中國粉體網訊 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、催化劑載體等領域具有廣泛的應用，且與眾多“卡脖子”材料密切相關，成為材料發展的重要促進劑。
球形顆粒制備方法很多，但缺乏有效的調控手段，難以實現批量穩定生產。高頻感應熱等離子體提供的高溫瞬態過程，為制備球形顆粒提供了有效途徑。
等離子體被稱為物質存在的第四態。根據盧瑟福原子核式結構模型，當向原子提供較高的能量時，核外電子的動能足以超過原子電離能，電子便掙脫原子的束縛進而成為自由電子。當氣體中有足夠多的原子被電離時，被電離的氣體便會轉化成為新的物態，即等離子態。它們是離子化物質，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。
有關等離子體的分類方法很多，依據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：冷等離子體遠離熱力學平衡狀態，重離子溫度只有室溫左右，而電子溫度可達上萬℃。熱等離子體中的重離子溫度范圍為3×103～3×104K，基本上達到了熱力學平衡，因此具有統一的熱力學溫度，可以采用熱力學平衡狀態的MaxweU速度分布、BoltzInann粒子能態幾率分布和Saha方程等來確定等離子體的狀態和參數，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、致密化以及保護性涂層的沉積等。
高頻感應熱等離子體由位于等離子體炬外的感應線圈產生，且等離子體反應氣氛可控，因此高頻感應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勢和潛力。采用高頻感應熱等離子體制備微細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熱源，利用熱等離子體弧的高溫進行加工處理；另一種途徑是讓熱等離子體同時提供能夠促進化學反應的活性粒子，利用熱等離子體弧提供高活性反應組分進行材料合成。
顆粒球化是利用熱等離子體溫度高、能量密度大等特點，將形狀不規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。當熔化部分的質量分數>50％時，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特性，是一種高效和經濟的處理粉體材料的方法，主要表現在以下幾個方面：①制備球形顆粒。粉體在熱等離子體弧中經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。粉體顆粒在高溫熱等離子體弧和可調可控的反應氣氛中熔融，一些易揮發的雜質或者能和氣氛發生反應的物質可以脫離體系，從而提高原材料的純度。
▲高頻感應熱等離子體球化系統示意圖
高頻感應熱等離子體電源包括高頻機和與之相連的微機控制交流調壓裝置。
高頻感應熱等離子體發生器包括與熱等離子體電源相連接的高頻感應水冷線圈和燈頭，以及與燈頭相連的供氣系統。供氣系統為等離子體的穩定運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；邊氣也稱為保護氣，其作用主要是將高溫的熱等離子體吹離外層石英管內壁，從而保護石英管不受熱損壞。
送粉系統是球化設備中的關鍵部分之一，是影響產品質量穩定性的一個非常重要的因素。在輸送粉體原料時，送粉系統必須能將粉體顆粒連續、分散、均勻、穩定地輸送到熱等離子體弧中。粒徑過細、流動性差的粉體無法實現連續、穩定送粉。
熱等離子體反應器是產物的生成場所，由放電管和與之相連接的不銹鋼反應器組成。反應器結構可以根據生產實驗需要來進行設計，通過進行結構設計和材料的選擇來控制反應器內的溫度場，為反應產物晶核的生成和長大提供適宜的環境。
收料系統是一套布袋收塵裝置，用來收集冷卻后分散性良好的細顆粒。為了保證生產過程的連續長時間運行，收料系統內配備有一個定時清掃裝置。
想要了解更多關于高頻感應熱等離子體的研究，請關注中國粉體網旗下粉體公開課平臺將于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網絡研討會”，來自中國科學院過程工程研究所的袁方利研究員將帶來題為《球形顆粒助力創新材料發展-高頻感應熱等離子體制備球形粉體研究》的報告。屆時，他將對球形粉制備技術進行綜述，著重介紹高頻感應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、中國力學學會等離子體專業委員會委員、中國金屬學會冶金過程物理化學分會委員、中國復合材料學會航天復合材料及應用專業委員會委員。主要開展特種粉體材料制備與應用研究，重點圍繞熱等離子體制備特種功能粉體進行設備研制、粉體材料研發和應用研究。熱等離子體技術制備納米粉體材料設備研制獲得863計劃的支持，研發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現了宏量制備。發表SCI論文100多篇，獲授權發明專利6項。2010年獲北京市科學技術獎二等獎，2011年獲中國石油和化學工業科學技術獎三等獎，2016獲中國顆粒學會-贏創顆粒學創新獎。
資料來源：
白柳楊、袁方利等.高頻感應熱等離子體在微細球形粉體材料制備中的應用
李保強.熱等離子制備的球形鎢粉在W-Cu復合材料中的應用研究
范亞昆.熱等離子體法制備球形納米硅粉
（中國粉體網編輯整理/長安）
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