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等离子体技术制备球形粉体研究综述

       

  随着粉体材料应用领域的扩大,对其实际应用性能的要求也逐渐提高,为了满足性能更优越且适应现代科技产品需求的微型化和集成化的功能要求,必须制得纯度更高、粒径分布更均匀、流动性能更好的高质量粉体。相对于普通粉体,球形粉体颗粒表面形貌规则,粉体的堆积密度显著增大,可以很大程度上改善粉体的流动性和分散性,最大限度地消除团聚的影响。由于球形粉体具有优异的物理和工艺性能,因此在新科技、新技术、新产品中得到广泛应用。

  等离子体具有高温、高焓、高的化学反应活性、反应气氛及反应温度可控等特点,非常适合制备纯度高、粒度小的球形粉末。相比于其他方法,其工艺流程短,效率高,且可一步制得球形粉末。[1]

  等离子体技术是当今科技研究的前沿,早在19世纪等离子体已被科学家发现,它是物质存在的第四态,研究这种存在的物质基本形态的特点、规律和用途,就形成了等离子体物理学,并派生出许许多多的交叉学科。

  简单说来,等离子体就是由电子、离子、原子、分子、自由集团等离子组成的电离气体。因此等离子体具有独特的物理、化学性质:

  (1)导电性:由于等离子体是自由电子和带电离子组成的带电粒子的集合体,具有类似金属的导电性能;

  按照温度的不同,等离子体可以划分为:高温等离子体(约为106~108K)和低温等离子体(室温到3×104K),低温等离子体按加热方式可分为:电弧等离子体、高频等离子体和微波等离子体。等离子体因其温度高、反应气氛可控等优点被引入材料领域,目前主要应用于在粉末冶金、材料加工、喷涂、焊接等方面。[1]

  该技术具有众多优点:1)通过粉体形貌的改变有效改善粉体的流动性。这将有效减小粉体特别是微细粉体的偏聚和团聚,可有效控制粉末冶金过程中混粉、装料和压坯过程中的工艺质量;2)可有效提高粉体的振实密度;3)控制减少粉体颗粒内部的孔洞和缺陷;4)可有效改善粉体的形貌,使材料微观形貌呈标准球形;5)制备过程中还原性气氛的引入可大大降低氧元素的含量。[2]

  为了提高粉末的流动性,探索球形粉末的制备工艺,陈伦江等人以感应耦合热等离子体作为高温热源,对不规则形状的微米级碳化钨(WC)粉体进行了球化处理实验,并研究了送粉量对粉末流动性、振实密度及粒径分布的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)、霍尔流速计、能谱分析仪(EDS)和激光粒度分析仪分别对球化前后粉末的微观形貌、流动性、元素质量分数及粒度分布进行了表征和分析。研究结果表明:WC粉末经过感应耦合热等离子体球化处理后,可以得到表面光滑、分散性较好、流动性能佳和振实密度高的球形粉末;球化后粉末的氧和钨元素质量分数增加,而碳元素质量分数降低;经球化处理后,球形WC粉末粒径稍微变大;随着球化率的降低,球形粉末的流动性和振实密度均呈现减弱的趋势,而粉末的粒径分布范围变宽。[3]

  高频感应热等离子体具有能量密度大、温度高和冷却速率快等特点,是制备特种粉体的重要手段之一。中国科学院过程工程研究所袁方利等人利用热等离子体的高温和快速冷却过程,粗颗粒经等离子体弧高温气化,通过控制冷却速率能得到纳米粉体,利用该方法制备了纳米球形硅、铁、钴和镍等粉体,纳米硅粉可用于锂离子电池负极材料。具有固定熔点的不规则颗粒在等离子体弧中经熔融形成球形液滴,快速冷却能获得规则致密的球形颗粒,通过等离子体球化制备了高熔点的钨、钼、铌、铬等规则致密的球形粉体。利用活性氢的瞬时强化还原反应,采用化学气相沉积能制备超细钨、钼、镍和铜等球形金属超细粉体。活性氧有助于调控颗粒的氧化生长过程,采用金属等的氧化反应可获得多种特殊形貌的氧化物。[4]

  盛艳伟等人以不规则形状的大颗粒TiH2粉末为原料,采用射频等离子球化处理技术制备出微细球形Ti粉。采用扫描电子显微镜、X射线衍射和激光粒度分析测试方法对粉末形貌、物相和粒度进行测试。结果表明:大颗粒的TiH2粉末的脱氢分解、爆碎和球化处理在等离子体中一步完成,得到微细球形粉末。其相组成主要为Ti和残余TiH相;球形粉末在1.3×10-4 Pa线h脱氢处理后得到单相球形Ti粉。颗粒平均粒径由原来的100~150μm减小至20~50μm,球化率可达到100%。随着加料速率的增加,粉末的球化率降低。采用射频等离子体处理TiH2粉是制备微细球形钛粉的一种新方法。[5]

  白柳杨等用羰基镍粉为原料,制备微细球形镍粉(包括细化和粗化过程),研究了载气量和加料量对产品镍粉形貌和粒度的影响。结果表明,等离子体处理后产品仍为纯金属镍粉,形状由不规则变为球形,颗粒平均粒径由原料的3~5µm减小至100nm左右,振实密度由2.44g/cm3提高到3.72g/cm3。高频等离子体法是制备电极用高振实密度微细球形粉体的有效技术。[6]

  古忠涛等人采用射频(RF)等离子体对颗粒形状不规则的钨粉球化,研究了加料速率和钨粉分散方式对球化率的影响。通过用电子扫描显微镜(SEM)观测得到的被球化粉末的百分比评估了球化效率。通过对球化处理的钨粉的X射线衍射谱(XRD)的检测,验证了在球化过程中无氧化发生和其它杂质介入。当钨粉以极短暂时间(约几毫秒)快速穿越等离子体炬时,钨粉颗粒因受热而熔化成液滴,快速冷却后,形成致密的球形固态颗粒。[7]

  目前,国外的等离子体粉体处理技术己具备一定的生产能力。加拿大的泰克纳(TEKNA)公司开发的等离子体粉体处理系统在世界感应等离子体技术方面处于领先地位。TEKNA公司己实现W、Mo、Re、Ta、Ni、Cu等金属粉末和SiO2、ZrO2、YSZ、Al2O3等氧化物陶瓷粉末的球化处理。[8]

  虽然等离子制备超细粉体技术存在设备复杂、昂贵;生产成本高、产率低下等一些不足,但作为可制备高球化率、高致密性粉体的新型技术,还是受到了极大的关注。目前,等离子制粉技术发展趋势归纳如下:(1)等离子体控制技术的优化和等离子发生装置的改进是热等离子技术产业化的关键。有前景的是新型等离子反应器的设计,例如多炬装置、把直流炬和射频炬组合起来的混合反应器以及不仅提高产品质量而且提高加工效率的其他创新设计。(2)用其他热源难以制备的球形粉是热等离子技术制粉的优势。难熔金属和陶瓷的高熔点特性,决定其他热源难以实现其熔融球化及致密化。

  当前,随着高新技术的蓬勃发展和对纳米新材料、制备新工艺的迫切需求,等离子态化学的研究和利用越来越受到重视,随着等离子体控制技术的提高、发生装置的改进以及生产成本的降低,热等离子将广泛应用于制备和合成高纯度、高球化率、窄粒度分布的超细粉体。[9]

  [2]吴红,黄伟,赵鸿雁,等.等离子法制备球形碳化钨粉技术研究[J].兵器材料科学与工程,2013,36(4):65-67.

  [3]陈伦江,陈文波,刘川东,等.感应耦合热等离子体制备球形WC金属陶瓷粉末[J].高电压技术,2018,44(9):3043-3048.

  [4]袁方利,金化成,侯果林,等. 高频热等离子体制备特种粉体研究进展[J]. 过程工程学报,2018, 18(6): 1139-1145.

  [5]盛艳伟,郭志猛,郝俊杰,等.射频等离子体制备球形钛粉[J].稀有金属材料与工程,2013,42(6):1291-1294.

  [6]白柳杨,袁方利,胡鹏,等.高频等离子体法制备微细球形镍粉的研究[J].电子元件与材料,2008,27(1):20-22,57.

  [7]古忠涛,叶高英,刘川东,等.射频等离子体制备球形钨粉研究[J].核聚变与等离子体物理,2010,30(2):178-182.

  [8]王建军.射频等离子体制备球形粉末及数值模拟的研究[D].北京:北京科技大学.2014.

  [9]陈强,冯鹏发,武洲,等.热等离子技术在粉体球化/致密化的研究进展[J].中国钼业,2012,36(5):44-47.