧化物纳米微粉的制备，可同时启动氧气发生器出口处的电加热器，将氧气在进入气化反应炉之前加热到500℃至800℃；
步骤（5）：在气化反应炉内，将所述大功率激光器发出的激光直接作用于气化平台上的原料，利用激光的高密度能量辐射，使单质金属或非金属原料迅速升温气化并与氧气发生化合反应生成氧化物，再由温度梯度迅速降温凝结成球形或不规则形状的氧化物晶核微粒，悬浮在氧气中；氧气也随之迅速升温，形成高温气流；
步骤（6）：在气流作用下，所述氧化物的晶核微粒随高温气流进入粒子生长炉；粒子生长炉装有温控散热装置和可调风门，用于调节控制气流温度和气流流速，使粒子生长炉出口处气流温度不低于所述氧化物的熔点温度，所述氧化物的晶核微粒在高温气流扰动中进一步碰撞凝结，进行粒子的生长；生长粒度的大小受粒子生长炉的腔体长度、气流温度、气流速度的影响，通过设定的粒子生长炉腔体长度，并由温控散热装置和可调风门控制气流温度、气流速度，进而影响控制悬浮粒子的碰撞生长时间和粒度的大小，实现粒度的精准分级；
步骤（7）：生长后的氧化物微粒随气流迅速流入骤冷器内，骤冷器采用二氧化碳低温冷媒；在低温环境中，氧化物微粒被迅速冷却，温度降至该氧化物的熔点以下，急剧的温度变化使得氧化物微粒迅速固化定形，生成固态微粉；
步骤（8）：所述固态微粉再随气流进入水风冷却器，水风冷却器采用水冷加风冷的多级冷却，使固态微粉进入收尘器之前的温度降到160℃以下；
步骤（9）：最后所述固态微粉随气流进入收尘器，经收尘器收集，得到高纯度的纳米级微粉；
在上述工艺流程中，金属或非金属原料预存在储料罐中，由送料装置持续向气化反应炉送料，由制氧机不断向设备内腔气流通道补充氧气，原料持续进行激光辐射气化与化合反应、凝结生长、骤冷定形、冷却、收集的生产工艺，为连续不间断生产过程。
2.根据权利要求1所述的氧化物纳米微粉的制备方法，其特征在于：所述原料为单质金属、单质非金属材料中的任意一种材料，包括：铝、铜、镁、镍、锂、钨、铁、钙、铬、锌、钛、锆、锡、钴、铪、镓、铋、钒、钼、钽、铌、锑、锗、锰、铟、铅、钡、锶、硅、硼中的任意一种材料。
3.根据权利要求1所述的氧化物纳米微粉的制备方法，其特征在于：可选地，所述原料为也可以直接采用氧化物材料，包括金属氧化物或非金属氧化物材料，具体制备工艺流程为：在所述步骤（1）中选用颗粒或粉状的高纯度的一种金属或非金属氧化物材料作为原料备用；在所述步骤（5）中：在气化炉内，所述金属或非金属氧化物在大功率激光辐射下迅速气化分解为蒸气分散在氧气中，并由温度梯度降温，再与氧气发生化合反应生成氧化物后凝结成球形或不规则形状的氧化物晶核微粒，悬浮在氧气中；其余工艺流程与所述步骤（2）至步骤（4）、步骤（6）至步骤（9）相同。
4.根据权利要求1所述的氧化物纳米微粉的制备方法，其特征在于：所述粒子生长炉设有两套同样炉腔尺寸大小的粒子生长炉并联在一起，连接在气化反应炉和骤冷器之间，其中单套粒子生长炉炉腔尺寸的设计能满足超细微粉的生产，并且都设有独立的温控散热装置和可调风门；当仅打开其中一套粒子生长炉参与生产运行时，可生产出超细微粉；当同时打开两套粒子生长炉参与生产运行时，由于分流作用，降低了炉腔内气流流速，并延长悬浮粒子在炉腔中的碰撞生长停留时间，从而生成较大粒径的微粉，满足产品精度需要。
5.根据权利要求1所述的氧化物纳米微粉的制备方法，其特征在于：所述制备方法生产的氧化物纳米微粉的平均粒径为：D505～100nm。
6.根据权利要求1所述的氧化物纳米微粉的制备方法，其特征在于：所述收尘器选用旋风收尘器、布袋收尘器或静电收尘器，或选用由这几种收尘器相组合的多级收尘工艺，其中静电收尘采用单级或多级静电收尘器，以实现微粉材料的精准分级收集。
7.根据权利要求1所述的氧化物纳米微粉的制备方法，其特征在于：所述监控系统设有监控平台、预警和报警系统以及各设备监控子系统。
8.根据权利要求1所述的氧化物纳米微粉的制备方法，其特征在于：所述成套设备气流管道上装有自动泄压阀，在气流通道气压超过120KPa时，会自动泄压。
9.根据权利要求1所述的氧化物纳米微粉的制备方法，其特征在于：所述气化反应炉和粒子生长炉的炉腔材料采用耐火温度达3000℃以上的硼化锆和硼化铪复合超高温陶瓷材料。 说明书 : 一种氧化物纳米微粉的制备方法技术领域[0001] 本发明属纳米材料技术领域，具体涉及一种氧化物纳米微粉的制备方法。背景技术[0002] 随着纳米技术的高速发展，纳米材料因其独特的尺寸效应、表面效应和量子效应等，表现出与宏观材料截然不同的性能，在材料科学、能源、电子、化工等领域展现出巨大的应用潜力，为新材料的设计和开发提供了无限可能。[0003] 如在氧化物纳米材料领域：纳米氧化钛还具有很高的化学稳定性、热稳定性、无毒性、超亲水性、非迁移性，且完全可以与食品接触，所以被广泛应用于抗紫外材料、纺织、光催化触媒、自洁玻璃、防晒霜、涂料、油墨、食品包装材料、造纸工业、航天工业中。纳米氧化锌是一种高端的高功能精细无机产品，表现出许多特殊的性质，如非迁移性、荧光性、压电性、吸收和散射紫外线能力等，利用其在光、电、磁、敏感等方面的奇妙性能，可制造气体传感器、荧光体、变阻器、紫外线遮蔽材料、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。纳米氧化锆具有抗热震性强、耐高温、化学稳定性好、材料复合性突出等特点，在电子、高温结构和功能陶瓷，尤其是在表面涂层等高科技领域有重要应用价值。纳米氧化铝耐热性强，成型性好，晶相稳定、硬度高、尺寸稳定性好，可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。[0004] 然而，现有的氧化物纳米微粉的制备方法往往存在产品粒径控制不精确、纯度不高、工艺复杂、产能低、成本高、环境污染等缺陷，难以满足日益增长的高性能材料需求。本发明本着经济、实用、可工业化生产的原则，开发出一种新的氧化物纳米微粉的制备方法，以实现低成本、高产量、规模化、无污染生产，生产出纳米级超细化、超纯化的纳米材料。发明内容[0005] 针对目前国内外氧化物纳米微粉的制备方法存在产品粒径控制不精确、纯度不高、工艺复杂、产能低、成本高以及环境污染等问题，本发明提出一种新的高温气化和化合反应、再结晶合成的制备工艺。该制备工艺能够实现高纯度、纳米级别、粒径可调且粒度均匀的氧化物纳米微粉材料的生产，所产出的氧化物微粉平均粒径纳米级D505～100nm，具有投资小、生产成本低、产量高、无污染的优点，适用于规模化生产。[0006] 技术方案：[0007] 本发明提供一种氧化物纳米微粉的制备方法，包括金属氧化物、非金属氧化物纳米微粉的制备方法。该制备方法是在密闭的常压氧气环境中，利用激光的高密度能量辐射，使单质金属或非金属原料迅速气化并与氧气发生化合反应生成氧化物，再降温凝结成球形或不规则形晶核微粒，之后经粒子生长、骤冷定形、冷却、收集工艺，生产出纳米级微粉材料。该制备方法由一组成套设备完成工艺流程。[0008] 该制备方法所用成套设备包括：大功率激光器、气化反应炉、粒子生长炉、骤冷器、水风冷却器、收尘器、制氧机、惰气发生器、储料罐、真空机组、监控系统。整个工艺流程在相对封闭的气流通道内完成，从制氧机制备出氧气开始，沿氧气流向，通过管道依次连接气化反应炉、粒子生长炉、骤冷器、水风冷却器和收尘器的的内腔，组成整个气流通道。同时，在该气流通道的末端装有循环管道连接至制氧机出口，将氧气回流，循环利用。[0009] 在上述设备中，储料罐用于储存金属或非金属原料，并装配有送料装置，用于将原料推送至气化反应炉内的气化平台上。惰气发生器出口通过管道连接至储料罐，用于向储料罐提供常压的惰性气体。制氧机出口通过管道接有风机和电加热器，再连接至气化反应炉，用于向气化反应炉提供流量和温度可控的氧气气流。气化反应炉装有独立的温控降温装置。粒子生长炉装有单独的温控散热装置和可调风门，用于调节控制气流温度和气流流速。真空机组分别与储料罐和气流通道相连接，用于成套设备运行前将储料罐和气流通道预抽真空。监控系统用于全程监测、调节和控制各设备运行状态、运行参数及炉腔内气流的工艺参数。[0010] 整个工艺流程包括以下步骤：[0011] 步骤（1）：选用颗粒或粉状的高纯度的一种单质金属或单质非金属材料作为原料备用。[0012] 步骤（2）：从储料罐的投料口，将1至2个班时所需要的上述原料装入储料罐，关闭投料口使储料罐处于密闭状态，并通过送料装置，将一部分原料推送至气化反应炉内的气化平台上。[0013] 步骤（3）：启动监控系统和真空机组，在真空泵作用下，排除储料罐和气流通道内的原有氧气和空气，将真空度气压降至100Pa以下；完成抽真空后，关闭真空管道阀门，并关停真空机组。然后启动惰气发生器、制氧机和风机，先向储料罐充入惰性气体，使储料罐气压达到常压，即1个大气压；再向气流通道充入氧气，使气流通道气压达到常压。[0014] 步骤（4）：依次启动大功率激光器、气化反应炉及其温控降温装置、粒子生长炉及其温控散热装置、骤冷器、水风冷却器、收尘器等设备，使整个成套设备投入运行。在风机作用下，氧气在气流通道和循环管道内循环流动，由制氧机补充氧气。可选地，对于熔点在1000℃以上的氧化物纳米微粉的制备，可同时启动制氧机出口处的电加热器，将氧气在进入气化炉之前加热到500℃至800℃。[0015] 步骤（5）：在气化反应炉内，将大功率激光器发出的激光直接作用于气化平台上的原料，利用激光的高密度能量辐射，使金属或非金属原料迅速升温气化并与氧气发生化合反应生成氧化物，再由温度梯度迅速降温凝结成球形或不规则形状的氧化物晶核微粒，悬浮在氧气中；氧气也随之迅速升温，形成高温气流。[0016] 步骤（6）：在气流作用下，该氧化物的晶核微粒随高温气流进入粒子生长炉；粒子生长炉装有温控散热装置和可调风门，用于调节控制气流温度和气流流速，使粒子生长炉出口处气流温度不低于该氧化物的熔点温度，该氧化物的晶核微粒在高温气流扰动中进一步碰撞凝结，进行粒子的生长；生长粒度的大小受粒子生长炉的腔体长度、气流温度、气流速度的影响，通过设定的粒子生长炉腔体长度，并由温控散热装置和可调风门控制气流温度、气流速度，进而影响控制悬浮粒子的碰撞生长时间和粒度的大小，实现粒度的精准分级。[0017] 步骤（7）：生长后的氧化物微粒随气流迅速流入骤冷器内，骤冷器采用二氧化碳低温冷媒；在低温环境中，氧化物微粒被迅速冷却，温度降至该氧化物的熔点以下，急剧的温度变化使得氧化物微粒迅速固化定形，生成固态微粉。[0018] 步骤（8）：固态微粉再随气流进入水风冷却器，水风冷却器采用水冷加风冷的多级冷却，使固态微粉进入收尘器之前的温度降到160℃以下。[0019] 步骤（9）：最后固态微粉随气流进入收尘器，经收尘器收集，得到高纯度的纳米级微粉。[0020] 在上述步骤中，所述原料为单质金属、非金属中的任意一种材料，包括但不限于：铝、铜、镁、镍、锂、钨、铁、钙、铬、锌、钛、锆、锡、钴、铪、镓、铋、钒、钼、钽、铌、锑、锗、锰、铟、铅、钡、锶等金属，硅、硼等非金属；所述氧化物的熔点温度，其中：[0021] 氧化铝熔点2040℃；氧化铜熔点1326℃；氧化镁熔点2852℃；氧化镍熔点1960℃；氧化锂熔点1567℃；氧化钨熔点1470℃；氧化铁熔点1565℃；氧化钙熔点2570℃；氧化铬熔点2266℃；氧化锌熔点1975℃；氧化钛熔点1800℃；氧化锆熔点2300℃；氧化锡熔点1630℃；氧化钴熔点1785℃；氧化铪熔点2810℃；氧化镓熔点1740℃；氧化铋熔点825℃；氧化钒熔点1790℃；氧化钼熔点795℃；氧化钽熔点1872℃；氧化铌熔点1520℃；氧化锑熔点656℃；氧化锗熔点400℃；氧化锰熔点535℃；氧化铟熔点2000℃；氧化铅熔点888℃；氧化钡熔点1923℃；氧化锶熔点2430℃；氧化硅熔点1723℃；氧化硼熔点450℃。[0022] 在上述成套设备中，根据产品精度需要，收尘器选用旋风收尘器、布袋收尘器或静电收尘器，或选用由这几种收尘器相组合的多级收尘工艺，其中静电收尘采用单级或多级静电收尘器，以实现微粉材料的精准分级收集。监控系统设有监控平台、预警和报警系统以及各设备监控子系统，用于全程监测、调节和控制各设备运行状态、运行参数及炉腔内气流的工艺参数。[0023] 在上述工艺流程中，首先选取高纯度的金属或非金属原料储存在密闭的储料罐中，在惰气发生器和制氧机出口阀门关闭时，各设备气流通道的内腔相连接和循环管道一起形成一个完全密闭的通道，这样可由真空机组对气流通道和储料罐进行真空预处理，将真空度气压降至100Pa以下。然后通过惰气发生器向储料罐内充入惰性气体，气压达到常压即1个大气压；再通过制氧机向气流通道内充入氧气，气压达到常压即1个大气压，使气流通道形成一个常压的、充满氧气的工艺氛围。[0024] 在其它设备启动运行后，整个封闭的气流通道仍保持常压或接近常压运行。在气流通过气化反应炉时，原料发生气化和氧化反应，同时氧气受热膨胀，气压会有所升高，之后气流通过粒子生长炉、骤冷器、风水冷却器时冷却降温，气压会相应降低。这时由监控系统实时监测各设备内腔气压、温度变化，通过调整制氧机补气量、风机功率、大功率激光器辐射功率、粒子生长炉风门，并配合调整骤冷器、风水冷却器温度，使设备内腔气压保持常压或微正压，稳定维持在100KPa至110KPa范围内。设备内腔保持常压或微正压运行，有利于减小设备内腔与外界大气压差，有效阻止沿设备密封处漏入空气，保证设备运行安全，并保证产品纯度、防止产生杂质。[0025] 为防止误操作或其它意外发生，设备气流管道上装有自动泄压阀，在气流通道气压超过120KPa时，会自动泄压。[0026] 在上述工艺流程中，金属或非金属原料预存在储料罐中，由送料装置持续向气化反应炉送料，由制氧机不断向设备内腔气流通道补充氧气，原料持续进行激光辐射气化与化合反应、凝结生长、骤冷定形、冷却、收集的生产工艺，为连续不间断生产过程。[0027] 上述技术方案采用激光辐射气化法生产高品质纳米微粉材料。在气化反应炉中，金属或非金属原料受到大功率、高能量密度激光的聚焦辐射，迅速吸收大量能量发生爆发性气化后与氧气发生化合反应生成氧化物，并在氧气中迅速降温凝结形成氧化物晶核微粒，再随气流进入粒子生长炉进一步凝结和生长。粒子生长炉装有温控散热装置和可调风门，用于调节控制气流温度和气流流速，由监控系统平台进行实时监测控制。在粒子生长过程中，通过设定的粒子生长炉腔体长度，并由监控系统控制粒子生长工艺参数，如生长温度、温度梯度、气流流速，可以确保粒子在温度梯度下有序生长，并影响控制悬浮粒子的碰撞生长时间和粒度的大小，实现粒度的精准分级。经过粒子生长炉处理后，生长后的微粒进入骤冷器进行快速冷却，温度降至熔点以下，迅速固化定形。最后经过水风冷却器的进一步冷却后，经收尘器收集，得到高纯度、高品质的超细纳米级微粉材料。[0028] 在粒子生长炉中，通过提高粒子生长炉腔内气流温度，或减小进口和出口气流的温差，可以维持粒子凝结温度的稳定性和均匀性，防止粒子团聚，提高粒度的均匀性。其次，适当减小粒子生长炉炉腔设计长度，或增大气流流速，会缩短悬浮粒子在炉腔中的碰撞生长停留时间，而生成超细粒子，但炉腔过短或气流流速过快，会造成炉腔气流降温不好控制，并影响后级设备降温效果，增加后级设备降温负荷；反之，加长炉腔的设计长度，或减小气流流速，会延长粒子生长时间，而生成较大粒径的粒子，但减小气流流速（同时需要相应减小激光功率）会降低设备生产率，影响产量。[0029] 为解决上述问题，使整套生产线更加便于精细化调节，能生产超细微粉或较大粒径微粉，同时能保证粒子生长温度控制稳定性，并达到预期设备生产率，可设置两套同样炉腔尺寸大小的粒子生长炉并联在一起，连接在气化反应炉和骤冷器之间，单套粒子生长炉炉腔尺寸的设计能满足超细微粉的生产，并且都设有独立的温控散热装置和可调风门。这样，当仅打开其中一套粒子生长炉参与生产运行时，在气流达到设定的流量Q和流速V情况下，可生产出超细微粉；当同时打开两套粒子生长炉参与生产运行时，由于分流作用，单套粒子生长炉气流流量减小至Q/2，气流流速降为V/2，使悬浮粒子在炉腔中的碰撞生长停留时间延长一倍，从而生成较大粒径的微粉，并且两套粒子生长炉合计流量为Q，同样能实现预期的设备生产率。这两种情况均可通过风机调节并配合炉腔可调风门大小的适当调节，对炉腔内气流速度进一步微调，保证设备运行稳定，运行工艺参数和产品粒度精准可控。[0030] 在上述技术方案所用设备中，除气化反应炉和粒子生长炉为特制设备外，其余设备均为常规工艺设备。其中气化反应炉和粒子生长炉设备要求有很强的耐高温性能，解决方法是，一是气化反应炉和粒子生长炉采用在非真空或非惰性气氛下耐超高温（>2300℃）的耐火材料，如采用耐火温度达3000℃以上的硼化锆和硼化铪复合超高温陶瓷耐火材料；二是气化反应炉和粒子生长炉装有各自独立的温控降温装置和温控散热装置，通过监控系统和温控降温、温控散热装置自动监测控制炉腔腔壁温度，使炉腔腔壁温度保持在耐火温度以下；三是适当增大炉腔内径，以增大气化反应炉内气化区域与其炉腔内壁之间的温差，以及粒子生长炉内中心高温射流区域与其炉腔内壁之间的温差，防止腔体材料高温受损。[0031] 上述技术方案可生产出高纯度、纳米级、粒径可调且粒度均匀的高品质氧化物纳米微粉材料，微粉平均粒径为D505～100nm。[0032] 可选地，上述技术方案中的原料也可以直接采用氧化物材料，包括金属氧化物或非金属氧化物材料，具体制备工艺流程为：在上述步骤（1）中选用颗粒或粉状的高纯度的一种金属或非金属氧化物材料作为原料备用；在上述步骤（5）中：在气化炉内，金属或非金属氧化物在大功率激光辐射下迅速气化分解为蒸气分散在氧气中，并由温度梯度降温，再与氧气发生化合反应生成氧化物后凝结成球形或不规则形状的氧化物晶核微粒，悬浮在氧气中；其余工艺流程与步骤（2）至步骤（4）、步骤（6）至步骤（9）相同。[0033] 需要说明的是，上述技术方案采用纯氧气氛围环境下的制备工艺，有利于使金属或非金属材料得到充分的氧化反应，并有效隔离空气，能防止金属或非金属在激光辐射高温环境中与空气中的氮气、二氧化碳等反应生成氮化物等杂质，从而有效保证氧化物纳米微粉的纯度。[0034] 特别地指出，上述技术方案采用密闭的储料罐无氧储料送料工艺，包括储料罐预存原料、并将储料罐预抽真空后充入常压惰性气体、同时由送料装置连续送料工艺，使原料储存和送料过程处于无氧环境，实现了安全可靠的连续供料能力，解决了隔离空气、无氮气生产条件下的持续供料难题，使连续批量生产、实现工业化生产成为可能。[0035] 其次，该技术方案采用氧气预热工艺，在氧气进入气化反应炉前通过电加热器将氧气加热到500℃至800℃，其一是提高气化反应炉内气流温度，助力提高激光辐射原料的气化效率，有利于提高设备生产率，并节约大功率激光器能耗；其二是提高原料气化与化合反应后凝结为液态微粒的温度，保证后续进入粒子生长炉内进行高温粒子生长的稳定性。[0036] 此外，如前所述，该技术方案特别提出了双粒子生长炉并联工艺，能在不降低设备生产率的情况下，在一条生产线上生产出超细微粉或较大粒径微粉，满足不同产品精度需要，实现精细化调节和产品精准分级，无需因产品精度需要改造生产线，有利于降低设备投资成本和产品成本。气化反应炉和粒子生长炉采用各自独立的温控降温、散热工艺，有效保护炉腔腔体材料防止高温受损，延长设备使用寿命，同时使粒子生长炉内的高温气流温度保持稳定和可调可控，保证粒子稳定生长和粒径精细化调节。[0037] 综上所述，上述技术方案提出了可行的激光气化反应法制备氧化物纳米微粉材料的工艺方案，具体工艺措施方案包括：真空预处理工艺，常压、密闭氧气环境生产工艺，储料罐无氧储料送料工艺，氧气预热工艺，连续不间断生产工艺，大功率激光辐射气化和化合反应工艺，气化反应炉温控降温工艺，粒子悬浮生长控制工艺，双粒子生长炉并联工艺，粒子生长炉温控散热工艺，骤冷定形工艺，多级快速冷却工艺，多级收尘工艺，氧气循环工艺，全程监控工艺。[0038] 整个工艺流程简捷，工序少，控制操作简便易行。物料的气化和化合反应、合成生长、冷却、收集均在短时间内快速持续完成，生产周期短，效率高，耗能低，无污染，设备投资小，非常适于规模化生产。[0039] 同时，通过调整工艺参数，该工艺可适用于多种氧化物纳米微粉材料的生产，对原料的适应性强，粉料、砂料均可投入生产，原料改变时不需要更换生产线，因此可显著节约设备投资费用，降低生产成本。[0040] 总结本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：[0041] （1）工艺简单、高效、适用范围广：本发明提出了激光气化化合法制备氧化物纳米微粉材料的可行方案，利用大功率激光高效清洁能源，工艺过程简单、快速、高效，无需复杂的设备和操作，生产线适应多种金属或非金属原料，适用范围广。[0042] （2）工艺安全可靠：采用常压、密闭氧气环境生产工艺，无需复杂的真空或超低压、高密闭工艺设备，显著降低了工艺设备复杂性和设计制造成本，提高了生产安全性，使工艺控制操作简便易行，设备运行安全可靠。[0043] （3）粒径可控：提出了粒子高温生长控制工艺，通过设定炉腔长度，调节气流速度、气流温度、温降梯度等工艺参数，可以精确控制微粉的粒径和分布范围，包括超细微粉或较大粒径微粉，这样可以满足不同领域对纳米材料的多样化需求。[0044] （4）产品粒度、均匀度品质高：采用悬浮粒子生长工艺，晶核粒子在高温气流中呈悬浮态进一步碰撞自然生长，并采用二氧化碳低温冷媒骤冷定形工艺，使悬浮粒子迅速凝固定形为球形或不规则结晶形，显著提高产品球化率和晶形品质；再通过多级收尘工艺，实现产品精准分级，进一步提高产品细度、均匀度品质，从而有效提高产品性能。[0045] （5）产品纯度高：采用高纯度原料、真空预处理及常压密闭氧气环境生产工艺，并且所用激光辐射能量为非接触热源，生产过程无杂质产生，确保了产品的高纯度。[0046] （6）可连续批量生产：通过储料罐预存装置、连续送料装置及后级连续工艺流程，实现了连续供料和连续生产，满足批量、规模化生产需要，实现工业化生产。[0047] （7）节能降耗：通过氧气循环工艺，将生产过程中的氧气循环再利用，减少排放，有效降低能耗和生产成本。[0048] （8）生产无污染：生产过程无废气、废水、固体废弃物排出，不造成环境污染。[0049] 综上，本发明可制备出超细化、高纯度、粒度均匀的高品质纳米级氧化物微粉，生产工艺简单易行，生产过程无污染、安全可靠，生产周期短，效率高，能耗低，投资少，产量高，能用于批量工业化生产，具有广泛的应用前景。附图说明[0050] 下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。[0051] 图1是本发明成套设备系统结构原理示意图。[0052] 在图1中：1.大功率激光器；2.气化反应炉；3.气化平台；4.粒子生长炉；5.骤冷器；6.水风冷却器；7.收尘器；8.储料罐；9.送料装置；10.制氧机；11.风机；12.电加热器；13.真空机组；14.循环管道；15.监控系统；16.惰气发生器。具体实施方式[0053] 实施例1：纳米氧化铝粉的制备方法。[0054] 如图1所示，该制备方法所用成套设备包括：大功率激光器1、气化反应炉2、粒子生长炉4、骤冷器5、水风冷却器6、收尘器7、制氧机10、惰气发生器16、储料罐8、真空机组13、监控系统15。整个工艺流程在相对封闭的气流通道内完成，从制氧机10制备出氧气开始，沿氧气流向，通过管道依次连接气化反应炉2、粒子生长炉4、骤冷器5、水风冷却器6和收尘器7的内腔，组成整个气流通道。同时，在该气流通道的末端装有循环管道14连接至制氧机10的出口，将氧气回流，循环利用。储料罐8用于储存原料，并装配有送料装置9，用于将原料推送至气化反应炉2内的气化平台3上。惰气发生器16出口通过管道连接至储料罐8，用于向储料罐8提供常压的惰性气体。制氧机10出口通过管道接有风机11和电加热器12，再连接至气化反应炉2，用于向气化反应炉2提供流量和温度可控的氧气气流。气化反应炉2装有独立的温控降温装置。粒子生长炉4装有单独的温控散热装置和可调风门，用于调节控制气流温度和气流流速；如产品精度需要，便于更加精细化调节，可选装两套同样炉腔尺寸大小的粒子生长炉4并联在一起，连接在气化反应炉2和骤冷器5之间。真空机组13分别与储料罐8和气流通道相连接，用于成套设备运行前将储料罐8和气流通道预抽真空。根据产品精度需要，收尘器7选用旋风收尘器、布袋收尘器或静电收尘器，或选用由这几种收尘器相组合的多级收尘工艺。设备气流管道上装有自动泄压阀，在气流通道气压超过120KPa时，会自动泄压。监控系统15设有监控平台、预警和报警系统以及各设备监控子系统，用于监测、调节和控制各设备运行状态、运行参数及炉腔内气流的工艺参数。[0055] 选料：选用颗粒或粉状的高纯度铝原料备用。[0056] 工艺准备：从储料罐8的投料口，将1至2个班时所需要的铝原料装入储料罐8，关闭投料口使储料罐8处于密闭状态，并通过送料装置9，将一部分铝原料推送至气化反应炉内的气化平台3上。启动监控系统15和真空机组13，在真空泵作用下，排除储料罐8和气流通道内的原有氧气和空气，将真空度气压降至100Pa以下。完成抽真空后，关闭真空管道阀门，并关停真空机13。然后启动惰气发生器16、制氧机10和风机11，先向储料罐8充入惰性气体，使储料罐气压达到常压，即1个大气压；再向气流通道充入氧气，使气流通道气压达到常压。[0057] 工艺流程：依次启动制氧机10出口处的电加热器12、大功率激光器1、气化反应炉2及其温控降温装置、粒子生长炉4及其温控散热装置、骤冷器5、水风冷却器6、收尘器7等设备，使整个成套设备投入运行。在风机11作用下，氧气在气流通道和循环管道14内循环流动，由制氧机10补充氧气，同时调整控制电加热器12的功率，将氧气加热到500℃以上。在气化反应炉2内，将大功率激光器1发出的激光直接作用于气化平台3上的原料，使原料迅速升温气化并与氧气发生化合反应生成氧化铝，再由温度梯度迅速降温凝结成氧化铝晶核微粒，悬浮在氧气中。在气流作用下，氧化铝晶核微粒随高温气流进入粒子生长炉4，通过调节粒子生长炉4的温控散热装置和可调风门来调节控制气流温度和气流流速，使粒子生长炉4出口处气流温度不低于氧化铝熔点温度，氧化铝晶核微粒在高温气流扰动中进一步碰撞凝结，进行粒子的生长。之后随气流进入骤冷器5内，骤冷器5采用二氧化碳低温冷媒，氧化铝微粒被迅速冷却，温度降至其熔点以下，迅速固化定形，生成固态的氧化铝粉，再随气流进入水风冷却器6，温度降到160℃以下，最后随气流进入收尘器7，收集得到高纯度的纳米级氧化铝粉，平均粒径为D505～100nm。[0058] 上述工艺流程中，所述氧化铝熔点为2040℃。[0059] 实施例2：纳米氧化钛粉的制备方法。[0060] 该制备方法所用成套设备：与实施例1相同。[0061] 选料：选用颗粒或粉状的高纯度钛原料备用。[0062] 工艺准备：将1至2个班时所需要的钛原料预装入储料罐8中，其余操作与实施例1工艺准备相同。[0063] 工艺流程：与实施例1工艺流程类似，不同之处是：氧化钛的熔点为1800℃，钛原料在气化反应炉2内气化并与氧气发生化合反应合成氧化钛，再迅速降温形成氧化钛晶核微粒，随气流在粒子生长炉4内生长，在骤冷器5内固化为氧化钛粉，再经水风冷却器6冷却，经收尘器7收集，得到高纯度的纳米级氧化钛粉，平均粒径为D505～100nm。[0064] 实施例3：纳米氧化锌粉的制备方法。[0065] 该制备方法所用成套设备：与实施例1相同。[0066] 选料：选用颗粒或粉状的高纯度锌原料备用。[0067] 工艺准备：将1至2个班时所需要的锌原料预装入储料罐8中，其余操作与实施例1工艺准备相同。[0068] 工艺流程：与实施例1工艺流程类似，不同之处是：氧化锌的熔点为1975℃，锌原料在气化反应炉2内气化并与氧气发生化合反应合成氧化锌，再迅速降温形成氧化锌晶核微粒，随气流在粒子生长炉4内生长，在骤冷器5内固化为氧化锌粉，再经水风冷却器6冷却，经收尘器7收集，得到高纯度的纳米级氧化锌粉，平均粒径为D505～100nm。

专利地区：甘肃

专利申请日期：2024-07-18

专利公开日期：2024-10-08

专利公告号：CN118744969A