DE102014110802B3 - Production of nanopowders - Google Patents

Abstract

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nanopulver aus Materialien wie Metall, Halbmetall, Keramik und Kohlenstoff. Dabei wird das Material in einer Prozesskammer verdampft und bei Unterdruck in einem Gasfluss zu Nanopulver umgesetzt. Das Verfahren ermöglicht besonders hohe Ausbeuten und hervorragende Partikeleigenschaften.This invention relates to a process for producing nanopowder from materials such as metal, semi-metal, ceramic and carbon. The material is vaporized in a process chamber and converted into nanopowder in a gas flow under reduced pressure. The process allows particularly high yields and excellent particle properties.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Nanopulver. Nanopulver finden in einer Vielzahl von technischen Gebieten Verwendung zum Beispiel als Füllstoffe, Katalysatoren, chemisch aktive Materialien, Absorptionsmittel, dekorative Materialien, Markierungsmittel und Ähnliches. The present invention relates to a process for the production of nanopowders. Nanopowders find use in a variety of technical fields, for example, as fillers, catalysts, chemically active materials, absorbents, decorative materials, marking agents, and the like.

Im Stand der Technik sind eine große Anzahl an Verfahren bekannt, um Nanopulver herzustellen. Allen Verfahren ist gemein, dass die Herstellung sehr aufwändig und damit teuer ist. Es ist wünschenswert, die Ausbeute an Nanopulver und die Effizienz im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren zu erhöhen. In the prior art, a large number of methods are known for producing nanopowders. All methods have in common that the production is very complex and therefore expensive. It is desirable to increase the yield of nanopowder and the efficiency in comparison with the conventional methods.

Korchagin et al. („Production of Nanopowders using high power electron accelerator“, Proceedings of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, pp. 330–332) beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Nanopulver. Dabei wird eine Elektronenstrahlkanone mit sehr hoher Beschleunigungsspannung eingesetzt. Die Herstellung erfolgt unter Gasfluss, wobei eine Flussrate von etwa 15 m³/min eingestellt wird. Der Energie- und Gasverbrauch einer solchen Anlage ist extrem hoch, so dass eine wirtschaftliche Herstellung von Nanopulver mit diesem Verfahren nicht möglich ist. Korchagin et al. ("Production of Nanopowders using high power electron accelerators", Proceedings of RuPAC 2008, Zvenigorod, Russia, pp. 330-332) describes a process for the production of nanopowders. In this case, an electron beam gun is used with very high acceleration voltage. The preparation is carried out under gas flow, wherein a flow rate of about 15 m ³ / min is set. The energy and gas consumption of such a system is extremely high, so that an economical production of nanopowder is not possible with this method.

DE 10 2007 041 327 A1 betrifft ein Verfahren zur Verdampfung von Metall und Metalllegierungen. Zu diesem Zweck wird ein Plasmabrenner eingesetzt. Dieser erzeugt Nanopulver in pulsierendem Betrieb. Die Verdampfung erfolgt unter Atmosphärendruck. Daher ist die Ausbeute an Nanopulver gering. DE 10 2007 041 327 A1 relates to a process for the vaporization of metal and metal alloys. For this purpose, a plasma torch is used. This produces nanopowder in pulsating operation. The evaporation takes place under atmospheric pressure. Therefore, the yield of nanopowder is low.

US 2008/0268178 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung verkapselter Nanopulver und Einrichtungen zur Realisierung derselben. Die Verdampfung erfolgt jedoch im Vakuum unter geringem Druck. US 2008/0268178 A1 discloses a method for producing encapsulated nanopowders and devices for realizing the same. However, the evaporation takes place in a vacuum under low pressure.

WO 2012/150804 A2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von an einem Stempel angebrachte Nanopulver. Die Verdampfung erfolgt jedoch im Vakuum unter geringem Druck. WO 2012/150804 A2 discloses a method of making nanopowder attached to a stamp. However, the evaporation takes place in a vacuum under low pressure.

Offenbar besteht ein Bedarf, Verfahren bereitzustellen, mit denen eine effiziente und kostengünstige Herstellung von Nanopulver möglich ist. Die erfindungsgemäß hergestellten Nanopulver sollen ferner eine möglichst günstige Partikelgrößenverteilung aufweisen und mit hoher Reinheit darstellbar sein. Das Verfahren gemäß den Patentansprüchen ist geeignet, diesen Anforderungen gerecht zu werden. There appears to be a need to provide methods that enable efficient and inexpensive production of nanopowder. The nanopowders produced according to the invention should furthermore have the most favorable particle size distribution possible and be presentable with high purity. The method according to the claims is suitable to meet these requirements.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Nanopulver umfasst die folgenden Schritte:

• – Bereitstellen wenigstens einer Materialquelle in einer Prozesskammer,
• – Evakuieren der Prozesskammer,
• – Erhitzen des Materials auf eine Temperatur, bei der das Material verdampft, mittels wenigstens einer Elektronenstrahlkanone oder einem Plasmabrenner als Wärmequelle, wobei während der Verdampfung des Materials ein Gas mit einer Flussrate von 1–1000 sl/min (Standard-Liter pro Minute), entspricht 1–1000 l/min bei Standardbedingungen, in die Prozesskammer eingeleitet wird und in der Prozesskammer ein Druck von wenigstens 1,5 Pa eingestellt wird, so dass Nanopartikel erhalten werden,
• – Entnahme des Nanopulvers aus der Prozesskammer.

The process according to the invention for the production of nanopowders comprises the following steps:

• Providing at least one material source in a process chamber,
• - evacuating the process chamber,
• Heating the material to a temperature at which the material evaporates by means of at least one electron beam gun or plasma torch as heat source, during which gas is vaporized at a flow rate of 1-1000 sl / min (standard liter per minute), corresponds to 1-1000 l / min at standard conditions, is introduced into the process chamber and in the process chamber, a pressure of at least 1.5 Pa is set, so that nanoparticles are obtained,
• - Removal of the nanopowder from the process chamber.

Es wurde gefunden, dass bei Beachtung der oben genannten Verfahrensparameter Nanopulver erhalten werden, die hinsichtlich der Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung sehr vorteilhaft sind. Ein wesentlicher Unterschied zum Stand der Technik besteht darin, dass das erfindungsgemäße Verfahren bei reduzierten Druck durchgeführt wird, der jedoch wenigstens 1,5 Pa beträgt. In Kombination mit dem erfindungsgemäß wesentlichen aber moderaten Gasfluss werden vorteilhafte Nanopulver in sehr guter Ausbeute erzeugt. Ausbeuten von über 50% (m/m), insbesondere über 60% bzw. über 75% im Verhältnis zum verdampften Material sind mit dem Verfahren möglich. It has been found that nanopowders which are very advantageous in terms of particle size and particle size distribution while maintaining the above-mentioned process parameters. An essential difference from the prior art is that the inventive method is carried out at reduced pressure, but which is at least 1.5 Pa. In combination with the essential but moderate gas flow according to the invention, advantageous nanopowders are produced in very good yield. Yields of over 50% (m / m), in particular over 60% or over 75% in relation to the evaporated material are possible with the method.

Die Materialquelle besteht vorzugsweise aus einem festen Körper, sie ist insbesondere ein zylindrischer Körper. Es sind aber auch andere Formen denkbar, insbesondere solche mit rechteckigem Querschnitt. Die Materialquelle kann drehbar ausgeführt sein und sich bevorzugt während des Verfahrens drehen, um eine gleichmäßige Verdampfung zu unterstützen. Wird eine Elektronenstrahlkanone als Wärmequelle genutzt, ist es wegen der Flexibilität der Strahlablenkung in der Regel nicht erforderlich, die Materialquelle zu drehen. Die Materialquelle umfasst das zu verdampfende Material. Das zu verdampfende Material ist vorzugsweise ein Metall, ein Halbmetall, eine Keramik, Kohlenstoff oder eine Mischung bzw. Legierung daraus. Das Material ist vorzugsweise ausgewählt aus den Übergangsmetallen, insbesondere jenen der Gruppen IVB, VB und VIB sowie Eisen, Kobalt, Nickel, Lithium, Beryllium, Aluminium und Silizium sowie Mischungen daraus. Auch Kohlenstoff, insbesondere in Form von Graphit, kann verwendet werden. Als Keramiken kommen vorzugsweise Oxid-, Nitrid- oder Oxynitridkeramiken sowie Carbide infrage, insbesondere SiO₂, TiN, Gd₂O₃ oder Mischungen daraus. The material source preferably consists of a solid body, it is in particular a cylindrical body. However, other shapes are conceivable, in particular those with a rectangular cross-section. The source of material may be rotatable and preferably rotate during the process to assist uniform vaporization. When an electron beam gun is used as a heat source, it is usually not necessary to rotate the material source because of the flexibility of the beam deflection. The material source comprises the material to be evaporated. The material to be evaporated is preferably a metal, a semi-metal, a ceramic, carbon or a mixture or alloy thereof. The material is preferably selected from the transition metals, especially those of groups IVB, VB and VIB, and iron, cobalt, nickel, lithium, beryllium, aluminum and silicon and mixtures thereof. Carbon, in particular in the form of graphite, can also be used. Preferred ceramics are oxide, nitride or oxynitride ceramics and also carbides, in particular SiO ₂ , TiN, Gd ₂ O ₃ or mixtures thereof.

Das Verfahren kann unter Verwendung von mehr als einer Materialquelle betrieben werden. In einem solchen Fall wird mehr als eine Materialquelle bereitgestellt. In einigen bevorzugten Ausführungsformen werden zwei oder mehr Materialquellen verwendet („Co-Verdampfung“). Dadurch können Nanopulver mit gemischter Zusammensetzung in sehr homogener Qualität hergestellt werden. Eine solche Co-Verdampfung ist besonders sinnvoll, um Nanopulver aus Lithiumverbindungen, Metalloxide, Metall-Halogenidverbindungen oder CuCr-Nanopulver darzustellen. Ferner kann es vorteilhaft bzw. erforderlich sein, mehrere Materialquellen zu verwenden, um die erforderliche Verdampfungsrate zu verwirklichen, selbst wenn nur eine Materialsorte verdampft wird. The method can be operated using more than one material source. In such a case, more than one Material source provided. In some preferred embodiments, two or more sources of material are used ("co-evaporation"). As a result, nanopowder with mixed composition can be produced in very homogeneous quality. Such co-evaporation is particularly useful to represent nanopowders of lithium compounds, metal oxides, metal halide compounds or CuCr nanopowder. Further, it may be advantageous to use multiple sources of material to achieve the required evaporation rate, even if only one type of material is vaporized.

In einer Ausführungsform der Erfindung besteht das erhaltene Nanopulver aus dem Material der Materialquelle. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung besteht das Nanopulver aus einem Reaktionsprodukt des Materials der Materialquelle mit wenigstens einem weiteren Reaktanden. Dieser weitere Reaktand kann sich im Gas befinden, welches in die Prozesskammer eingeleitet wird. In bestimmten Ausführungsformen ist das Gas der Reaktand. Auf diese Weise ist es möglich, die Zusammensetzungen und Materialeigenschaften der erhaltenen Nanopulver gezielt einzustellen bzw. zu steuern. Beispielsweise können Verbindungsanteile des zu verdampfenden Materials, welche durch Zersetzung verloren gehen, über das Gas zugeführt werden. Ferner können gezielt neue Verbindungen hergestellt werden. In one embodiment of the invention, the nanopowder obtained consists of the material of the material source. In another embodiment of the invention, the nanopowder consists of a reaction product of the material of the material source with at least one further reactant. This additional reactant may be in the gas which is introduced into the process chamber. In certain embodiments, the gas is the reactant. In this way, it is possible to adjust or control the compositions and material properties of the resulting nanopowders in a targeted manner. For example, compound components of the material to be vaporized, which are lost by decomposition, can be supplied via the gas. Furthermore, targeted new compounds can be produced.

Die Wärmequelle ist vorzugsweise ausgewählt aus einer Elektronenstrahlkanone und einem Plasmabrenner. Es können auch mehrere Wärmequellen eingesetzt werden. Die Temperaturen in der Prozesskammer müssen geeignet sein, das Material bei dem vorherrschenden Druck zu verdampfen und ggf. die gewünschte Reaktion hervor zu rufen. In bevorzugten Ausführungsformen beträgt diese Temperatur wenigstens 800°C, weiter bevorzugt wenigstens 1000°C. Um den Energieverbrauch so gering wie möglich zu halten, sollte die Prozesstemperatur allerdings einen Wert von höchstens 4.000°C, weiter bevorzugt höchstens 2.500°C und besonders bevorzugt höchstens 1.500°C nicht überschreiten. Beim Erhitzen des Materials mit Elektronenstrahltechnik wird eine sehr hohe Energiedichte erzielt, so dass selbst bei relativ niedriger Gesamtleistung die lokale Leistungsdichte sehr hoch sein kann. Dadurch können auch Materialien mit sehr hoher Verdampfungstemperatur geschmolzen und verdampft werden. Der Strahl (mit relativ geringem Durchmesser verglichen mit dem Durchmesser der Materialquelle) scannt über die Materialquelle. Die lokale Energiedichte wird über die Dichte der Scan-Linien, die Scangeschwindigkeit und den Strahlfokus über eine Steuerelektronik kontrolliert. Der Elektronenstrahl kann, auch wenn nur aus einer Kanone erzeugt, auf mehrere Verdampfungsquellen aufgespalten werden. The heat source is preferably selected from an electron beam gun and a plasma torch. It can also be used several heat sources. The temperatures in the process chamber must be capable of vaporizing the material at the prevailing pressure and, if necessary, evoking the desired reaction. In preferred embodiments, this temperature is at least 800 ° C, more preferably at least 1000 ° C. However, in order to keep the energy consumption as low as possible, the process temperature should not exceed a value of at most 4,000 ° C, more preferably at most 2,500 ° C, and most preferably at most 1,500 ° C. When the material is heated with electron beam technology, a very high energy density is achieved, so that even with a relatively low total power the local power density can be very high. As a result, even materials with a very high evaporation temperature can be melted and evaporated. The beam (relatively small in diameter compared to the diameter of the material source) scans across the source of material. The local energy density is controlled via the density of the scan lines, the scan speed and the beam focus via control electronics. The electron beam can be split into a plurality of evaporation sources, even if only one gun is generated.

In bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Druck in der Prozesskammer weniger als eine Atmosphäre, insbesondere weniger als 100 kPa. Es hat sich gezeigt, dass der Energiebedarf des Verfahrens gesenkt werden kann, wenn der Druck in der Prozesskammer während des Prozesses niedriger ist. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, einen Druck in der Prozesskammer einzustellen, der weniger als 10 kPa, weiter bevorzugt weniger als 2 kPa und besonders bevorzugt weniger als 1 kPa beträgt. Ganz besonders vorteilhaft waren Drücke von weniger als 150 Pa und weniger als 80 Pa. Dies hängt damit zusammen, dass insbesondere bei Verwendung einer Elektronenstrahlkanone als Wärmequelle eine umso höhere Beschleunigungsspannung angelegt werden muss, je höher der Druck in der Prozesskammer ist. Die vorstehenden Druckangaben beziehen sich auf den Druck in der Prozesskammer nach dem Evakuieren. Der Druck wird vorzugsweise während des gesamten Prozesses (ggf. mit Ausnahme der Entnahme des Nanopulvers) bei diesen Werten gehalten. In preferred embodiments, the pressure in the process chamber is less than one atmosphere, in particular less than 100 kPa. It has been found that the energy requirement of the process can be reduced if the pressure in the process chamber during the process is lower. It has proven to be particularly advantageous to set a pressure in the process chamber which is less than 10 kPa, more preferably less than 2 kPa, and particularly preferably less than 1 kPa. Especially advantageous were pressures of less than 150 Pa and less than 80 Pa. This is due to the fact that, in particular when using an electron beam gun as the heat source, the higher the pressure in the process chamber, the higher the acceleration voltage has to be applied. The above pressure data refers to the pressure in the process chamber after evacuation. The pressure is preferably kept at these values throughout the process (except perhaps with the removal of the nanopowder).

Allerdings sollte auch darauf geachtet werden, dass der Druck in der Prozesskammer während des Prozesses nicht zu gering ist. Die Nanopartikel werden überraschenderweise besonders effizient erzeugt, wenn eine bestimmte Mindestmenge an Gas in der Prozesskammer vorhanden ist. Daher sollte der Druck in der Prozesskammer wenigstens 1,5 Pa betragen. Ist der Druck geringer, so reduziert sich die Bildung von Nanopulver stark. Durch die Anwesenheit einer gewissen Mindestmenge an Gas wird die freie Weglänge der Moleküle/Partikel des verdampften Materials verringert, so dass die Partikel schneller zu Nanopartikeln agglomerieren. Besonders vorteilhaft ist ein Druck in der Prozesskammer von wenigstens 5 Pa, weiter bevorzugt wenigstens 10 Pa und besonders bevorzugt wenigstens 20 Pa. Die vorstehenden Druckangaben beziehen sich insbesondere auf die Verhältnisse in der Druckkammer nach dem Evakuieren. Zunehmender Druck in der Kammer bewirkt eine Abnahme der mittleren freien Weglänge der Dampfpartikel. Beschreibende Gleichungen hierzu sind in der Literatur zu finden bzw. sind Teil des allgemeinen Fachwissens. Es findet ein mit zunehmendem Druck zunehmender Energieverlust der Dampfteilchen und deren Zusammenballung im Gasraum statt. Bei zu niedrigem Druck würden die Teilchen sich frei im Sichtbereich bewegen, auf eine Begrenzungswand auftreffen und dabei eine feste Schicht aufbauen. However, care should also be taken that the pressure in the process chamber is not too low during the process. The nanoparticles are surprisingly produced particularly efficiently if a certain minimum amount of gas is present in the process chamber. Therefore, the pressure in the process chamber should be at least 1.5 Pa. If the pressure is lower, the formation of nanopowder is greatly reduced. The presence of a certain minimum amount of gas reduces the free path of the molecules / particles of the vaporized material so that the particles agglomerate more quickly into nanoparticles. Particularly advantageous is a pressure in the process chamber of at least 5 Pa, more preferably at least 10 Pa and more preferably at least 20 Pa. The above pressure specifications relate in particular to the conditions in the pressure chamber after evacuation. Increasing pressure in the chamber causes a decrease in the mean free path of the vapor particles. Descriptive equations for this can be found in the literature or are part of the general technical knowledge. There is an increasing loss of energy of the vapor particles and their aggregation in the gas space with increasing pressure. If the pressure is too low, the particles would move freely in the field of vision, hit a boundary wall and build up a solid layer.

Der Gasfluss beträgt erfindungsgemäß 1 bis 1.000 sl/min, bevorzugt 2 bis 750 sl/min, weiter bevorzugt 5 bis 400 sl/min, weiter bevorzugt 10 bis 200 sl/min und besonders bevorzugt 15 bis 80 sl/min. Die Flussrate darf nicht zu hoch gewählt werden. Ist der Gasfluss allerdings zu gering, wird die gewünschte Reaktion von Material mit Reaktand im Gas nicht ermöglicht und/oder das Nanopulver wird nicht in zufriedenstellender Ausbeute erhalten. The gas flow is according to the invention 1 to 1000 sl / min, preferably 2 to 750 sl / min, more preferably 5 to 400 sl / min, more preferably 10 to 200 sl / min and more preferably 15 to 80 sl / min. The flow rate must not be too high. However, if the gas flow is too low, the desired reaction of material with reactant in the gas will not allows and / or the nanopowder is not obtained in a satisfactory yield.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird als Wärmequelle eine Elektronenstrahlkanone verwendet. Unter den gegebenen Umständen ist es besonders vorteilhaft eine Elektronenstrahlkanone zu wählen, die mit einer Beschleunigungsspannung von wenigstens 20 kV arbeitet. Bei zu geringer Beschleunigungsspannung erreicht der Elektronenstrahl die Materialquelle nicht in ausreichend fokussierter Form und die Verdampfung unterbleibt. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, eine Elektronenstrahlkanone zu wählen, die mit einer Beschleunigungsspannung von 40 kV oder mehr, insbesondere mehr als 60 kV oder mehr als 75 kV, betrieben wird. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Beschleunigungsspannung der Elektronenstrahlkanone einen Wert von 200 kV, weiter bevorzugt 150 kV und besonders bevorzugt 100 kV nicht übersteigt. Höhere Beschleunigungsspannungen erfordern großen apparativen Aufwand und führen zu höheren Kosten. Die Leistung der Wärmequelle beträgt vorzugsweise mehr als 100 kW, weiter bevorzugt mehr als 130 kW und besonders bevorzugt mehr als 150 kW. Die Verdampfungsrate des zu verdampfenden Materials beträgt vorzugsweise wenigstens 1 kg/h, weiter bevorzugt wenigstens 3 kg/h, mehr bevorzugt wenigstens 5 kg/h. In a particularly preferred embodiment, an electron beam gun is used as the heat source. Under the circumstances, it is particularly advantageous to choose an electron beam gun operating at an acceleration voltage of at least 20 kV. If the acceleration voltage is too low, the electron beam does not reach the material source in a sufficiently focused form and the evaporation does not occur. It has proved to be particularly advantageous to select an electron beam gun which is operated with an acceleration voltage of 40 kV or more, in particular more than 60 kV or more than 75 kV. It is particularly advantageous if the acceleration voltage of the electron beam gun does not exceed a value of 200 kV, more preferably 150 kV and particularly preferably 100 kV. Higher acceleration voltages require great expenditure on equipment and lead to higher costs. The power of the heat source is preferably more than 100 kW, more preferably more than 130 kW and particularly preferably more than 150 kW. The evaporation rate of the material to be evaporated is preferably at least 1 kg / h, more preferably at least 3 kg / h, more preferably at least 5 kg / h.

Während des Verfahrens wird wenigstens ein Gas in die Prozesskammer eingeleitet. Das Gas, welches sich während des Prozesses in der Prozesskammer befindet, ist vorzugsweise ausgewählt aus Inertgas, Reaktivgas und Mischungen daraus. Erfindungsgemäß wird unter Inertgas ein Gas verstanden, welches nicht chemisch mit dem zu verdampfenden Material reagiert. Bevorzugte Inertgase sind die Edelgase oder Stickstoff, insbesondere Argon, Helium oder Stickstoff. Ein Reaktivgas ist ein Gas, welches unter den Verfahrensbedingungen eine chemische Reaktion mit dem Material wenigstens einer Materialquelle eingeht. Erfindungsgemäß bevorzugte Reaktivgase sind Sauerstoff, Halogene, Wasserstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen, insbesondere Acetylen. During the process, at least one gas is introduced into the process chamber. The gas which is in the process chamber during the process is preferably selected from inert gas, reactive gas and mixtures thereof. According to the invention, inert gas is understood as meaning a gas which does not react chemically with the material to be vaporized. Preferred inert gases are the noble gases or nitrogen, in particular argon, helium or nitrogen. A reactive gas is a gas which, under the process conditions, undergoes a chemical reaction with the material of at least one material source. Reactive gases preferred according to the invention are oxygen, halogens, hydrogen, nitrogen and / or carbon compounds, in particular acetylene.

Der Druck innerhalb der Prozesskammer wird vorzugsweise so gewählt, dass die freie Weglänge für verdampfte Teilchen des Materials in einem optimalen Bereich liegt. Dadurch kann der Abstand zwischen Wärmequelle und Materialquelle besonders klein gewählt werden, denn die Agglomeration der Teilchen zu Nanopartikeln erfolgt bereits auf einer kurzen Weglänge. Dadurch kann die Anlage relativ klein gebaut werden und die Kosten sind geringer. In besonders bevorzugten Ausführungsformen beträgt der Abstand zwischen Wärmequelle und Materialquelle weniger als 2 m und besonders bevorzugt weniger als 1,2 m. The pressure within the process chamber is preferably chosen so that the free path for vaporized particles of the material is in an optimum range. As a result, the distance between the heat source and the material source can be selected to be particularly small, since the agglomeration of the particles into nanoparticles already takes place over a short path length. As a result, the system can be built relatively small and the costs are lower. In particularly preferred embodiments, the distance between the heat source and the material source is less than 2 m, and more preferably less than 1.2 m.

Das Verfahren wird vorzugsweise in einer Vorrichtung durchgeführt, die wenigstens die Prozesskammer, die Wärmequelle, eine Vakuumpumpe, einen Gaseinlass und eine Materialquelle aufweist. Die Materialquelle wird vorzugsweise so in der Prozesskammer angeordnet, dass sie in Richtung der Elektronenstrahlkanonen bzw. des Plasmabrenners bewegt werden kann, um Material nachzuführen, wenn bereits ein Teil des Materials verdampft ist. Dadurch wird gewährleistet, dass der Abstand zwischen Wärmequelle und Materialquelle konstant ist. Die Prozesskammer sollte ferner eine weitere verschließbare Öffnung aufweisen, die es ermöglicht, das Nanopulver zu entnehmen. The method is preferably performed in a device having at least the process chamber, the heat source, a vacuum pump, a gas inlet, and a material source. The material source is preferably arranged in the process chamber so that it can be moved in the direction of the electron guns or the plasma torch to track material when a portion of the material is already vaporized. This ensures that the distance between the heat source and the material source is constant. The process chamber should also have another closable opening which allows the nanopowder to be removed.

Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Nanopulver weist vorzugsweise Partikelgrößen auf, die in einem Bereich von kleiner 1.000 nm, bevorzugt kleiner 700 nm, weiter bevorzugt kleiner 300 nm liegen. Bevorzugte Partikelgrößen sind wenigstens 5 nm, weiter bevorzugt wenigstens 15 nm und besonders bevorzugt wenigstens 60 nm, weiter bevorzugt wenigstens 100 nm. Insbesondere weisen mindestens 90% der Partikel in dem Nanopulver eine Größe in diesem Bereich auf. Die Partikelgröße wird mikroskopisch bestimmt, insbesondere mittels Rasterelektronenmikroskopie. Unter „Partikelgröße“ wird dabei der Partikeldurchmesser verstanden, insbesondere der Martin-Durchmesser. The nanopowder produced by the process according to the invention preferably has particle sizes which are in a range of less than 1000 nm, preferably less than 700 nm, more preferably less than 300 nm. Preferred particle sizes are at least 5 nm, more preferably at least 15 nm and particularly preferably at least 60 nm, more preferably at least 100 nm. In particular, at least 90% of the particles in the nanopowder have a size in this range. The particle size is determined microscopically, in particular by scanning electron microscopy. By "particle size" is meant the particle diameter, in particular the Martin diameter.

Eine Auswertung der Partikelbeschaffenheit, insbesondere der Form und Größe der Partikel mittels Bildauswertung hat ergeben, dass die Partikel überwiegend kugelrund sind und eine vorteilhafte Größenverteilung aufweisen, was die Weiterverarbeitung vereinfacht. An evaluation of the particle properties, in particular the shape and size of the particles by means of image evaluation has shown that the particles are predominantly spherical and have an advantageous size distribution, which simplifies further processing.

Das Nanopulver besteht vorzugsweise aus demselben Material, wie die Materialquelle. In einer anderen Ausführungsform besteht das Nanopulver aus einem Material, welches durch chemische Reaktion des verdampften Materials mit einem Reaktanden gebildet wird. The nanopowder preferably consists of the same material as the material source. In another embodiment, the nanopowder is a material formed by chemical reaction of the vaporized material with a reactant.

Beispiel: Example:

Es wurden zwei Materialquellen verwendet, Eine Quelle bestehend aus einem Metall der Gruppen IVb, Vb, VIb oder Fe, Ni, Co. Und eine andere Quelle bestehend aus einem oder mehreren Elementen der I. Hauptgruppe (z.B. Li, Na) Two sources of material were used, one source consisting of a group IVb, Vb, VIb or Fe, Ni, Co. metal and another source consisting of one or more elements of the I main group (e.g., Li, Na).

Die Verdampfung erfolgte in einer Prozesskammer bei Drücken von 1.5 bis 50 Pa, wobei der Versuch bei verschiedenen Drücken in 5 Pa Schritten wiederholt wurde. Ferner wurden verschiedene Gaszusammensetzungen getestet. Diese Gasgemische beinhalteten Variationen verschiedener Edelgasegase (z.B. Ar+He) oder Mischungen aus Inert-, Edel- und Reaktivgasen (z.B. NH₃ + Ar + Cl₂ oder Ar + He + Ne + O₂). The evaporation was carried out in a process chamber at pressures of 1.5 to 50 Pa, the experiment was repeated at different pressures in 5 Pa steps. Further, various gas compositions were tested. These gas mixtures included variations of various noble gas gases (eg Ar + He) or mixtures of inert, noble and reactive gases (eg NH ₃ + Ar + Cl ₂ or Ar + He + Ne + O ₂ ).

Damit wurden Verdampfungsraten von mehr als 15 kg/h erzielt. Die Versuche haben gezeigt, dass eine Nanopulverausbeute von bis zu 80% (m/m) möglich ist. Über 90% der Partikel hatten eine Größe zwischen 100 nm und 300 nm. Thus, evaporation rates of more than 15 kg / h were achieved. The experiments have shown that a nanopowder yield of up to 80% (m / m) is possible. Over 90% of the particles had a size between 100 nm and 300 nm.

Figurenbeschreibung figure description

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Prozesskammer 2, die eine Materialquelle 3 enthält. Die Materialquelle 3 ist ein zylindrischer Körper, der sich um seine Längsachse dreht, um eine gleichmäßige Verdampfung zu erzielen. Die Vorrichtung 1 weist ferner Wärmequellen 4 auf, die geeignet sind, das zu verdampfende Material der Materialquelle 3 zu erhitzen. Das Prozessgas kann über eine Gaszufuhr 8 zugeführt werden, wobei mehrere Zuleitungen vorhanden sein können, um verschiedene Gase zuzuführen. Die Prozessgase können aber auch zuvor gemischt und gemeinsam zugeleitet werden. Die in der Prozesskammer 2 gebildeten Nanopartikel folgen dem Gasstrom (von rechts nach links) und treffen auf den Abscheider 5, der auch eine Transportvorrichtung aufweist, die eine Sammlung des Nanopulvers 11 in einem Behälter 10 ermöglicht. Der Behälter 10 kann mit einem Absperrventil 9 zur Prozesskammer verschlossen werden. An der der Gaszufuhr 8 entgegengesetzten Seite der Prozesskammer 2 befinden sich Vakuumpumpen 7, die benötigt werden, um den Prozessdruck aufrecht zu erhalten. Vor den Vakuumpumpen 7 ist ein Filter 6 angeordnet. 1 shows a device 1 for carrying out the method according to the invention with a process chamber 2 that is a material source 3 contains. The material source 3 is a cylindrical body that rotates about its longitudinal axis to achieve even vaporization. The device 1 also has heat sources 4 on, which are suitable, the material to be evaporated material source 3 to heat. The process gas can be supplied via a gas supply 8th may be supplied, wherein a plurality of supply lines may be present to supply different gases. The process gases can also be mixed and forwarded together. The in the process chamber 2 formed nanoparticles follow the gas flow (from right to left) and hit the separator 5 also comprising a transport device containing a collection of nanopowder 11 in a container 10 allows. The container 10 can with a shut-off valve 9 closed to the process chamber. At the gas supply 8th opposite side of the process chamber 2 are vacuum pumps 7 that are needed to maintain the process pressure. In front of the vacuum pumps 7 is a filter 6 arranged.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1

Vorrichtung zur Herstellung des Nanopulvers Device for producing the nanopowder

2 2

Prozesskammer process chamber

3 3

Materialquelle material source

4 4

Wärmequelle heat source

5 5

Abscheider und Transportvorrichtung Separator and transport device

6 6

Filter filter

7 7

Vakuumpumpen vacuum pumps

8 8th

Gaszufuhr gas supply

9 9

Absperrventil shut-off valve

1010

Behälter für Nanopulver  Container for nanopowders

1111

Nanopulver  nanopowders

Claims (10)

Verfahren zur Herstellung von Nanopulvern mit den Schritten – Bereitstellen wenigstens einer Materialquelle 3 in einer Prozesskammer 2, – Evakuieren der Prozesskammer 2, – Erhitzen des Materials auf eine Temperatur, bei der das Material verdampft, mittels wenigstens einer Elektronenstrahlkanone oder einem Plasmabrenner als Wärmequelle 4, wobei während der Verdampfung des Materials ein Gas mit einer Flussrate von 1 bis 1000 l/min in die Prozesskammer 2 eingeleitet wird und in der Prozesskammer 2 ein Druck von wenigstens 1,5 Pa eingestellt wird, so dass Nanopulver 11 erhalten wird, – Entnahme des Nanopulvers 11 aus der Prozesskammer. Process for the preparation of nanopowders comprising the steps of providing at least one material source 3 in a process chamber 2 , - evacuate the process chamber 2 Heating the material to a temperature at which the material evaporates by means of at least one electron beam gun or plasma torch as the heat source 4 wherein, during the evaporation of the material, a gas at a flow rate of 1 to 1000 l / min into the process chamber 2 is initiated and in the process chamber 2 a pressure of at least 1.5 Pa is adjusted so that nanopowder 11 is obtained, - removal of the nanopowder 11 from the process chamber. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Material ein Metall, ein Halbmetall, eine Keramik, Kohlenstoff oder Mischungen bzw. Legierungen daraus umfasst oder daraus besteht. The method of claim 1, wherein the material comprises or consists of a metal, a semi-metal, a ceramic, carbon or mixtures thereof. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei in der Prozesskammer 2 zur Verdampfung des Materials eine Temperatur von wenigstens 800°C herrscht. The method of claim 1 or 2, wherein in the process chamber 2 to evaporate the material, a temperature of at least 800 ° C prevails. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck in der Prozesskammer 2 nach dem Evakuieren kleiner als 100 kPa beträgt. Method according to one of the preceding claims, wherein the pressure in the process chamber 2 after evacuation is less than 100 kPa. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck in der Prozesskammer 2 nach dem Evakuieren höchstens 2 kPa beträgt. Method according to at least one of the preceding claims, wherein the pressure in the process chamber 2 after evacuation is at most 2 kPa. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Wärmequelle 4 eine Elektronenstrahlkanone ist, die mit einer Beschleunigungsspannung von wenigstens 20 kV und vorzugsweise mehr als 40 kV betrieben wird. Method according to at least one of the preceding claims, wherein the heat source 4 is an electron beam gun operated at an accelerating voltage of at least 20 kV and preferably more than 40 kV. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gas ein Inertgas und/oder ein Reaktivgas umfasst.  Method according to at least one of the preceding claims, wherein the gas comprises an inert gas and / or a reactive gas. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Inertgas ausgewählt ist aus Argon, Helium, Xenon, Stickstoff und Mischungen daraus. The method of claim 7, wherein the inert gas is selected from argon, helium, xenon, nitrogen and mixtures thereof. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Reaktivgas ausgewählt ist aus Sauerstoff, Halogene, Wasserstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoffverbindungen. The method of claim 7 or 8, wherein the reactive gas is selected from oxygen, halogens, hydrogen, nitrogen and / or carbon compounds. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Abstand zwischen Wärmequelle 4 und Materialquelle 3 weniger als 2 m beträgt. Method according to at least one of the preceding claims, wherein the distance between the heat source 4 and material source 3 less than 2 m.

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