CN110062516A - 一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，包括微波源***和上、下转换波导，上转换波导连接真空泵，下转换波导连接微波源***和样品腔，上、下转换波导间设有同轴双层等离子体反应腔管；微波源***产生的微波能量经下转换波导由TE10模转为TEM模传输进入等离子体放电腔，在放电腔管内表面形成表面波，激发工作气体产生高密度微波等离子体作用于待处理丝状材料，同时等离子体发出的光以及部分泄露的微波也可被待处理丝状材料吸收，实现多种手段同时加热。本发明通过设计同轴双层等离子体反应腔管，在有效的冷却方式下产生高密度微波等离子体，可实现多种加热方式同时快速高温热处理丝状材料，大幅度降低生产成本。

Description

一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置
技术领域
本发明属于低温等离子体应用领域，具体涉及一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置。
背景技术
低温等离子体技术可以为材料热处理提供一种高效高温的反应氛围，达到传统热化学无法实现的反应条件，其中微波放电等离子体与其他气体放电方式产生的等离子体相比具有电离密度较高，放电稳定，可控性好等优点，是应用于材料处理等领域的一种重要手段，在现代工业中起着日趋重要的作用。
随着国民经济发展，很多无机丝状材料可作为复合材料的增强体，在军用与民用工业领域发挥着巨大的作用，例如碳纤维、陶瓷纤维和玻璃纤维等。研究表明，高温热处理是提高许多无机丝状材料性能的有效手段，通过高温去除杂质原子，提高主要元素含量，可以得到性能优良的丝状材料。而对于丝状材料高温处理的关键是方法与设备，为此人们利用不同的技术手段设计了多种高温热处理设备。目前常用的高温热处理丝状材料的设备有：1)高温电阻炉：利用电流通过发热炉管形成温度均匀的高温区对材料进行加热，该方法温度场分布较为均匀且易控制，但耗电量大且温度提高有限，发热体寿命短，故生产成本较高。2)感应炉：利用电磁感应和被加热材料的导电性为基础，通过感应原理对材料进行高温处理。该方法虽升温速度快但最高温度有限，且由于纤维直径和电阻率不尽相同，所产生的感应电流不同加热过程中容易产生加热不均匀而影响质量。3)太阳炉：利用太阳光作为热源，通过凹面镜聚焦产生高温，虽然提供了一条不用电能的环保新途径但其温度场完全依赖于天气与大气质量，严重限制了其应用。4)光能炉：利用电能点亮卤素灯、氙灯、红外灯等光源，再由可见光段和红外区域产生的连续或不连续波普加热纤维材料。该方法能耗低且达到的温度较高但所需光源成本较高。
近年来，利用等离子体技术对丝状材料进行高温热处理是一项新的研究领域，气体在加热或强电磁场作用下电离产生的等离子体可在室温条件下快速达到高温条件。目前已有研究人员利用高温热等离子体、直流电弧等离子体、射频等离子体等技术，高温热处理丝状纤维材料。相对于以上技术，微波等离子体具有工作气压宽，电子温度高，纯净无污染等优势，且在利用微波等离子体对丝状材料进行高温处理时，可利用某些丝状材料对电磁波吸收以及辐射作用，通过产生的微波等离子体，电磁波以及等离子体产生的光能等多种加热方式，将大量能量作用于丝状材料上，实现快速且有效的高温热处理。同时，通过调节反应条件，可将多种反应处理一次性完成，大大降低生产成本。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，利用微波等离子体直接高温热处理作用于丝状材料例如碳纤维，所需设备简单，成本较低，只需在室温下就可以使得设备达到热处理所需高温，快速有效进行高温热处理。
本发明采用的技术方案是：
一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：包括微波源***和上、下转换波导，所述上转换波导连接真空泵，下转换波导连接微波源***和样品腔，上、下转换波导间设有同轴双层等离子体反应腔管；
所述同轴双层等离子体反应腔管包括有同轴设置的外层铜管和内层石英玻璃管，内层石英玻璃管内为等离子体放电腔，外层铜管与内层石英玻璃管之间为冷却腔，外层铜管的两端分别设有冷却料进、出口，形成循环冷却；
所述真空泵、样品腔分别与等离子体放电腔连通，样品腔设有进气管，工作气体及待处理丝状材料由样品腔进入等离子体放电腔；
所述微波源***产生的微波能量经下转换波导由TE10模转为TEM模传输进入等离子体放电腔，在放电腔管内表面形成表面波，激发工作气体产生高密度微波等离子体作用于待处理丝状材料，同时等离子体发出的光以及部分泄露的微波也可被待处理丝状材料吸收，实现多种手段同时加热。
所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述微波源***可为磁控管微波源或固态微波源，***频率为0.915GHz或者2.45GHz，或2.45-30GHz频段内的频率，装置尺寸需根据选取频率做相应调整，例如2.45GHz时需选取标准矩形波导BJ22或BJ26。
所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述磁控管微波源包括有微波电源、磁控管、三销钉及短路活塞，微波由微波电源发出经磁控管产生，磁控管与下转换波导之间设置有矩形波导，矩形波导安装有三销钉，下转换波导另一端连接有短路活塞，通过调节三销钉和短路活塞，得到匹配状态和传输良好的微波。
所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述冷却料进口设置在外层铜管靠近下转换波导的一端，冷却料出口设置在外层铜管靠近上转换波导的一端，冷却料采用不吸收微波油类、液态气体或气体。
所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述工作气体为惰性气体或者还原性气体，或所需的反应性气体。
所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述装置可以通过调节微波功率、工作气压调节温度，变化范围为1000℃至5000℃间，同时得到不同长度的微波等离子体。
所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述同轴双层等离子体反应腔管***环绕设有磁场组件，外加磁场可调节微波在等离子体中的传播模式，同时可以使得丝状材料更好的重结晶，提高处理后的丝状材料质量。
所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述待处理丝状材料可以为碳纤维、碳硅复合纤维或陶瓷纤维。
所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述的同轴双层等离子体反应腔管内可存在等离子体加热、电磁波吸收加热、光能加热三种加热方式同时进行。
所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述的同轴双层等离子体反应腔管中的内层石英玻璃管可由陶瓷管等耐高温、孔隙率低且微波透过良好的材料替代，外层铜管可由银、金或镀银铜等良导体材料替代。
本发明的优点是：
本发明利用微波等离子体作为主要加热方式，可实现等离子体加热、电磁波吸收加热、光能加热等多种加热方式同时作用；可在室温条件下达到传统热化学无法实现的温度，对丝状材料的高温热处理有效且快速；可通过调节微波功率、气体压强等灵活调节温度区间，可在低气压的情况下获得较高温度；同时设计双层同轴反应腔管，可在反应过程中，利用冷却腔对高温放电腔进行循环冷却，冷却方式多样，结构简单，使用寿命较传统装置大大提升；同时可以外加磁场组件，利用磁场作用进一步优化处理效果；本发明装置尺寸可根据需要灵活调节，大大降低了设备的开发难度及材料制作成本，易于实现工业化生产。
附图说明
图1为一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置原理图(频率为2.45GHz)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体应用实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的应用范围。
如图1为本发明装置在微波源***频率为2.45GHz时的装置原理图，一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，包括微波源***和上、下转换波导2、6，所述上转换波导2连接真空泵1，下转换波导6连接微波源***和样品腔，上、下转换波导间2、6设有同轴双层等离子体反应腔管；双层等离子体反应腔管包括有同轴设置的外层铜管4和内层石英玻璃管5，内层石英玻璃管5内为等离子体放电腔，外层铜管4与内层石英玻璃管5之间为冷却腔，外层铜管4的两端设有分别设有冷却料进口7、出口3，形成循环冷却；真空泵1、样品腔分别与等离子体放电腔连通，样品腔设有进气管8，工作气体及待处理丝状材料由样品腔进气管8进入等离子体放电腔；微波源***采用磁控管微波源，磁控管微波源包括有微波电源12、磁控管11、三销钉10及短路活塞9，微波由微波电源12发出经磁控管11产生，磁控管11与下转换波导6之间设置有矩形波导14，矩形波导14安装有三销钉10，下转换波导6另一端连接有短路活塞9，通过调节三销钉10和短路活塞9，得到匹配状态和传输良好的微波。
丝状材料由样品腔进入内层石英层玻璃管5，从两端固定拉直，安装完毕后真空泵1抽真空并由进气管8向等离子体放电腔通入工作气体。微波源***产生的微波能量经三销钉10和短路活塞9调节，通过下转换波导6由TE10模转为TEM模传输进入等离子体放电腔，在放电腔管内表面形成表面波，激发工作气体产生高密度微波等离子体作用于待处理丝状材料，同时等离子体发出的光以及部分泄露的微波也被待处理丝状材料吸收，实现多种手段同时加热。双层等离子体反应腔管***环绕设有磁场组件13，外加磁场可调节微波在等离子体中的传播模式，同时可以使得丝状材料更好的重结晶，提高处理后的丝状材料质量。
装置可以通过调节微波功率、工作气压调节温度，变化范围为1000℃至5000℃间，同时得到不同长度的微波等离子体。
利用本发明装置进行处理碳纤维T300，上、下转换波导间连接的同轴双层等离子体反应腔管，双层等离子体反应腔管内水平拉伸放置碳纤维T300，在液氮冷却的条件下，产生微波等离子体，同时伴随亮光，对于碳纤维这种吸波材料而言，此时双层等离子体反应腔管内便存在微波等离子体加热、电磁波吸收加热，光能加热等多种加热方式。可见本发明装置可实现微波等离子体产生及其对丝状材料的高温热处理。
如表1为利用本发明装置处理碳纤维T300后得到的实验数据结果。实验条件均选择氩气作为工作气体，在放电稳定后对反应腔管中的碳纤维处理2min，由表结果可以看出，相对比市面上直接购买到的T300碳纤维，通过本发明装置高温热处理后有效地提高了其碳元素含量，并通过调节微波功率和工作气压，在微波功率1500W，工作气压450Pa的条件下，得到了C含量为96.34％的碳纤维超过目前市面上T800碳纤维的碳元素含量。由此表明，本发明装置可以有效快速地利用微波等离子体高温热处理丝状材料。
表1利用本发明装置(频率为2.45GHz)处理碳纤维T300的实验数据结果：

Claims (10)

1.一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：包括微波源***和上、下转换波导，所述上转换波导连接真空泵，下转换波导连接微波源***和样品腔，上、下转换波导间设有同轴双层等离子体反应腔管；
所述同轴双层等离子体反应腔管包括有同轴设置的外层铜管和内层石英玻璃管，内层石英玻璃管内为等离子体放电腔，外层铜管与内层石英玻璃管之间为冷却腔，外层铜管的两端分别设有冷却料进、出口，形成循环冷却；
所述真空泵、样品腔分别与等离子体放电腔连通，样品腔设有进气管，工作气体及待处理丝状材料由样品腔进入等离子体放电腔；
所述微波源***产生的微波能量经下转换波导由TE10模转为TEM模传输进入等离子体放电腔，在放电腔管内表面形成表面波，激发工作气体产生高密度微波等离子体作用于待处理丝状材料，同时等离子体发出的光以及部分泄露的微波也可被待处理丝状材料吸收，实现多种手段同时加热。
2.根据权利要求1所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述微波源***可为磁控管微波源或固态微波源，***频率为0.915GHz或者2.45GHz，或2.45-30GHz频段内的频率，装置尺寸需根据选取频率做相应调整。
3.根据权利要求2所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述磁控管微波源包括有微波电源、磁控管、三销钉及短路活塞，微波由微波电源发出经磁控管产生，磁控管与下转换波导之间设置有矩形波导，矩形波导安装有三销钉，下转换波导另一端连接有短路活塞，通过调节三销钉和短路活塞，得到匹配状态和传输良好的微波。
4.根据权利要求1所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述冷却料进口设置在外层铜管靠近下转换波导的一端，冷却料出口设置在外层铜管靠近上转换波导的一端，冷却料采用不吸收微波油类、液态气体或气体。
5.根据权利要求1所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述工作气体为惰性气体或者还原性气体，或所需的反应性气体。
6.根据权利要求1所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述装置可以通过调节微波功率、工作气压调节温度，变化范围为1000℃至5000℃间，同时得到不同长度的微波等离子体。
7.根据权利要求1所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述同轴双层等离子体反应腔管***环绕设有磁场组件，外加磁场可调节微波在等离子体中的传播模式，同时可以使得丝状材料更好的重结晶，提高处理后的丝状材料质量。
8.根据权利要求1所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述待处理丝状材料可以为碳纤维、碳硅复合纤维或陶瓷纤维。
9.根据权利要求1所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述的同轴双层等离子体反应腔管内可存在等离子体加热、电磁波吸收加热、光能加热三种加热方式同时进行。
10.根据权利要求1所述的一种微波等离子体高温热处理丝状材料的装置，其特征在于：所述的同轴双层等离子体反应腔管中的内层石英玻璃管可有陶瓷管替代，外层铜管可由银、金或镀银铜管替代。
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