CN105256373A - 通气流制备超细纳米粉末的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通气流制备超细纳米粉末的方法，该方法用于超细纳米粉煅烧炉，该方法利用气流将需要高温烧结的纳米粉末材料在炉体中吹散，实现颗粒间的充分分离，防止高温烧结过程中颗粒间的长时间接触导致的颗粒长大，具体包括以下步骤：a.需要高温烧结的纳米粉末材料放置于炉子内胆底部；b.从进气口通入气体，控制气流速率，在气流浮力和粉末颗粒重力的相互作用下，使其充分分散于炉体内胆中；c.充分分散的纳米粉末样品在高温下烧结实现充分的晶化；d.通入的气体从出气口流出。本发明避免了颗粒间长时间接触导致的晶粒长大，从而实现颗粒尺寸不长大，同时通过高温烧结获得良好晶体结构的超细纳米粉末的制备。

Description

通气流制备超细纳米粉末的方法

技术领域

本发明涉及一种新型的高温炉子的设计，实现超细纳米粉体的高温制备的工艺。

背景技术

纳米材料在当今工业生产和社会生活中具有越来越重要的应用，虽然有各种化学制备方法，但是产量不高，工业生产最合适的方法是高温烧结制备工艺。但是纳米材料随着烧结温度的升高，虽然晶体结构会更加完整，但是颗粒尺寸也会急剧增大，而颗粒尺寸对纳米材料的性能具有至关重要的影响。通常为了获得超细尺寸的纳米粉体，只能降低烧结的温度，而低温烧结会导致颗粒结晶不完整，导致最终材料性能下降。如何能在高温烧结改善晶体结构的同时又有效的控制颗粒尺寸的长大，充分实现纳米粉体材料的特殊功能，是迫切需要解决的问题。为了实现这一功能，我们对现有的高温炉进行了改造，设计了独特的利用气流分散纳米粉末颗粒的高温烧结制备工艺。

发明内容：

技术问题：本发明的目的在于提供一种通气流制备超细纳米粉的方法，实现超细纳米粉体的高温制备。

发明内容：为解决上述技术问题，本发明提供了一种通气流制备超细纳米粉末的方法该方法用于超细纳米粉煅烧炉，该方法利用气流将需要高温烧结的纳米粉末材料在炉体中吹散，实现颗粒间的充分分离，防止高温烧结过程中颗粒间的长时间接触导致的颗粒长大，具体包括以下步骤：

a.需要高温烧结的纳米粉末材料放置于炉子内胆底部；

b.从进气口通入气体，控制气流速率，在气流浮力和粉末颗粒重力的相互作用下，使其充分分散于炉体内胆中；

c.充分分散的纳米粉末样品在高温下烧结实现充分的晶化；

d.通入的气体从出气口流出。

优选的，炉体加热采用电炉丝、硅碳棒或者硅钼棒，采用热电偶测量温度，利用温控仪进行控温。

优选的于，内胆两端气体入口和气体出口处分别连接密封装置，隔绝空气。

有益效果：本发明通过通入气流将超细纳米粉体吹散在炉体内部，避免烧结时颗粒间长时间的接触，导致高温下颗粒的长大，从而在改善晶体结构的同时阻止颗粒尺寸的长大，获得高质量的超细纳米粉体材料。该装置不仅适用于实验室内纳米材料的制备，同时也可以应用于工业生产制备高品质的超细纳米粉体产品。

附图说明

图1通气氛超细纳米粉体烧结的原理示意图，其中有：

1-炉体

2-内胆

3-气体入口

4-气体出口

5-超细纳米粉末

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的通气流制备超细纳米粉的方法，原理如附图所示，待烧结的超细纳米粉末材料放置于内胆底部，通过气体入口将一定的气流，可以使恒定速率的或者脉冲的气流，通入内胆，在气流的浮力与粉末重力的相互作用下，纳米超细粉末悬浮于内胆中部，并获得充分分散。将炉子升温到特定温度，对超细纳米粉末进行充分的烧结获得结晶良好的纳米粉末样品。

本发明提供的通气流制备超细纳米粉末的方法，该方法用于超细纳米粉煅烧炉，该方法利用气流将需要高温烧结的纳米粉末材料在炉体中吹散，实现颗粒间的充分分离，防止高温烧结过程中颗粒间的长时间接触导致的颗粒长大，具体包括以下步骤：

a.需要高温烧结的纳米粉末材料放置于炉子内胆底部；

b.从进气口通入气体，控制气流速率，在气流浮力和粉末颗粒重力的相互作用下，使其充分分散于炉体内胆中；

c.充分分散的纳米粉末样品在高温下烧结实现充分的晶化；

d.通入的气体从出气口流出。

1.多铁性氧化物BiFeO₃超细粉体的制备

BiFeO₃是一种同时具有高于室温的铁电性和反铁磁性的多铁性氧化物，相邻的Fe离子间自旋存在微小的倾角，存在一定的净磁矩，同时磁结构又具有64纳米的螺旋周期结构，导致大颗粒BiFeO₃的宏观磁矩被抵消几乎为零。为了使BiFeO₃获得增强的铁磁性，一种方法就是保持BiFeO₃颗粒的尺寸在64纳米以下，这样颗粒内部就不存在完整的螺旋周期结构，颗粒将存在一定的净磁矩，从而对外表现出一定的铁磁性。通常实验中采用低温烧结的工艺来获得尺寸低于64纳米的粉体材料，然而由于低温烧结，BiFeO₃晶体结构不完整，存在大量的缺陷，影响其磁性和铁电性质。

采用本发明的炉子，可以将低温烧结已经成相的BiFeO₃纳米粉体材料放入内胆中，通入空气或者氧气，保持一定的气流，使BiFeO₃粉体在内胆中被吹散在内胆中部，也可以采用间歇式通气的方式，保持一定的低速气流，提供烧结所需的反应氧气气氛，再间歇式的通入大气流，将粉体吹散到内胆中部，完全散开，随着重力下落，由下次的脉冲气流再次吹散粉体，保持其在内胆中处于分散状态。将炉温升高到600到800度，保温2到10小时，高温下BiFeO₃将实现充分的晶化，获得良好的晶体结构，同时粉体颗粒烧结过程中处于分散状态，将无法长大，从而实现具有良好晶体结构的BiFeO₃超细纳米粉体的制备，控制其颗粒尺寸在64纳米以下。

2.锂电池正极材料LiFePO₄超细粉体的制备

锂电池在当今社会生活中发挥越来越重要的作用。锂电池中正极材料的性能至关重要。LiFePO₄是非常重要的正极材料，具有较高的能量密度，高安全性和长使用寿命，可应用于电动汽车的动力电池。然而其导电性差和锂离子迁移率低也极大的限制了其应用，特别是在高倍率下的充放电性能。通常通过将LiFePO₄纳米化，减小其尺寸，从而缩短锂离子扩散的距离来改善其快充的性能。

LiFePO₄需要通过高温烧结来制备。在低温烧结时虽然已经成相，颗粒尺寸非常小，大约在50纳米到100纳米，但是结晶不完整，导致其电化学性能很差。高温烧结虽然极大的改进了其晶体结构，但是颗粒尺寸明显长大到微米和亚微米尺寸，导致其高倍率下性能下降非常明显。

采用本发明的炉子，可以将在低温下烧结制备的LiFePO₄粉体材料放入炉子内胆，由于LiFePO₄的制备需要隔绝空气，防止二价Fe被氧化成三价Fe，可以在炉子中通入保护气氛，例如氩气或者氮气等，保持一定的气流将LiFePO₄粉体吹散在内胆中部，或者保底一定的低气流的保护气体，再间接式的通入脉冲大气流的保护气体，使粉体充分分散在内胆中部，炉子温度升高到700到800度，烧结10到30小时，可以使LiFePO₄粉体在高温下充分的晶化同时又避免颗粒间长时间接触导致的颗粒长大，从而获得高质量的LiFePO₄超细粉体材料，制备高性能的锂电池正极材料。

需要设计特殊结构的炉子，其特征在于炉体采用垂直式样，炉子底部可以密闭隔热，炉子上端开口，方便通气内胆放入，内胆放入后，炉体上部可以用隔热棉等做进一步的隔热处理，炉体加热可以采用电炉丝、硅碳棒或者硅钼棒，采用热电偶测量温度，利用温控仪进行控温。

通气氛内胆具有不对称U型结构，反应气体从细管上端通入，将要烧结的粉末从底部吹散，气体从粗管另一端流出。

炉子可以按照烧结要求升到特定的温度对粉末颗粒进行高温烧结。颗粒间充分的分散避免高温烧结过程中颗粒间长时间接触导致的颗粒长大，高温烧结促进颗粒的结晶。

根据权利要求1所述的通气流制备超细纳米粉末的工艺，其特征在于内胆两端气体入口和气体出口处可以连接密封装置，隔绝空气，通入特殊反应气体或者保护气体。

本发明提供了一种在烧结过程中防止颗粒间长时间接触导致晶粒长大的超细纳米粉末材料的制备工艺，通过设计特殊的炉体结构，可以从气体入口3向炉子内胆2底部通入气氛，在粉末材料烧结过程中，从底部通入一定流量的气体，可以连续通气，或者也可以间歇式的通气，将粉末从炉体底部吹到内胆2中部，通过控制气流的速率，使得需要烧结的粉末被气流吹至内胆2中部，粉体在内胆2中部散开，避免了颗粒间长时间接触导致的晶粒长大，从而实现颗粒尺寸不长大，同时通过高温烧结获得良好晶体结构的超细纳米粉末的制备。

通入气氛以分散纳米粉末颗粒，避免高温烧结过程颗粒长时间接触导致的颗粒尺寸长大的纳米粉末制备工艺。本发明设计了具有特殊结构的通气氛高温炉，利用气流将需要高温烧结的纳米粉末材料在炉体中吹散，实现颗粒间的充分分离，既能通过高温烧结改善纳米粉体颗粒晶体结构，同时又能避免在烧结过程中颗粒长大的问题。设计的炉体包括炉体部分，内胆部分，密封装置。其特征在于：炉体采用垂直式样，炉子底部可以密闭隔热，炉子上端开口，方便通气内胆放入，炉体加热可以采用电炉丝、硅碳棒或者硅钼棒，采用热电偶测量温度。控制设备，其中控制设备包括手动控制装置及自动控制装置，用于调节玻璃的透过率及自动发热。通气氛内胆具有不对称U型结构，反应气体从上端通入，将要烧结的粉末从底部吹散，气体从另一端流出。内胆两端可以连接密封装置，隔绝空气，通入特殊反应气体或者保护气体。本发明通过通入气流将超细纳米粉体吹散在炉体内部，避免烧结时颗粒间长时间的接触，导致高温下颗粒的长大，从而在改善晶体结构的同时阻止颗粒尺寸的长大，获得高质量的超细纳米粉体材料。该装置不仅适用于实验室内纳米材料的制备，同时也可以应用于工业生产制备高品质的超细纳米粉体产品。

本发明提供了一种简单实用的超细纳米粉体材料烧结制备的思路及实施方法，具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，例如内胆和炉体的形状可以做进一步的改进，单一的气路可以改进为多气路等，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种通气流制备超细纳米粉末的方法，其特征在于，该方法用于超细纳米粉煅烧炉，该方法利用气流将需要高温烧结的纳米粉末材料在炉体中吹散，实现颗粒间的充分分离，防止高温烧结过程中颗粒间的长时间接触导致的颗粒长大，具体包括以下步骤：

a.需要高温烧结的纳米粉末材料放置于炉子内胆底部；

b.从进气口通入气体，控制气流速率，在气流浮力和粉末颗粒重力的相互作用下，使其充分分散于炉体内胆中；

c.充分分散的纳米粉末样品在高温下烧结实现充分的晶化；

d.通入的气体从出气口流出。

2.根据权利要求1所述的通气流制备超细纳米粉末的方法，其特征在于，炉体加热采用电炉丝、硅碳棒或者硅钼棒，采用热电偶测量温度，利用温控仪进行控温。

3.根据权利要求1所述的通气流制备超细纳米粉末的方法，其特征在于，内胆两端气体入口和气体出口处分别连接密封装置，隔绝空气。