中国粉体网讯 球形颗粒是一类很重要的粉体材料，在粉末冶金、3D打印、喷涂、抛光、催化剂载体等领域具有广泛的应用，且与众多“卡脖子”材料密切相关，成为材料发展的重要促进剂。
球形颗粒制备方法很多，但缺乏有效的调控手段，难以实现批量稳定生产。高频感应热等离子体提供的高温瞬态过程，为制备球形颗粒提供了有效途径。
等离子体被称为物质存在的第四态。根据卢瑟福原子核式结构模型，当向原子提供较高的能量时，核外电子的动能足以超过原子电离能，电子便挣脱原子的束缚进而成为自由电子。当气体中有足够多的原子被电离时，被电离的气体便会转化成为新的物态，即等离子态。它们是离子化物质，由中性粒子、离子、电子及光子等组成，整体呈电中性，亦呈气体状。
有关等离子体的分类方法很多，依据等离子体中的重粒子温度，将其分为冷等离子体和热等离子体两大类：冷等离子体远离热力学平衡状态，重离子温度只有室温左右，而电子温度可达上万℃。热等离子体中的重离子温度范围为3×103～3×104K，基本上达到了热力学平衡，因此具有统一的热力学温度，可以采用热力学平衡状态的MaxweU速度分布、BoltzInann粒子能态几率分布和Saha方程等来确定等离子体的状态和参数，如电弧等离子体、高频等离子体等。此类等离子体具有较高的能量密度，可以用于材料的合成、球化、致密化以及保护性涂层的沉积等。
高频感应热等离子体由位于等离子体炬外的感应线圈产生，且等离子体反应气氛可控，因此高频感应热等离子体除了具有能量密度大、温度高和冷却速率快等特点外，还可以减少污染，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。采用高频感应热等离子体制备微细粉体材料主要有两种途径：一种是将热等离子体主要用作高温热源，利用热等离子体弧的高温进行加工处理；另一种途径是让热等离子体同时提供能够促进化学反应的活性粒子，利用热等离子体弧提供高活性反应组分进行材料合成。
颗粒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。当熔化部分的质量分数>50％时，熔融的颗粒在表面张力的作用下形成球形液滴，并在极高的温度梯度下迅速冷却固化，最终形成球形颗粒。
热等离子体球化可以有效地改善被处理粉体的物理和化学特性，是一种高效和经济的处理粉体材料的方法，主要表现在以下几个方面：①制备球形颗粒。粉体在热等离子体弧中经高温熔融和快速冷却，球形的熔融液滴得以保留下来，从而制得球形颗粒；②提高粉体致密性。粉体在球化处理过程中可以消除孔隙，得到致密材料；③提高粉体纯度。粉体颗粒在高温热等离子体弧和可调可控的反应气氛中熔融，一些易挥发的杂质或者能和气氛发生反应的物质可以脱离体系，从而提高原材料的纯度。
▲高频感应热等离子体球化系统示意图
高频感应热等离子体电源包括高频机和与之相连的微机控制交流调压装置。
高频感应热等离子体发生器包括与热等离子体电源相连接的高频感应水冷线圈和灯头，以及与灯头相连的供气系统。供气系统为等离子体的稳定运行提供了中气和边气。中气也称热等离子体气，起维持热等离子体的作用；边气也称为保护气，其作用主要是将高温的热等离子体吹离外层石英管内壁，从而保护石英管不受热损坏。
送粉系统是球化设备中的关键部分之一，是影响产品质量稳定性的一个非常重要的因素。在输送粉体原料时，送粉系统必须能将粉体颗粒连续、分散、均匀、稳定地输送到热等离子体弧中。粒径过细、流动性差的粉体无法实现连续、稳定送粉。
热等离子体反应器是产物的生成场所，由放电管和与之相连接的不锈钢反应器组成。反应器结构可以根据生产实验需要来进行设计，通过进行结构设计和材料的选择来控制反应器内的温度场，为反应产物晶核的生成和长大提供适宜的环境。
收料系统是一套布袋收尘装置，用来收集冷却后分散性良好的细颗粒。为了保证生产过程的连续长时间运行，收料系统内配备有一个定时清扫装置。
想要了解更多关于高频感应热等离子体的研究，请关注中国粉体网旗下粉体公开课平台将于2021年8月27日举办的“2021（第二届）粉体球形化制备及检测技术网络研讨会”，来自中国科学院过程工程研究所的袁方利研究员将带来题为《球形颗粒助力创新材料发展-高频感应热等离子体制备球形粉体研究》的报告。届时，他将对球形粉制备技术进行综述，着重介绍高频感应等离子体制备球形粉体的研究成果。
专家简介
袁方利，研究员、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。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。
资料来源：
白柳杨、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
李保强.热等离子制备的球形钨粉在W-Cu复合材料中的应用研究
范亚昆.热等离子体法制备球形纳米硅粉
（中国粉体网编辑整理/长安）
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