隨著粉末材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對其實(shí)際應(yīng)用性能的要求也逐漸提高。為了滿足更好的性能，滿足現(xiàn)代技術(shù)產(chǎn)品的微型化和集成功能要求，必須生產(chǎn)純度更高、粒徑分布更均勻、流動性更好的優(yōu)質(zhì)粉末。與普通粉末相比，球形粉末顆粒的表面形狀規(guī)則顯著增加了粉末的積累密度，可以大大提高粉末的流動性和分散性，最大限度地消除團(tuán)聚的影響。由于球形粉末具有優(yōu)異的物理和工藝性能，廣泛應(yīng)用于新技術(shù)、新技術(shù)和新產(chǎn)品中。

等離子體具有高溫、高焓、高化學(xué)反應(yīng)活性、反應(yīng)氛圍和可控反應(yīng)溫度的特點(diǎn)，非常適合制備純度高、粒度小的球形粉末。與其他方法相比，工藝流程短，效率高，可一步制成球形粉末。

1等離子體技術(shù)簡介

等離子體技術(shù)是當(dāng)今科學(xué)技術(shù)研究的前沿。早在19世紀(jì)，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了等離子體，這是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)。研究這種基本物質(zhì)形式的特征、規(guī)律和用途，形成了等離子體物理學(xué)，并產(chǎn)生了許多交叉學(xué)科。

簡單地說，等離子體是由電子、離子、原子、分子和自由集團(tuán)等離子體組成的電離氣體。因此，等離子體具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)：

（1）導(dǎo)電性：由于等離子體是由自由電子和帶電離子組成的帶電粒子的集合體，具有類似金屬的導(dǎo)電性；

(2)溫度高，粒子動能大；

（3）化學(xué)性質(zhì)活潑，易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

(4)發(fā)光特性，可用于照明光源。

根據(jù)不同的溫度，等離子體可分為：高溫等離子體（約106~108）Ｋ）低溫等離子體(室溫至3)×104Ｋ），低溫等離子體可分為電弧等離子體、高頻等離子體和微波等離子體。等離子體由于其高溫和可控的反應(yīng)氛圍而被引入材料領(lǐng)域，主要用于粉末冶金、材料加工、噴涂、焊接等方面。

該技術(shù)具有許多優(yōu)點(diǎn)：1）通過改變粉末形狀，有效提高粉末的流動性。這將有效減少粉末特別是細(xì)粉末的聚集和團(tuán)聚，有效控制粉末冶金過程中混合粉末、裝載和壓坯的工藝質(zhì)量；2）有效提高粉末的振動密度；3）控制和減少粉末顆粒內(nèi)部的孔洞和缺陷；4）能有效改善粉末形狀，使材料微觀形狀呈標(biāo)準(zhǔn)球形；5）制備過程中還原氣氛的引入，可大大降低氧含量

2.等離子體技術(shù)制備球形粉體的研究現(xiàn)狀

2.1感應(yīng)耦合熱等離子體制備球形WC金屬陶瓷粉末制備球形WC金屬陶瓷粉末

為了提高粉末的流動性，探索球形粉末的制備工藝，陳倫江等人將感應(yīng)耦合熱等離子體作為高溫?zé)嵩?，對不?guī)則形狀的微米碳化鎢進(jìn)行處理（WC）粉末進(jìn)行了球化處理實(shí)驗(yàn)，研究了粉末輸送量對粉末流動性、振實(shí)密度和粒徑分布的影響，采用掃描電子顯微鏡（SEM）、霍爾流速計(jì)、能譜分析儀（EDS）激光粒度分析儀分別對球化前后粉末的微觀形態(tài)、流動性、元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)和粒度分布進(jìn)行了表征和分析。結(jié)果表明，WC粉末經(jīng)過感應(yīng)耦合熱等離子體球化處理后，可獲得表面光滑、分散性好、流動性好、振實(shí)密度高的球形粉末；球化后，粉末氧鎢質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；球化處理后，球形WC粉末粒徑略大；隨著球化率的降低，球形粉末的流動性和振實(shí)密度減弱，粉末粒徑分布范圍變寬。

2.2高頻熱等離子體制備特種粉體

高頻感應(yīng)熱等離子體具有能量密度高、溫度高、冷卻速率快的特點(diǎn)，是制備特種粉體的重要手段之一。中國科學(xué)院工藝工程研究所袁方利等人利用熱等離子體的高溫和快速冷卻過程，通過等離子體弧高溫氣化粗顆粒，通過控制冷卻速率獲得納米粉體。該方法制備了納米球形硅、鐵、鈷、鎳等粉體。納米硅粉可用于鋰離子電池的負(fù)極材料。具有固定熔點(diǎn)的不規(guī)則顆粒在等離子體弧中熔化形成球形液滴，快速冷卻可獲得規(guī)則致密的球形顆粒。通過等離子體球化，制備了高熔點(diǎn)的鎢、鉬、鈮、鉻等規(guī)則致密的球形粉體。利用活性氫的瞬時(shí)強(qiáng)化還原反應(yīng)，利用化學(xué)氣相沉積制備超細(xì)鎢、鉬、鎳、銅等球形金屬超細(xì)粉體。活性氧有助于調(diào)節(jié)顆粒的氧化生長過程，利用金屬等氧化反應(yīng)獲得各種特殊形狀的氧化物。

2.3射頻等離子體制球形鈦粉

盛艷偉等人以不規(guī)則形狀的大顆粒TiH2粉末為原料，采用射頻等離子球化處理技術(shù)制備微球形Ti粉末。粉末的形狀、物相和粒度通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射和激光粒度分析來測試。結(jié)果表明，大顆粒TiH2粉末的脫氫分解、破碎和球化處理在等離子體中一步完成，得到微球形粉末。相組成主要為Ti和殘留TiH相；球形粉末為1.3×在10-4Pa真空條件下，經(jīng)750℃、經(jīng)過2小時(shí)脫氫處理，得到單相球形Ti粉。平均粒徑為原來的100~150μm減小至20~50μm，球化率可達(dá)100%。隨著進(jìn)料率的提高，粉末的球化率降低。TiH2粉采用射頻等離子體處理是制備微細(xì)球形鈦粉的一種新方法

2.4高頻等離子體法制備微細(xì)球形鎳粉

白柳楊和其他公司制備了微細(xì)球形鎳粉（包括細(xì)化和粗化過程），研究了載氣量和加料量對產(chǎn)品鎳粉形狀和粒度的影響。結(jié)果表明，等離子體處理后的產(chǎn)品仍為純金屬鎳粉，形狀由不規(guī)則變?yōu)榍蛐危骄接稍系?～5μm降至100nm左右，振實(shí)密度由2.44g/cm3提高到3.72g/cm3。高頻等離子體法是制備電極用高振實(shí)密度微細(xì)球形粉體的有效技術(shù)

2.5射頻等離子體制球形鎢粉

顧忠濤等人使用射頻(RF)等離子體研究了加料速率和鎢粉分散方式對球化率的影響。通過電子掃描顯微鏡(SEM)球化效率由球化粉末的百分比評估。球化處理鎢粉的X射線衍射譜(XRD)該測試驗(yàn)證了球化過程中的無氧化和其他雜質(zhì)介入。當(dāng)鎢粉在很短的時(shí)間內(nèi)（約幾毫秒）迅速穿過等離子體火炬時(shí)，球形鎢粉顆粒被加熱熔化成液滴，迅速冷卻，形成致密的球形固體顆粒。

3發(fā)展趨勢

目前，國外等離子體粉體處理技術(shù)具有一定的生產(chǎn)能力。加拿大泰克納納加拿大。（TEKNA）公司開發(fā)的等離子體粉體處理系統(tǒng)在世界感應(yīng)等離子體技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位。TEKNA公司實(shí)現(xiàn)了WW、Mo、Re、Ta、Ni、金屬粉末如Cu和SiO2、ZrO2、YSZ、Al2O3等氧化物陶瓷粉末的球化處理。

圖片

雖然等離子制備超細(xì)粉末技術(shù)設(shè)備復(fù)雜、昂貴，生產(chǎn)成本高、生產(chǎn)率低，但作為一種可制備高球化率、高致密粉末的新技術(shù)，引起了極大的關(guān)注。目前，等離子制粉技術(shù)的發(fā)展趨勢總結(jié)如下：（1）等離子控制技術(shù)的優(yōu)化和等離子發(fā)生器的改進(jìn)是熱等離子技術(shù)工業(yè)化的關(guān)鍵。有前途的是新型等離子反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，如多火炬裝置、直流火炬和射頻火炬的混合反應(yīng)器，以及其他創(chuàng)新設(shè)計(jì)，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量，而且提高了加工效率。（2）用其他熱源制備的球形粉末是熱等離子技術(shù)制粉的優(yōu)點(diǎn)。難熔金屬和陶瓷的高熔點(diǎn)決定了其他熱源難以實(shí)現(xiàn)熔融球化和致密化。

目前，隨著高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展和對納米新材料和新制備工藝的迫切需求，等離子體化學(xué)的研究和利用越來越受到重視。隨著等離子體控制技術(shù)的改進(jìn)、裝置的改進(jìn)和生產(chǎn)成本的降低，熱等離子體將廣泛應(yīng)用于制備和合成高純度、高球化率、窄粒度分布的超細(xì)粉體。球形鎢粉