等离子体技术制备球形粉体研究

随着粉末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。为了满足更好的性能，满足现代技术产品的微型化和集成功能要求，必须生产纯度更高、粒径分布更均匀、流动性更好的优质粉末。与普通粉末相比，球形粉末颗粒的表面形状规则显著增加了粉末的积累密度，可以大大提高粉末的流动性和分散性，最大限度地消除团聚的影响。由于球形粉末具有优异的物理和工艺性能，广泛应用于新技术、新技术和新产品中。

等离子体具有高温、高焓、高化学反应活性、反应氛围和可控反应温度的特点，非常适合制备纯度高、粒度小的球形粉末。与其他方法相比，工艺流程短，效率高，可一步制成球形粉末。

1等离子体技术简介

等离子体技术是当今科学技术研究的前沿。早在19世纪，科学家就发现了等离子体，这是物质存在的第四种状态。研究这种基本物质形式的特征、规律和用途，形成了等离子体物理学，并产生了许多交叉学科。

简单地说，等离子体是由电子、离子、原子、分子和自由集团等离子体组成的电离气体。因此，等离子体具有独特的物理和化学性质：

（1）导电性：由于等离子体是由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；

(2)温度高，粒子动能大；

（3）化学性质活泼，易发生化学反应；

(4)发光特性，可用于照明光源。

根据不同的温度，等离子体可分为：高温等离子体（约106~108）Ｋ）低温等离子体(室温至3)×104Ｋ），低温等离子体可分为电弧等离子体、高频等离子体和微波等离子体。等离子体由于其高温和可控的反应氛围而被引入材料领域，主要用于粉末冶金、材料加工、喷涂、焊接等方面。

该技术具有许多优点：1）通过改变粉末形状，有效提高粉末的流动性。这将有效减少粉末特别是细粉末的聚集和团聚，有效控制粉末冶金过程中混合粉末、装载和压坯的工艺质量；2）有效提高粉末的振动密度；3）控制和减少粉末颗粒内部的孔洞和缺陷；4）能有效改善粉末形状，使材料微观形状呈标准球形；5）制备过程中还原气氛的引入，可大大降低氧含量

2.等离子体技术制备球形粉体的研究现状

2.1感应耦合热等离子体制备球形WC金属陶瓷粉末制备球形WC金属陶瓷粉末

为了提高粉末的流动性，探索球形粉末的制备工艺，陈伦江等人将感应耦合热等离子体作为高温热源，对不规则形状的微米碳化钨进行处理（WC）粉末进行了球化处理实验，研究了粉末输送量对粉末流动性、振实密度和粒径分布的影响，采用扫描电子显微镜（SEM）、霍尔流速计、能谱分析仪（EDS）激光粒度分析仪分别对球化前后粉末的微观形态、流动性、元素质量分数和粒度分布进行了表征和分析。结果表明，WC粉末经过感应耦合热等离子体球化处理后，可获得表面光滑、分散性好、流动性好、振实密度高的球形粉末；球化后，粉末氧钨质量分数增加，碳质量分数降低；球化处理后，球形WC粉末粒径略大；随着球化率的降低，球形粉末的流动性和振实密度减弱，粉末粒径分布范围变宽。

2.2高频热等离子体制备特种粉体

高频感应热等离子体具有能量密度高、温度高、冷却速率快的特点，是制备特种粉体的重要手段之一。中国科学院工艺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，通过等离子体弧高温气化粗颗粒，通过控制冷却速率获得纳米粉体。该方法制备了纳米球形硅、铁、钴、镍等粉体。纳米硅粉可用于锂离子电池的负极材料。具有固定熔点的不规则颗粒在等离子体弧中熔化形成球形液滴，快速冷却可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，利用化学气相沉积制备超细钨、钼、镍、铜等球形金属超细粉体。活性氧有助于调节颗粒的氧化生长过程，利用金属等氧化反应获得各种特殊形状的氧化物。

2.3射频等离子体制球形钛粉

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微球形Ti粉末。粉末的形状、物相和粒度通过扫描电子显微镜、X射线衍射和激光粒度分析来测试。结果表明，大颗粒TiH2粉末的脱氢分解、破碎和球化处理在等离子体中一步完成，得到微球形粉末。相组成主要为Ti和残留TiH相；球形粉末为1.3×在10-4Pa真空条件下，经750℃、经过2小时脱氢处理，得到单相球形Ti粉。平均粒径为原来的100~150μm减小至20~50μm，球化率可达100%。随着进料率的提高，粉末的球化率降低。TiH2粉采用射频等离子体处理是制备微细球形钛粉的一种新方法

2.4高频等离子体法制备微细球形镍粉

白柳杨和其他公司制备了微细球形镍粉（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状和粒度的影响。结果表明，等离子体处理后的产品仍为纯金属镍粉，形状由不规则变为球形，平均粒径由原料的3～5µm降至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

2.5射频等离子体制球形钨粉

顾忠涛等人使用射频(RF)等离子体研究了加料速率和钨粉分散方式对球化率的影响。通过电子扫描显微镜(SEM)球化效率由球化粉末的百分比评估。球化处理钨粉的X射线衍射谱(XRD)该测试验证了球化过程中的无氧化和其他杂质介入。当钨粉在很短的时间内（约几毫秒）迅速穿过等离子体火炬时，球形钨粉颗粒被加热熔化成液滴，迅速冷却，形成致密的球形固体颗粒。

3发展趋势

目前，国外等离子体粉体处理技术具有一定的生产能力。加拿大泰克纳纳加拿大。（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公司实现了WW、Mo、Re、Ta、Ni、金属粉末如Cu和SiO2、ZrO2、YSZ、Al2O3等氧化物陶瓷粉末的球化处理。

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虽然等离子制备超细粉末技术设备复杂、昂贵，生产成本高、生产率低，但作为一种可制备高球化率、高致密粉末的新技术，引起了极大的关注。目前，等离子制粉技术的发展趋势总结如下：（1）等离子控制技术的优化和等离子发生器的改进是热等离子技术工业化的关键。有前途的是新型等离子反应器的设计，如多火炬装置、直流火炬和射频火炬的混合反应器，以及其他创新设计，不仅提高了产品质量，而且提高了加工效率。（2）用其他热源制备的球形粉末是热等离子技术制粉的优点。难熔金属和陶瓷的高熔点决定了其他热源难以实现熔融球化和致密化。

目前，随着高新技术的蓬勃发展和对纳米新材料和新制备工艺的迫切需求，等离子体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改进、装置的改进和生产成本的降低，热等离子体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。球形钨粉