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基本信息

項(xiàng)目名稱：
磁懸浮分散合成儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究
小類：
能源化工
簡介：
本設(shè)計(jì)是基于電磁鐵理論的基本原理，設(shè)計(jì)一種能適用于化學(xué)合成和材料學(xué)等領(lǐng)域的起磁懸浮和分散作用的合成儀器。具體設(shè)計(jì)是用軟磁鐵芯作為極柱、外側(cè)繞制線圈而構(gòu)成，通過將常用交流電源整流為直流電后分別通入兩個(gè)線圈而產(chǎn)生磁場，儀器所產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度可以通過極柱間距和電流隨時(shí)調(diào)節(jié)。
詳細(xì)介紹：
該磁懸浮分散合成儀的設(shè)計(jì)是以電磁鐵理論為基本原理，用軟磁鐵芯作為極柱、外側(cè)繞制線圈而構(gòu)成，通過將常用的交流電轉(zhuǎn)換和整流為直流電后分別通入兩個(gè)線圈，即可在兩極柱間產(chǎn)生磁場，其磁場強(qiáng)度可通過電流和極柱間距來控制。該儀器主要用于磁相應(yīng)性粒子的分散和聚合反應(yīng)，也可以用于材料合成、化學(xué)產(chǎn)物提純及廢水的磁分離過程。本設(shè)計(jì)可以克服化學(xué)反應(yīng)中很多缺陷，比如在有機(jī)物/磁性復(fù)合材料制備過程中，磁性粒子因其密度較有機(jī)聚合物大，從而容易沉淀于容器底部而造成濃度差。而將磁性粒子在磁場環(huán)境下懸浮于溶液中，就可以得以充分分散，從而合成性能更優(yōu)越的復(fù)合粒子。采用磁場將溶質(zhì)分散于溶液中進(jìn)行反應(yīng)，可以促使反應(yīng)器中溶質(zhì)在不同方向的擴(kuò)散和混合，從而能夠有效縮短反應(yīng)時(shí)間；同時(shí)，利用置于反應(yīng)容器支架內(nèi)的高斯計(jì)探頭，可以隨時(shí)讀出磁場強(qiáng)度，以便根據(jù)需求調(diào)節(jié)和控制磁場強(qiáng)度。本儀器基于電磁原理設(shè)計(jì)，科學(xué)準(zhǔn)確，操作安全方便，制造成本低，在化學(xué)、材料學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。

作品圖片

  • 磁懸浮分散合成儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究
  • 磁懸浮分散合成儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究

作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

電磁材料及含鐵磁性粒子的復(fù)合材料因其獨(dú)特的電磁性能，一直是材料制備領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。磁相應(yīng)性物質(zhì)除過渡金屬單質(zhì)及其化合物外，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，很多有機(jī)聚合物如聚吡咯、聚苯胺等都會(huì)因在磁場中合成而體現(xiàn)出優(yōu)越的性能，但因電磁性粒子本身密度差異較大、易團(tuán)聚等特點(diǎn)而影響其合成和更廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)旨在發(fā)明一種能起到磁懸浮分散的合成儀器，可以根據(jù)需要，通過調(diào)節(jié)電流和磁極間距來控制磁場強(qiáng)度，在磁場環(huán)境下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和材料合成。一方面，利用磁場的特殊空間作用力，使電磁性粒子通過洛侖茲力的作用而達(dá)到均勻和有序分布，從而使電磁性材料在合成過程中達(dá)到磁性粒子的均勻有序分散，并且可以根據(jù)要求設(shè)定磁場方向，達(dá)到制備的磁性材料內(nèi)的納米粒子按照要求排列，從而改變材料的電磁性能或力學(xué)性能；另一方面，根據(jù)經(jīng)典的自由基理論，當(dāng)自由基對在化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生之后，它們的自旋狀態(tài)就會(huì)以一定形式在空間取向，構(gòu)成了自由基對的不同狀態(tài)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，在化學(xué)反應(yīng)中外加磁場，可以影響系間躍遷，因此可以通過在化學(xué)反應(yīng)中設(shè)計(jì)磁場而改變化學(xué)反應(yīng)速率，實(shí)現(xiàn)對微觀化學(xué)反應(yīng)趨向的影響和控制。本設(shè)計(jì)根據(jù)磁化學(xué)的基本原理，結(jié)合磁電理論，設(shè)計(jì)一種在化學(xué)反應(yīng)中能產(chǎn)生磁響應(yīng)的分散合成儀，并通過模型機(jī)，對儀器的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。按照額定功率，能夠在氣隙為50mm時(shí)產(chǎn)生約2T的磁場強(qiáng)度，磁場強(qiáng)度能夠滿足大多數(shù)磁合成環(huán)境所需場強(qiáng)要求。

科學(xué)性、先進(jìn)性

該磁懸浮分散合成儀的設(shè)計(jì)是以電磁鐵理論為基本原理，用軟磁鐵芯作為極柱、外側(cè)繞制線圈而構(gòu)成，通過將交流電源整流為直流電后分別通入兩個(gè)線圈，即可在兩極柱間產(chǎn)生可通過電流大小來控制強(qiáng)度的磁場。在電磁性納米復(fù)合材料合成過程中，要克服的困難之一就是如何使密度較大且易團(tuán)聚的鐵磁性粒子實(shí)現(xiàn)在溶液中的均勻分散。本設(shè)計(jì)發(fā)明的磁懸浮分散合成儀，通過調(diào)節(jié)電流來控制磁場強(qiáng)度，在磁場環(huán)境下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)和材料合成，或者在提供磁場的情況下對磁響應(yīng)性化學(xué)產(chǎn)物進(jìn)行提純和分離。將磁響應(yīng)性粒子的分散和聚合在磁場環(huán)境中進(jìn)行，以促使磁性粒子在溶液中充分分散，從而合成性能更優(yōu)越的磁性復(fù)合粒子；采用磁場分散反應(yīng)，可以促使反應(yīng)器中溶質(zhì)在溶液中的立體多方向混合和分散，從而能夠有效縮短反應(yīng)時(shí)間。此外，該設(shè)計(jì)還能應(yīng)用于其它設(shè)計(jì)磁場的應(yīng)用領(lǐng)域，比如可以應(yīng)用于材料學(xué)、生物學(xué)及磁分離領(lǐng)域等。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

本作品已獲國家實(shí)用新型專利授權(quán)； 參加校級挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品大賽，獲得特等獎(jiǎng)； 參加省級挑戰(zhàn)杯大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品大賽，獲得特等獎(jiǎng)（證書尚未發(fā)放，后補(bǔ)）。

作品所處階段

通過第一代機(jī)器的試用，證實(shí)了設(shè)計(jì)原理的正確性。

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

國家實(shí)用新型專利。

作品可展示的形式

模型機(jī)、圖紙和圖片

使用說明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測

磁場一直是材料和應(yīng)用化學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，目前磁合成研究領(lǐng)域缺少一種科學(xué)準(zhǔn)確，又有低代價(jià)、小型化、操作簡單的磁場儀器。本儀器設(shè)計(jì)原理科學(xué)，制造成本低廉，在材料合成領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

同類課題研究水平概述

磁性材料是功能材料的重要分支，利用磁性材料制成的磁性元器件具有轉(zhuǎn)換、傳遞、處理信息、存儲(chǔ)能量、節(jié)約能源等功能，廣泛地應(yīng)用于能源、電信、自動(dòng)控制、通訊、生物、探礦、軍工等領(lǐng)域。信息化發(fā)展的總趨勢是向小、輕、薄以及多功能、數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，從而對磁性材料提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)，要求磁性材料制造的元器件不僅大容量、小型化、高速度，而且具有可靠性、耐久性、抗振動(dòng)和低成本的特點(diǎn)。 在磁性材料制備方面，如美國Mircea Chipara等人合成了聚吡咯/鐵復(fù)合材料，復(fù)旦大學(xué)合成聚苯胺包覆納米碳納米管復(fù)合材料、韓國 Kyungpook國際大學(xué)合成Fe3O4/聚苯胺磁性納米復(fù)合材料、浙江大學(xué)合成了苯胺基體包覆的Li–Ni–La磁性納米粒子、阿根廷的J.C. Aphesteguy合成了Ni–Gd聚合物鐵氧體磁性粒子NiFe1.95Gd0.05O4，等等，這些研究均發(fā)現(xiàn)所制備的磁性粒子體現(xiàn)出了優(yōu)良的超順磁性，但是缺點(diǎn)之一就是磁性顆粒在復(fù)合材料中的分散不均，容易團(tuán)聚。有研究者發(fā)現(xiàn)了磁性材料合成時(shí)可以通過磁場來調(diào)節(jié)分布狀態(tài)。如法國的H. Ben等在外加釹鐵硼磁鐵條件下合成了磁性納米粒子/聚吡咯復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)磁性粒子在磁場作用下分散較好；南京大學(xué)陸延青等用磁鐵誘導(dǎo)下合成磁性鎳、鈷納米粒子陣列；我國中國科技大學(xué)王軍在0T、0.35 T磁場下水熱合成Fe3O4，發(fā)現(xiàn)其形貌從六方顆粒逐漸過渡到沿其易磁化軸方向生長的納米線。在磁場應(yīng)用方面，處于世界領(lǐng)先領(lǐng)域的還是發(fā)達(dá)國家如美國、日本、英國等，我國中科院等離子物理研究所也成功建設(shè)了多臺(tái)水冷、超導(dǎo)和脈沖磁體，相應(yīng)的強(qiáng)磁場在凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)、化學(xué)和生物科學(xué)領(lǐng)域都已開始研究。但是由于專業(yè)強(qiáng)磁場構(gòu)型復(fù)雜，操作不便，代價(jià)高昂，到目前為止，還沒有一臺(tái)適合于實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)或材料合成的磁場儀器。本磁懸浮分散合成儀具有造價(jià)低、體積小、操作簡便，還可通過電流和極柱間距隨時(shí)調(diào)節(jié)和控制磁場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度通過數(shù)控設(shè)備隨時(shí)顯示及機(jī)箱透視化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，可以將“磁懸浮分散合成"這種有利于提高反應(yīng)速率、改善材料性能和促使產(chǎn)物分離的合成方法應(yīng)用到化學(xué)和材料學(xué)等領(lǐng)域。同時(shí)，該磁懸浮分散合成儀在生物磁學(xué)、廢水處理等磁學(xué)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
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