【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及材料制备领域，特别涉及一种用于材料制备的气加速合成系统和方法。
技术介绍
1、气加速合成法结合空气动力学、颗粒动力学、气固两相流动力学等多学科交叉领域技术，通过超声速气流加速带动固体颗粒运动、伴有动量交换并发生颗粒间的剧烈碰撞，将机械能转化为反应生成物的化学能，实现室温及低温条件下材料的固相反应快速制备。
2、传统制备粉末材料的方法主要有雾化法，制得粉末产物粒径分布不均、粒径范围大，需多次筛选分级并检验产物粒径，步骤繁琐效率较低；同时无法避免引入杂质，产物纯度无法保证；制备过程消耗大量气体，导致高性能材料制备过程成本较高，无法满足产业发展需求。此外，球磨、研磨等低温固相反应合成方法也常被用于材料制备，但是整体效率过低，需要长时间大量能量输入维持装置运行，原料不可避免存在大量无效碰撞，耗时费能；同时无法避免杂质问题，产物纯度无法精确控制，反应过程机制复杂、无法精准调控，不能实现定量化研究与优化，产物中不同组分材料为局部表面接触，几乎无法深入内部形成内嵌结构。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于，针对上述不足之处提供一种用于材料制备的气加速合成系统和方法，解决了现有技术中在制备粉末材料时，球磨、研磨等低温固相反应合成方法整体效率过低，需要长时间大量能量输入维持装置运行，原料存在大量无效碰撞，耗时费能；同时存在杂质问题，产物纯度无法精确控制；反应过程机制复杂、无法精准调控，不能实现定量化研究与优化；产物中不同组分材料为局部接触，几乎无法深入内部，从而实现内嵌
2、本专利技术是通过下述方案来实现的：
3、一种用于材料制备的气加速合成系统，包括气源单元、原料添加单元、加速室单元、反应室单元、循环室单元和收集室单元；所述加速室单元、反应室单元和循环室单元相互连通形成循环回路，所述气源单元、原料添加单元、以及收集室单元分别与循环回路连通；在循环回路中还设置有分离单元，所述分离单元用于将循环回路中的颗粒进行分离；大颗粒分离后以低速输送反应室单元，小颗粒分离后再次输送到循环回路中；产物通过收集室单元收集。
4、基于上述一种用于材料制备的气加速合成系统的结构，所述加速室单元中设置有功率调节组件，功率调节组件用于调节加速室中对于气流的加速速度，能够根据所需原料的制备的碰撞速度进行适应性调节。
5、基于上述一种用于材料制备的气加速合成系统的结构，原料添加单元中设置有闭环称重控制系统，通过闭环称重控制系统实现原料按特定加料速度从储料斗中均匀送入气流场，完成自动添加原料。
6、基于上述一种用于材料制备的气加速合成系统的结构，循环回路中还设置有温度控制单元，通过温度控制单元能够调节气流温度，通过不同温度传感器的反馈，实时控制流场温度分布，完成特定温度下的固相反应。
7、基于上述一种用于材料制备的气加速合成系统的结构，所述分离单元包括颗粒分级装置和下料管道；所述颗粒分级装置与循环回路连接，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，另一端延伸到循环回路的反应室单元中。
8、基于上述一种用于材料制备的气加速合成系统的结构，所述分离单元包括逆气螺旋送粉装置，所述逆气螺旋送粉装置的入口端与循环回路连接，所述逆气螺旋送粉装置的出口端插入到反应室单元中。
9、基于上述一种用于材料制备的气加速合成方法，具体包括以下步骤：
10、步骤一：调整相关参数构建超声速稳定优质气流场;
11、步骤二：将制备原料按照理想产物中各组分的质量百分比均匀混合，通过原料添加单元送入循环回路的高速气流中;
12、步骤三：原料随气流加速运动形成气固两相流，在运动过程中，不同粒径大小的颗粒通过分离单元进行大小颗粒分离，大颗粒被分离后以低速进入到反应室单元，小颗粒继续在循环回路中进行高速循环，大小颗粒在反应式单元中发生相互碰撞；
13、步骤四：在循环管道中满足要求的目标生成物被收集室单元回收；
14、步骤五：未完成反应的原料或半成品经循环控制装置分级后，可再次进入循环回路气流场中重复加速、摩擦、碰撞、轰击；
15、步骤六：按要求完成材料制备后，关闭气源。
16、在步骤一中，优质气流场中的气体介质惰性气体。
17、在步骤二：所述原料为铝、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。
18、在步骤三：在反应式单元中设置有靶头，大小颗粒会在反应室内与靶头碰撞，并反弹后与上游原材料发生二次碰撞，实现机械能到化学能或内能的转化完成固相反应。
19、综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：
20、1、本专利技术的气加速合成体系中，对材料制备环境无高温、高压需求，相应设备制造成本较低，操作简单快捷；合成方法对反应原料无特殊要求，无需液态溶剂、催化剂等参与；制备过程以超声速气流作为能量介质，缩短反应时间，提高合成效率；未引入其他杂质，产物纯度可控。
21、2、本专利技术具有反应速率快、合成效率高、环境友好无污染等特点，具有优异的应用前景。
22、3、本方案所设的分级分离单元，可实现按粒径不同进入不同流道，使其具有不同速度分别进入超声速流场。其速度差可更好的实现制备原料间的碰撞，加速固相反应过程的完成，提高能量利用效率。同时可以实现根据颗粒粒径完成目标产物的分离筛选，送入产物收集单元进行储存。
23、4、本专利技术采用气固两相流气流场设计，将固相原料颗粒引入超声速流场进行加速运动，原料在高速尤其是超声速条件下相互摩擦、碰撞，直至在靶头处猛烈撞击，然后利用特定流场设计筛分不同粒径产物作分级处理。制备过程设置为闭环循环流动，多次反应后完成制备过程。在气固两相流流动中，不同体系下的制备原料随气流加速至超声速状态，获得很高的机械能。原料间的相互碰撞和与靶头的轰击过程中，实现机械能到化学能或内能的转化完成固相反应。未完成反应的原料或半成品经循环控制装置分级后，可再次进入气流场中重复加速、摩擦、碰撞、轰击过程。
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1.一种用于材料制备的气加速合成系统，包括气源单元、原料添加单元、加速室单元、反应室单元、循环室单元和收集室单元；所述加速室单元、反应室单元和循环室单元相互连通形成循环回路，所述气源单元、原料添加单元、以及收集室单元分别与循环回路连通；其特征在于：在循环回路中还设置有分离单元，所述分离单元用于将循环回路中的颗粒进行分离；大颗粒分离后以低速输送反应室单元，小颗粒分离后再次输送到循环回路中；产物通过收集室单元收集。
2.如权利要求1所述的一种用于材料制备的气加速合成系统，其特征在于：所述加速室单元中设置有功率调节组件，功率调节组件用于调节加速室中对于气流的加速速度，能够根据所需原料的制备的碰撞速度进行适应性调节。
3.如权利要求2所述的一种用于材料制备的气加速合成系统，其特征在于：原料添加单元中设置有闭环称重控制系统，通过闭环称重控制系统实现原料按预定加料速度从储料斗中均匀送入气流场，完成自动添加原料。
4.如权利要求3所述的一种用于材料制备的气加速合成系统，其特征在于：循环回路中还设置有温度控制单元，通过温度控制单元能够调节气流温度，通过不同温度
5.如权利要求1所述的一种用于材料制备的气加速合成系统，其特征在于：所述分离单元包括颗粒分级装置和下料管道；所述颗粒分级装置与循环回路连接，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，另一端延伸到循环回路的反应室单元中。
6.如权利要求1所述的一种用于材料制备的气加速合成系统，其特征在于：所述分离单元包括逆气螺旋送粉装置，所述逆气螺旋送粉装置的入口端与循环回路连接，所述逆气螺旋送粉装置的出口端插入到反应室单元中。
7.一种基于权利要求1~6任一所述用于材料制备的气加速合成系统的方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
8.如权利要求7所述的一种用于材料制备的气加速合成方法，其特征在于：在步骤一中，优质气流场中的气体介质惰性气体。
9.如权利要求7所述的一种用于材料制备的气加速合成方法，其特征在于：在步骤二：所述原料为铝、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。
10.如权利要求7所述的一种用于材料制备的气加速合成方法，其特征在于：在步骤三：在反应式单元中设置有靶头，大小颗粒会在反应室内与靶头碰撞，并反弹后与上游原材料发生二次碰撞，实现机械能到化学能或内能的转化完成固相反应。
...【技术特征摘要】
1.一种用于材料制备的气加速合成系统，包括气源单元、原料添加单元、加速室单元、反应室单元、循环室单元和收集室单元；所述加速室单元、反应室单元和循环室单元相互连通形成循环回路，所述气源单元、原料添加单元、以及收集室单元分别与循环回路连通；其特征在于：在循环回路中还设置有分离单元，所述分离单元用于将循环回路中的颗粒进行分离；大颗粒分离后以低速输送反应室单元，小颗粒分离后再次输送到循环回路中；产物通过收集室单元收集。
2.如权利要求1所述的一种用于材料制备的气加速合成系统，其特征在于：所述加速室单元中设置有功率调节组件，功率调节组件用于调节加速室中对于气流的加速速度，能够根据所需原料的制备的碰撞速度进行适应性调节。
3.如权利要求2所述的一种用于材料制备的气加速合成系统，其特征在于：原料添加单元中设置有闭环称重控制系统，通过闭环称重控制系统实现原料按预定加料速度从储料斗中均匀送入气流场，完成自动添加原料。
4.如权利要求3所述的一种用于材料制备的气加速合成系统，其特征在于：循环回路中还设置有温度控制单元，通过温度控制单元能够调节气流温度，通过不同温度传感器的反馈，实时控制流场温度分布，完成预定温度下的固相反应。
5.如权利要求1所述的一种用于材料制备的气...
【专利技术属性】
技术研发人员：王显圣，刘刚，熊能，尹刚，杨洋，张凯，陈学孔，张悦，郑晓东，林学东，林俊，余鑫，兰毅，邓路军，杨可朋，景川，刘洋，
申请(专利权)人：中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所，
类型：发明
国别省市：
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