制备特种粉体的有效手段:高频感应热等离子体


来源:中国粉体网   星耀

[导读]  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。

中国粉体网讯  5月28日,中国科学院合肥物质科学研究院有“人造太阳”之称的全超导托卡马克核聚变实验装置(EAST)创造了新的世界纪录,成功实现可重复的1.2亿摄氏度101秒和1.6亿摄氏度20秒等离子体运行,将1亿摄氏度20秒的原纪录延长了5倍。


 

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等离子体又叫做电浆,被认为是物质存在的第四态,是由电子、阳离子和中性粒子构成的整体呈电中性的物质集合体。


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,同时,由于产生等离子体的感应线圈位于等离子体炬外,不会带来电极污染,且等离子体反应体系气氛可控,因此在制备和处理高纯度粉体材料方面具有明显的优势和潜力,是制备特种粉体的重要手段之一。


高频感应热等离子体制备特种粉体的研究


图1为高频热等离子体制备特种粉体的研究定位和方向。

 


1 高频感应热等离子体制备纳米粉体


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。


高频等离子体制备纳米粉体装置包括等离子发生系统(用于产生激励电磁场)、不锈钢反应器、等离子体灯具、送料系统、气体配送系统、加料枪、产品收集系统和尾气排放系统等。高频热等离子体制备纳米粉体的实验过程分为3个步骤:第一步,产生稳定的等离子体弧;第二步,加料;第三步,收集产品。


高频热等离子体弧不仅能够提供很高的温度,而且,等离子体产生的活性粒子能够促进反应进行,尤其是氢等离子体能够强化还原反应,为短流程制备纳米金属球形粉体提供了新的途径。采用化合物代替金属粉作为原料,在高频热等离子体中一步加氢还原制备纳米球形金属粉,既能够简化生产工艺又可以相应地降低成本。


2 高频感应热等离子体制备球形粉体


球化是利用热等离子体温度高、能量密度大等特点,将形状不规则的原料粉体迅速加热而熔化或气化,然后在极高的温度梯度下迅速冷却固化或沉积,最终得到球形粉体颗粒。具体处理过程与待处理材料的性质相关,材料的熔化温度和气化温度、粉体颗粒尺寸、粒径分布、致密度等都会对处理过程产生影响。


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。利用高频热等离子体可以进行系列粉体的球化,包括钼、铌、钛、铬、钒、镍、钛合金、镍合金和不锈钢等金属粉体,也可以进行氧化硅、氧化铝等粉体球化。等离子体制备的球形粉体可用于3D打印,同时,利用球形粉体的堆积可制备孔结构均匀的多孔基体,用于高温熔体的过滤和制备钨铜复合材料等。


目前,热等离子体制备球形粉体技术仅适用于附加值较高的领域,其运行成本较高仍是制约其大规模工业应用的主要障碍。因此,利用热等离子体工艺优势开发高附加值产品和有效降低等离子体运行成本是未来发展的主要方向。


高频热等离子体制备特种粉体的发展前景


高频热等离子体的高温瞬态反应和快速冷却的特点为特种粉体制备提供了有效手段,能制备系列球形纳米粉体和对不规则颗粒进行球形化处理。未来发展应从两方面考虑:一是进一步提高热等离子体弧热量的利用率,这不仅包括增加弧的长度和均匀性,也包括提高弧的能量密度;另一方面是调控颗粒在热等离子体弧中的运动行为,提高颗粒行为变化的可控性。


具体而言,熔融球化需进一步拓展球化颗粒的粒度范围,调控颗粒生长过程,制备不同形貌的氧化物颗粒,重点需解决瞬态氧化过程颗粒大小的调控问题,而氢等离子体强化还原则需进一步研究颗粒生长的动力学过程。2021年6月17日上午9点-10点中国粉体网旗下平台粉体公开课邀请到中国科学院过程工程研究所袁方利研究员《高频感应热等离子体制备特种粉体》报告,届时袁研究员将首先介绍热等离子体的特点,然后,将概括介绍我们利用高频热等离子体制备特种粉体方面的研究布局;随后详细介绍利用热等离子体开展的四个方面制备粉体的研究:①利用热等离子体的高温和快速冷却过程,粗颗粒经过等离子体弧高温气化,通过控制冷却速率可以得到纳米粉体,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;②具有固定熔点的不规则颗粒,在等离子体弧中熔融形成球形液滴,快速冷却获得了规则致密的球形颗粒,高熔点的钨、钼、铌、铬等粉体经球化得到了规则的球形粉体;③利用活性氢的瞬时强化还原反应,通过化学气相沉积制备了超细钨、钼、镍和铜等金属粉体。④活性氧有助于与调控颗粒的氧化生长过程,能够获得多种特殊形貌的氧化物。最后,对热等离子体制备特种粉体的应用进行介绍。


 

专家简介


袁方利,博士,中国科学院过程工程研究所研究员。主要开展特种粉体材料制备与应用研究,重点围绕热等离子体制备特种功能粉体进行设备研制、粉体材料研发和应用研究。热等离子体技术制备纳米粉体材料设备研制获得863计划的支持,研发了高频热等离子体制备粉体装置,纳米球形氧化铝、氧化硅和球形难熔金属粉及纳米金属粉体等实现了宏量制备。


发表SCI论文100多篇,获授权发明专利6项。2010年获北京市科学技术奖二等奖,2011年获中国石油和化学工业科学技术奖三等奖,2016获中国颗粒学会-赢创颗粒学创新奖。中国力学学会等离子体专业委员会委员,中国金属学会冶金过程物理化学分会委员,中国复合材料学会航天复合材料及应用专业委员会委员。


参考文献:

【1】袁方利,等.高频热等离子体制备特种粉体研究进展.过程工程学报.2018年,18(6).

【2】袁方利,等.高频热等离子体制备纳米粉体材料研究进展.新材料产业.2012年.

【3】袁方利,等.高频感应热等离子体在微细球形粉体材料制备中的应用.2013年,39(7).

(中国粉体网编辑整理/星耀)

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作者:星耀

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