中國粉體網(wǎng)訊 球形顆粒是一類很重要的粉體材料，在粉末冶金、3D打印、噴涂、拋光、催化劑載體等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，且與眾多“卡脖子”材料密切相關(guān)，成為材料發(fā)展的重要促進(jìn)劑。
球形顆粒制備方法很多，但缺乏有效的調(diào)控手段，難以實(shí)現(xiàn)批量穩(wěn)定生產(chǎn)。高頻感應(yīng)熱等離子體提供的高溫瞬態(tài)過程，為制備球形顆粒提供了有效途徑。
等離子體被稱為物質(zhì)存在的第四態(tài)。根據(jù)盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型，當(dāng)向原子提供較高的能量時(shí)，核外電子的動(dòng)能足以超過原子電離能，電子便掙脫原子的束縛進(jìn)而成為自由電子。當(dāng)氣體中有足夠多的原子被電離時(shí)，被電離的氣體便會(huì)轉(zhuǎn)化成為新的物態(tài)，即等離子態(tài)。它們是離子化物質(zhì)，由中性粒子、離子、電子及光子等組成，整體呈電中性，亦呈氣體狀。
有關(guān)等離子體的分類方法很多，依據(jù)等離子體中的重粒子溫度，將其分為冷等離子體和熱等離子體兩大類：冷等離子體遠(yuǎn)離熱力學(xué)平衡狀態(tài)，重離子溫度只有室溫左右，而電子溫度可達(dá)上萬℃。熱等離子體中的重離子溫度范圍為3×103～3×104K，基本上達(dá)到了熱力學(xué)平衡，因此具有統(tǒng)一的熱力學(xué)溫度，可以采用熱力學(xué)平衡狀態(tài)的MaxweU速度分布、BoltzInann粒子能態(tài)幾率分布和Saha方程等來確定等離子體的狀態(tài)和參數(shù)，如電弧等離子體、高頻等離子體等。此類等離子體具有較高的能量密度，可以用于材料的合成、球化、致密化以及保護(hù)性涂層的沉積等。
高頻感應(yīng)熱等離子體由位于等離子體炬外的感應(yīng)線圈產(chǎn)生，且等離子體反應(yīng)氣氛可控，因此高頻感應(yīng)熱等離子體除了具有能量密度大、溫度高和冷卻速率快等特點(diǎn)外，還可以減少污染，在制備和處理高純度粉體材料方面具有明顯的優(yōu)勢和潛力。采用高頻感應(yīng)熱等離子體制備微細(xì)粉體材料主要有兩種途徑：一種是將熱等離子體主要用作高溫?zé)嵩�，利用熱等離子體弧的高溫進(jìn)行加工處理；另一種途徑是讓熱等離子體同時(shí)提供能夠促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的活性粒子，利用熱等離子體弧提供高活性反應(yīng)組分進(jìn)行材料合成。
顆粒球化是利用熱等離子體溫度高、能量密度大等特點(diǎn)，將形狀不規(guī)則的原料粉體迅速加熱而熔化或氣化，然后在極高的溫度梯度下迅速冷卻固化或沉積，最終得到球形粉體顆粒。當(dāng)熔化部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)>50％時(shí)，熔融的顆粒在表面張力的作用下形成球形液滴，并在極高的溫度梯度下迅速冷卻固化，最終形成球形顆粒。
熱等離子體球化可以有效地改善被處理粉體的物理和化學(xué)特性，是一種高效和經(jīng)濟(jì)的處理粉體材料的方法，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①制備球形顆粒。粉體在熱等離子體弧中經(jīng)高溫熔融和快速冷卻，球形的熔融液滴得以保留下來，從而制得球形顆粒；②提高粉體致密性。粉體在球化處理過程中可以消除孔隙，得到致密材料；③提高粉體純度。粉體顆粒在高溫?zé)岬入x子體弧和可調(diào)可控的反應(yīng)氣氛中熔融，一些易揮發(fā)的雜質(zhì)或者能和氣氛發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)可以脫離體系，從而提高原材料的純度。
▲高頻感應(yīng)熱等離子體球化系統(tǒng)示意圖
高頻感應(yīng)熱等離子體電源包括高頻機(jī)和與之相連的微機(jī)控制交流調(diào)壓裝置。
高頻感應(yīng)熱等離子體發(fā)生器包括與熱等離子體電源相連接的高頻感應(yīng)水冷線圈和燈頭，以及與燈頭相連的供氣系統(tǒng)。供氣系統(tǒng)為等離子體的穩(wěn)定運(yùn)行提供了中氣和邊氣。中氣也稱熱等離子體氣，起維持熱等離子體的作用；邊氣也稱為保護(hù)氣，其作用主要是將高溫的熱等離子體吹離外層石英管內(nèi)壁，從而保護(hù)石英管不受熱損壞。
送粉系統(tǒng)是球化設(shè)備中的關(guān)鍵部分之一，是影響產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性的一個(gè)非常重要的因素。在輸送粉體原料時(shí)，送粉系統(tǒng)必須能將粉體顆粒連續(xù)、分散、均勻、穩(wěn)定地輸送到熱等離子體弧中。粒徑過細(xì)、流動(dòng)性差的粉體無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定送粉。
熱等離子體反應(yīng)器是產(chǎn)物的生成場所，由放電管和與之相連接的不銹鋼反應(yīng)器組成。反應(yīng)器結(jié)構(gòu)可以根據(jù)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)需要來進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料的選擇來控制反應(yīng)器內(nèi)的溫度場，為反應(yīng)產(chǎn)物晶核的生成和長大提供適宜的環(huán)境。
收料系統(tǒng)是一套布袋收塵裝置，用來收集冷卻后分散性良好的細(xì)顆粒。為了保證生產(chǎn)過程的連續(xù)長時(shí)間運(yùn)行，收料系統(tǒng)內(nèi)配備有一個(gè)定時(shí)清掃裝置。
想要了解更多關(guān)于高頻感應(yīng)熱等離子體的研究，請關(guān)注中國粉體網(wǎng)旗下粉體公開課平臺(tái)將于2021年8月27日舉辦的“2021（第二屆）粉體球形化制備及檢測技術(shù)網(wǎng)絡(luò)研討會(huì)”，來自中國科學(xué)院過程工程研究所的袁方利研究員將帶來題為《球形顆粒助力創(chuàng)新材料發(fā)展-高頻感應(yīng)熱等離子體制備球形粉體研究》的報(bào)告。屆時(shí)，他將對球形粉制備技術(shù)進(jìn)行綜述，著重介紹高頻感應(yīng)等離子體制備球形粉體的研究成果。
專家簡介
袁方利，研究員、中國力學(xué)學(xué)會(huì)等離子體專業(yè)委員會(huì)委員、中國金屬學(xué)會(huì)冶金過程物理化學(xué)分會(huì)委員、中國復(fù)合材料學(xué)會(huì)航天復(fù)合材料及應(yīng)用專業(yè)委員會(huì)委員。主要開展特種粉體材料制備與應(yīng)用研究，重點(diǎn)圍繞熱等離子體制備特種功能粉體進(jìn)行設(shè)備研制、粉體材料研發(fā)和應(yīng)用研究。熱等離子體技術(shù)制備納米粉體材料設(shè)備研制獲得863計(jì)劃的支持，研發(fā)了高頻熱等離子體制備粉體裝置，納米球形氧化鋁、氧化硅和球形難熔金屬粉及納米金屬粉體等實(shí)現(xiàn)了宏量制備。發(fā)表SCI論文100多篇，獲授權(quán)發(fā)明專利6項(xiàng)。2010年獲北京市科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，2011年獲中國石油和化學(xué)工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)，2016獲中國顆粒學(xué)會(huì)-贏創(chuàng)顆粒學(xué)創(chuàng)新獎(jiǎng)。
資料來源：
白柳楊、袁方利等.高頻感應(yīng)熱等離子體在微細(xì)球形粉體材料制備中的應(yīng)用
李保強(qiáng).熱等離子制備的球形鎢粉在W-Cu復(fù)合材料中的應(yīng)用研究
范亞昆.熱等離子體法制備球形納米硅粉
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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