中國粉體網訊 近期，華南理工大學國家大學科技園與廣東華欣材創科技有限公司聯合舉辦新品發布會，推出全球首臺20L級等離子高能球磨設備。
有業內人士表示，這標志著粉末制備技術領域取得重大突破。為何評價如此之高？
傳統的高能球磨依靠單一的機械能輸入，存在效率低、能耗高、粉末污染等問題，極大地限制了其在高性能材料制備中的應用。近年來，在球磨過程中引入其他能量場并通過多場協同球磨技術來解決上述問題的方案引起研究人員和工業界的重視。
廣東華欣材創科技有限公司研發的等離子高能球磨技術，創新性地在球磨罐引入冷場等離子體，通過高能量電子與機械沖擊力協同作用，大大加快了材料細化、合金化與活性激活的過程，有效攻克了傳統技術的難題。
高能量電子與機械沖擊力協同作用是指什么，對粉體制備有什么作用？
1、等離子體與球磨耦合原理
迄今為止，用于對球磨進行輔助或協同的外能量場主要包括超聲波、磁場、等離子場、溫度場和電場等。等離子體是由大量的正離子、負離子、電子、中性粒子以及自由基團等組成的集合體，它的能量范圍比常規的固態、液態、氣態都大，被稱為物質的第四種狀態。
其中，冷場等離子體主要采用電暈放電、微波放電、輝光放電和介質阻擋放電等方法產生，其放電區域內含有大量的高活性粒子，如電子（0～20eV）、離子（0.03～0.05eV）、亞穩態粒子（0～2eV）等。
(a、b)等離子球磨技術的原理圖;(c—e)不同氣壓條件下的Ar放電現象
具體而言，將冷場等離子體引入到球磨過程的方案具有以下特點:
（1）體系宏觀熱量低，而冷場等離子體的電子溫度極高（～104K），且以脈沖的形式存在。放電脈沖可以對粉體的微區瞬時加熱，該效應受材料自身的熱學特性、形狀尺寸等因素的影響。而在脈沖間隔內或離開等離子體時，粉體溫度又急劇下降，這樣反復升溫、降溫的過程可誘發巨大的熱應力，從而促進粉體破碎細化。同時，磨球碰撞引起材料變形的機制也因脈沖電子的加熱作用而發生變化。
（2）等離子體由純凈氣體電離產生，熱源清潔而不產生污染，放電區域的電子能量（～10eV）高于大部分氣體分子的鍵能。因此，高能電子將通過非彈性碰撞過程離解、電離、激發背景氣體分子，從而產生大量的活性物種與被球磨粉體進行作用。
（3）在電場加速下，高能電子撞擊在被球磨粉體表面，產生大量晶格畸變、錯位、原子空位等缺陷，同時電子流過粉體，在其運動方向上對原子遷移產生驅動力，促進原子擴散并增大晶格內的空位濃度。由于缺陷的存在，等離子體的活性物質很容易在球磨粉體的新鮮表面發生吸附作用，從而改變材料的活性，使得原子擴散、相變和化學反應更容易進行。
2、等離子體與球磨耦合技術應用
已有研究結果表明，等離子球磨技術在潤滑材料、石墨烯材料、金屬陶瓷材料、儲氫材料等的制備方面顯示出獨特的優勢和應用價值。
（1）潤滑材料
在等離子球磨片狀納米Cu粉的過程中加入硬脂酸，利用等離子體使硬脂酸的C=O斷裂，再發生Cu-O鍵合，即硬脂酸以Cu-O的形式與Cu核形成穩定的化學鍵合，而非像普通球磨那樣通過簡單的物理吸附來實現對納米Cu粉的表面改性。由于粉體表面鍵合了非極性長鏈基團，這些基團展露在外能與其他有機介質親和，減小界面張力，從而使粉末轉變為親油疏水性，在潤滑油中表現出良好的分散穩定性，該方法也可用于改善金屬氧化物在潤滑油中的分散穩定性。
（2）石墨烯材料
在球磨碳材料的過程中，磨球間頻繁的剪切摩擦提供了有效的機械剝離作用，理論上能產生少量的石墨烯。等離子球磨將機械剝離與等離子體剝離耦合，能夠實現對碳材料特殊的剝離效果，得到少層石墨烯包覆納米粒子的層狀復合材料和少層石墨烯增強結構材料。
（3）碳化物基金屬陶瓷粉末
等離子球磨提供了一種快速誘導自蔓延/擴散形核反應合成碳化物基金屬陶瓷粉末的有效方法，而且可以通過改變放電強度和反應物成分的配比，來實現反應速率的調控。
（4）氮化物基金屬陶瓷粉末
與普通球磨工藝相比，采用等離子球磨技術誘發原位氣-固反應的增益效果，在合成TiN、AlN等氮化物基金屬陶瓷粉末方面具有顯著的優勢。
（5）儲氫材料
與普通球磨相比，等離子球磨金屬Mg、In很容易制備Mg（In）儲氫固溶體。當放電強度較高時，采用聚四氟乙烯為介質阻擋層的電極，該電極還將產生F-并與純Mg反應，生成少量MgF2相。原位生成的MgF2對Mg（In）固溶體的吸放氫反應具有良好的催化作用，形成的Mg（In）-MgF2復合體系的放氫激活能為127.7kJ/mol，可逆放氫量達5.16%。
（6）羰基鐵粉
等離子球磨6h可得到片徑在4～10μm、平均晶粒尺寸約18nm的片狀還原鐵粉，等離子球磨1h可形成中位徑約9.5μm、平均厚度約0.6μm、平均晶粒尺寸約9nm的片狀羰基鐵粉。與普通球磨相比，等離子球磨制備的片狀羰基鐵粉徑厚比大、形狀各向異性強，導致其吸波性能得到了改善。制成同軸樣品后，采用模擬厚度法測得其反射損耗最大達到-25dB，在13.6～16.7GHz頻率范圍內的反射損耗均低于-10.0dB，頻帶寬度約3GHz。
結語
目前，等離子體與高能球磨結合技術已實現商品化，放電電極和與之配套的球磨罐具有多種規格，能滿足實驗室研究和批量化的生產需求，在多家高校和企業中投入使用。
參考來源：
廣東華欣材創科技有限公司
劉員環：等離子球磨技術在材料制備中的應用，華南理工大學
劉員環：吸波鐵粉制備等離子球磨粉體細化機制探索及片狀，華南理工大
(中國粉體網編輯整理/昧光)
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