摘要:高频感应热等离子体在粉体球化领域中具有独特优势。介绍了高频感应热等离子体及其在微细球形粉体材料制备中的应用。以一台30 kW装置为例，简略介绍了高频热等离子体的球化过程，展示了部分自制的关键设备，其中送粉器可以实现原料粒径在0. 0}^-}0 pm范围内、加料质量流量在1. 00^-100 g/min范围内的均匀稳定供给。结合钨粉、氧化硅、氧化铝、镍粉等几种典型产品的球化，分析了热等离子体运行参数、载气量、加料质量流量等关键因素对球化过程和产品质量的影响，提出了热等离子体在球化pm级和nm级粉体时对原料的基木要求。球化fpm级粉体时，密实原料的球化率>9800，球化后二氧化硅粉体的密度达到理论值的98. 200;球化后钨粉松装密度增加了19. }6%，流动性提高至球化前的2倍以上。球化nm级粉体时可以采用fpm级原料，疏松的原料粉体更便于球化，在20^-100 nm范围内的产品粒径可以通过改变冷却气体积流量进行调控。此外，针对运行成木较高的问题，提出了开发高附加值产品和有效降低热等离子体运行成木是未来发展的主要方向。

关键词:高频感应;热等离子体;微细粉体;球化;材料;粒径

0引言   

等离子体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。产生等离子体的方法包括气体放电、激光压缩、射线辐照及热电离等，其中最常用的是气体放电法。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2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“Co热等离子体中的重离子温度范围为3 X 10}-}-3 X 10'`K，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Maxwell速度分布、Boltzmann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.一定。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民眨。   

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而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2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}}o-}r。   

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o}工3二。当熔化部分的质量分数>50%时，熔融的颗粒在表而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。此过程能够得到球形度很高的颗粒。气化沉积过程得到的产品为类球形纳米颗粒，球形度不如熔化凝固过程高。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。   

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而: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oz-   

本文主要针对热等离子体冷却速率快的特点及其在球形粉体制备领域的独特优势，结合笔者所在团队在高频感应热等离子体制粉方而的研究实践，介绍了高频感应热等离子体在微细球形粉体材料制备中的应用。

1.球化设备  

 以一台具有中试能力的30 kW装置为例来介绍高频热等离子体的球化设备。该装置主要包括热等离子体电源、热等离子体发生器、供粉系统、反应器、收料系统以及供水、供电、供气系统等。图1所示为高频热等离子体球化系统装置图0-1 }-。系统的各个组成部分既相互联系又可单独拆卸，这样便于发现问题和及时更换易损坏部件，也便于设备的维护，降低运行成本，提高安全性。   

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。实验过程中，高频感应热等离子体功率为30 kW，振荡频率为4 MHz o    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。表1列出了典型热等离子体参数。  

 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。目前国内外已报道的送粉器有多种类型，适合于不同特性的粉体原料，但其对粉体粒径和流动性都有一定的要求，粒径过细、流动性差的粉体无法实现连续、稳定送粉。本团队自行研制的送粉器可以实现在Q 05-}-50 }m粒径范围内的原料粉体的均匀稳定供给。    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。表2列出了本团队针对具体问题自制的一些关键装置。

2球化结果及分析

2. 1热等离子体球化}m级粉体  

 图2所示为以粒径为1-}-3  }m的不规则钨粉为原料、采用高频氢等离子体球化前后的场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron micro-scope, FESEM)照片。球化后得到的球形钨粉球形度高、分散性良好，粒径在3-}-5 }m范围内。球化后的平均粒径有所增大，特别是大颗粒粉体在球化后所占比例明显增加。热等离子体球化粉体过程是将热等离子体作为一个高温热源，使得不规则粉体颗粒在此高温热源的作用下熔融成液滴或气化，这些熔融液滴或气态颗粒相互碰撞结合，从而长大;经急速冷却后，长大后的粉体保持了球形状态，形成稳定的、分散性较好的球形颗粒。    粉体的松装密度与粉体颗粒的尺寸、分布、形貌以及表而粗糙度等都有密切关系，粉体颗粒尺寸的增大、粒径分布的展宽、颗粒球形形状系数的增大以及表而粗糙度的减小均有利于提高粉体的松装密度。将球化前后钨粉的松装密度和流动性测试3次取平均值，结果如表3所示。从表3可以看出，球化后，钨粉的松装密度增加到} 38 g/mI，增加率为19 56 0o。松装密度的增加说明了球化后粉体颗粒尺寸增大和球形度增加。另外流动性数据也显示球化后钨粉流动性明显得到改善，流出509料所用时间从90 24 s减少到38 71 s，流动速度为球化前的2 33倍。氧气质量分数的降低证实了热等离子体处理过程的提纯作用。   

图3为采用高频热等离子体球化二氧化硅的实验结果比一项。由图3可知，原料的颗粒形状极不规则，球化后的颗粒球形度很高且表而光滑。图4所示为氧化硅微粉球化前后的X射线衍射( X-raydif-fracrion, XRD)谱图和粒径分布结果。由图4(a)中的XRI}谱图可知，二氧化硅原料具有较高的衍射峰，说明其结晶度较高;球化后样品的衍射峰明显减弱，说明其结晶性变差。热等离子体弧中熔融状态的二氧化硅液滴在热等离子体弧尾焰极高的温度梯度下迅速冷凝下来，保持熔融状态的无定形结构不变。由于部分颗粒没有完全熔球化，图4中产品的XRI}射线衍射图在2C} 6400处仍有一较弱的衍射峰。由图4(b>中的粒径分布可知，球化后的粒径分布变宽，并仍伴随有颗粒长大的现象。经测定，球化后二氧化硅粉体的密度为2 15 g/ cm}，达到理论值( 2 19g/ cm})的98 2%。   

图5为采用高频热等离子体球化Al})的实验结果yr颗粒形状由不规则变为球形，球化后的A12 O;除了包括稳态的。-A12 O;外，还包括片A12 03 ,}A1203 ,} A120;等亚稳态相。亚稳相的出现同样与大的温度梯度有关。

2. 2热等离子体球化nm级粉体  

 对于沸点较低的金属和化合物，球化过程中难免会出现气化现象。图6为球化前后镍粉的FFSFM照片yr。原料淡基镍粉为不规则形状的团聚体，球化后镍粉变为规则的球形，粒径明显变小。原料镍粉团聚体的粒径范围为3-}-5 }m，而产品镍粉大部分为粒径约100 nm的颗粒。本实验中，热等离子体处理工艺除了包含传统的球化过程外，还包括对镍粉进行细化的过程。    原料镍粉是由许多片状小颗粒组成的团聚体，当这些团聚体在等离子体弧中急剧受热时，团聚体内部孔隙的气体迅速膨胀，从而导致团聚体离解而产生细化。此外，镍粉在高温区存在气化和熔化2个过程，较小的纳米颗粒可能是镍蒸气冷凝后的产物。采用液相还原法制备的团聚较密实的镍粉代替淡基镍粉作为原料来制备球形镍粉，产物中同样出现了较细的纳米颗粒，证明了气化沉积过程的存在。镍粉细化实验结果表明，采用热等离子体作为热源，通过蒸发气化沉积的方式可以得到nm级的粉体。  

 由上述结果可知，采用热等离子体工艺合成纳米球形粉体时，作为原料的粉体可以为nm级或者}m级。此外，当发生化学反应时，也可以通过化学合成的途径得到纳米球形粉体。以氢等离子体还原合成纳米金属粉为例，采用化合物代替金属粉作为原料，有效地缩短了生产流程，降低了成本。将此短流程新工艺用于纳米镍粉、铜粉、钨粉的合成，取得了满意的结果.s-2o。图7为氢等离子体还原仲钨酸按的实验结果。XRI}谱图包含a-W和RW，没有氧化钨的衍射峰;采用脉冲红外热导法测定其氧气质量分数<Q 500，说明此工艺能够得到纯度较高的金属钨粉。电镜照片和粒径统计结果显示，钨粉颗粒为nm级，分散较好，平均粒径为24 5 nmo   

由高频氢等离子体发射谱线(如图8所示)可知，在高频氢等离子体中存在H。和H}谱线，说明在热等离子体弧中存在较高浓度的氢原子自由基。氢原子自由基是高活性基团，从反应动力学的角度分析可知，在热等离子体中产生的氢原子自由基的反应能力已经远远超出了常规高温条件下的氢气分子的还原能力。可以认为，氢等离子体具有强化还原反应的能力，这是氢等离子体还原制备高纯纳米金属粉体的原因;同时也可以推断出本工艺也适用于某些极端条件下的特种材料的合成。

3结论  

 1>高频感应热等离子体是制备微细球形粉体材料的一种非常有效手段，不仅能够球化沸点较高的金属和陶瓷粉体，还能通过沸点较低的材料得到类球形的纳米粉体，获得的gym, nm级粉体都具有很好的分散性。  

 2)当球化}m级粉体时，密实原料的球化率X9800，球化后二氧化硅粉体的密度达到理论值的98 200;球化后钨粉松装密度增加了19 56 0o，流动性提高至球化前的2倍以上。球化nm级粉体时可以采用}m级原料，疏松的原料粉体更便于球化，在20^-100 nm范围内的产品粒径可以通过改变冷却气体积流量进行调控。   

3)随着关键技术问题逐渐得到解决，热等离子体球化技术已经具备了从实验室走向工业生产的条件，本团队已经为一些用户筹建了批量生产球形粉体材料的装置，并展示了部分自制的关键设备，其中送粉器可以实现原料粒径在0 05-}-50 }m范围内、加料质量流量在1. 00^-100 g/min范围内的均匀稳定供给。   

4)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。

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