中國粉體網(wǎng)訊 5月28日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院有“人造太陽”之稱的全超導(dǎo)托卡馬克核聚變實驗裝置（EAST）創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)可重復(fù)的1.2億攝氏度101秒和1.6億攝氏度20秒等離子體運行，將1億攝氏度20秒的原紀(jì)錄延長了5倍。
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等離子體又叫做電漿，被認(rèn)為是物質(zhì)存在的第四態(tài)，是由電子、陽離子和中性粒子構(gòu)成的整體呈電中性的物質(zhì)集合體。
高頻感應(yīng)熱等離子體具有能量密度大、溫度高和冷卻速率快等特點，同時，由于產(chǎn)生等離子體的感應(yīng)線圈位于等離子體炬外，不會帶來電極污染，且等離子體反應(yīng)體系氣氛可控，因此在制備和處理高純度粉體材料方面具有明顯的優(yōu)勢和潛力，是制備特種粉體的重要手段之一。
高頻感應(yīng)熱等離子體制備特種粉體的研究
圖1為高頻熱等離子體制備特種粉體的研究定位和方向。
1 高頻感應(yīng)熱等離子體制備納米粉體
利用熱等離子體的高溫和快速冷卻過程，粗顆粒經(jīng)等離子體弧高溫氣化，通過控制冷卻速率能得到納米粉體，利用該方法制備了納米球形硅、鐵、鈷和鎳等粉體，納米硅粉可用于鋰離子電池負(fù)極材料。
高頻等離子體制備納米粉體裝置包括等離子發(fā)生系統(tǒng)(用于產(chǎn)生激勵電磁場)、不銹鋼反應(yīng)器、等離子體燈具、送料系統(tǒng)、氣體配送系統(tǒng)、加料槍、產(chǎn)品收集系統(tǒng)和尾氣排放系統(tǒng)等。高頻熱等離子體制備納米粉體的實驗過程分為3個步驟：第一步，產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體�。坏诙�，加料；第三步，收集產(chǎn)品。
高頻熱等離子體弧不僅能夠提供很高的溫度，而且，等離子體產(chǎn)生的活性粒子能夠促進反應(yīng)進行，尤其是氫等離子體能夠強化還原反應(yīng)，為短流程制備納米金屬球形粉體提供了新的途徑。采用化合物代替金屬粉作為原料，在高頻熱等離子體中一步加氫還原制備納米球形金屬粉，既能夠簡化生產(chǎn)工藝又可以相應(yīng)地降低成本。
2 高頻感應(yīng)熱等離子體制備球形粉體
球化是利用熱等離子體溫度高、能量密度大等特點，將形狀不規(guī)則的原料粉體迅速加熱而熔化或氣化，然后在極高的溫度梯度下迅速冷卻固化或沉積，最終得到球形粉體顆粒。具體處理過程與待處理材料的性質(zhì)相關(guān)，材料的熔化溫度和氣化溫度、粉體顆粒尺寸、粒徑分布、致密度等都會對處理過程產(chǎn)生影響。
具有固定熔點的不規(guī)則顆粒在等離子體弧中經(jīng)熔融形成球形液滴，快速冷卻能獲得規(guī)則致密的球形顆粒。利用高頻熱等離子體可以進行系列粉體的球化，包括鉬、鈮、鈦、鉻、釩、鎳、鈦合金、鎳合金和不銹鋼等金屬粉體，也可以進行氧化硅、氧化鋁等粉體球化。等離子體制備的球形粉體可用于3D打印，同時，利用球形粉體的堆積可制備孔結(jié)構(gòu)均勻的多孔基體，用于高溫熔體的過濾和制備鎢銅復(fù)合材料等。
目前，熱等離子體制備球形粉體技術(shù)僅適用于附加值較高的領(lǐng)域，其運行成本較高仍是制約其大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的主要障礙。因此，利用熱等離子體工藝優(yōu)勢開發(fā)高附加值產(chǎn)品和有效降低等離子體運行成本是未來發(fā)展的主要方向。
高頻熱等離子體制備特種粉體的發(fā)展前景
高頻熱等離子體的高溫瞬態(tài)反應(yīng)和快速冷卻的特點為特種粉體制備提供了有效手段，能制備系列球形納米粉體和對不規(guī)則顆粒進行球形化處理。未來發(fā)展應(yīng)從兩方面考慮：一是進一步提高熱等離子體弧熱量的利用率，這不僅包括增加弧的長度和均勻性，也包括提高弧的能量密度；另一方面是調(diào)控顆粒在熱等離子體弧中的運動行為，提高顆粒行為變化的可控性。
具體而言，熔融球化需進一步拓展球化顆粒的粒度范圍，調(diào)控顆粒生長過程，制備不同形貌的氧化物顆粒，重點需解決瞬態(tài)氧化過程顆粒大小的調(diào)控問題，而氫等離子體強化還原則需進一步研究顆粒生長的動力學(xué)過程。2021年6月17日上午9點-10點，中國粉體網(wǎng)旗下平臺粉體公開課邀請到中國科學(xué)院過程工程研究所袁方利研究員作《高頻感應(yīng)熱等離子體制備特種粉體》報告，屆時袁研究員將首先介紹熱等離子體的特點，然后，將概括介紹我們利用高頻熱等離子體制備特種粉體方面的研究布局；隨后詳細(xì)介紹利用熱等離子體開展的四個方面制備粉體的研究：①利用熱等離子體的高溫和快速冷卻過程，粗顆粒經(jīng)過等離子體弧高溫氣化，通過控制冷卻速率可以得到納米粉體，利用該方法制備了納米球形硅、鐵、鈷和鎳等粉體，納米硅粉可用于鋰離子電池負(fù)極材料；②具有固定熔點的不規(guī)則顆粒，在等離子體弧中熔融形成球形液滴，快速冷卻獲得了規(guī)則致密的球形顆粒，高熔點的鎢、鉬、鈮、鉻等粉體經(jīng)球化得到了規(guī)則的球形粉體；③利用活性氫的瞬時強化還原反應(yīng)，通過化學(xué)氣相沉積制備了超細(xì)鎢、鉬、鎳和銅等金屬粉體。④活性氧有助于與調(diào)控顆粒的氧化生長過程，能夠獲得多種特殊形貌的氧化物。最后，對熱等離子體制備特種粉體的應(yīng)用進行介紹。
專家簡介
袁方利，博士，中國科學(xué)院過程工程研究所研究員。主要開展特種粉體材料制備與應(yīng)用研究，重點圍繞熱等離子體制備特種功能粉體進行設(shè)備研制、粉體材料研發(fā)和應(yīng)用研究。熱等離子體技術(shù)制備納米粉體材料設(shè)備研制獲得863計劃的支持，研發(fā)了高頻熱等離子體制備粉體裝置，納米球形氧化鋁、氧化硅和球形難熔金屬粉及納米金屬粉體等實現(xiàn)了宏量制備。
發(fā)表SCI論文100多篇，獲授權(quán)發(fā)明專利6項。2010年獲北京市科學(xué)技術(shù)獎二等獎，2011年獲中國石油和化學(xué)工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎三等獎，2016獲中國顆粒學(xué)會-贏創(chuàng)顆粒學(xué)創(chuàng)新獎。中國力學(xué)學(xué)會等離子體專業(yè)委員會委員，中國金屬學(xué)會冶金過程物理化學(xué)分會委員，中國復(fù)合材料學(xué)會航天復(fù)合材料及應(yīng)用專業(yè)委員會委員。
參考文獻(xiàn)：
【1】袁方利，等.高頻熱等離子體制備特種粉體研究進展.過程工程學(xué)報.2018年，18（6）.
【2】袁方利，等.高頻熱等離子體制備納米粉體材料研究進展.新材料產(chǎn)業(yè).2012年.
【3】袁方利，等.高頻感應(yīng)熱等離子體在微細(xì)球形粉體材料制備中的應(yīng)用.2013年，39（7）.
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/星耀）
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