隨著工業(yè)和科技的快速發(fā)展，材料科學(xué)領(lǐng)域?qū)Ψ垠w材料的質(zhì)量要求日益提高。球形粉體因其高比表面積、高振實(shí)密度、良好的流動(dòng)性等，在許多高端產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。如球形硅微粉廣泛用作超大規(guī)模集成電路的封裝材料和電子信息領(lǐng)域、球形鈦粉在先進(jìn)粉末冶金、激光增材制造、熱噴涂等領(lǐng)域具有十分廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的粉體球形化方法有機(jī)械整形法等傳統(tǒng)物理法以及沉淀法、水熱法、溶膠凝膠法等化學(xué)法，

（來(lái)源：云尚制造）

不過(guò)傳統(tǒng)物理法制備的球形粉體雖具有工業(yè)化潛力，但生產(chǎn)后的顆粒指標(biāo)難以保證，僅適用于對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求較低的情況。而化學(xué)法往往對(duì)化學(xué)藥劑的需求較大，且存在有機(jī)雜質(zhì)清除困難、易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象等問(wèn)題，很難實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。因此作為目前最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)高性能球形粉體材料的新型制備技術(shù)，高溫熔融法成為了產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點(diǎn)。

高溫熔融法的優(yōu)勢(shì)

高溫熔融法的基本原理是將原料粉末加熱至熔融狀態(tài)，然后通過(guò)特定的冷卻方式使其迅速凝固成球形顆粒。這種主要依賴于高溫?zé)嵩吹恼畏绞较啾葌鹘y(tǒng)物理法和化學(xué)法，具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）適用范圍廣：廣泛適用于具有高熔點(diǎn)的粉體材料，如石英粉、氧化鋁粉體以及大多數(shù)金屬粉體材料（鎢粉、鉻粉、鉬粉、鐵粉、鈦粉及其合金等）。

（2）粉體性能優(yōu)異：在高溫熔融過(guò)程中，原料能夠充分混合，且可以通過(guò)調(diào)節(jié)熔融液滴的大小和冷卻速度，因此可以精確控制最終球形粉體的粒徑分布和形貌，并確保了球形粉體內(nèi)部分布均勻，其振實(shí)密度、球化率和流動(dòng)性都能夠得到顯著提升。同時(shí)，由于采用的大多為清潔熱源，避免了二次污染粉體。

（3）連續(xù)化生產(chǎn)：高溫熔融法法能夠快速將原料轉(zhuǎn)化為球形顆粒且原理簡(jiǎn)單，所采用的設(shè)備一般都基于自動(dòng)化流程設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)從原料進(jìn)料到成品收集的全程連續(xù)生產(chǎn)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，滿足了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。

（4）環(huán)境友好：與傳統(tǒng)的球化方法相比，高溫法生產(chǎn)過(guò)程更加環(huán)保，產(chǎn)生的有害物質(zhì)較少，對(duì)環(huán)境的損害較小。

如何利用高溫熔融法制備球形顆粒？

高溫熔融法的能量主要來(lái)源于等離子體和高溫火焰，根據(jù)熔融方式和分散收集方法的不同，可歸納為等離子體球化法、霧化法和氣體燃燒火焰成球法這3類方法。

1、等離子體球化法

等離子體(又稱電漿)是在固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)以外的第四大物質(zhì)狀態(tài)，是由帶電粒子（主要是正離子和自由電子）組成的被高度電離的氣體，具有高溫、高焓、高化學(xué)反應(yīng)活性、反應(yīng)氣氛和反應(yīng)溫度可控等特點(diǎn)，因此非常適合用于制備純度高、粒度小的球形粉體，尤其適用于高熔點(diǎn)金屬球形粉體的制備。根據(jù)等離子體的產(chǎn)生方式，等離子體球化技術(shù)可分為直流電弧熱等離子體球化法和射頻感應(yīng)等離子體球化法。

直流電弧熱等離子體是通過(guò)位于陰極尖端和陽(yáng)極之間的電弧放電產(chǎn)生高溫，使反應(yīng)室中的氣體變?yōu)榈入x子體態(tài)的，工藝設(shè)備簡(jiǎn)單，電弧區(qū)的熱力學(xué)溫度可以達(dá)到10⁴K，合成速度快，成本低，可通過(guò)改變實(shí)驗(yàn)進(jìn)料速度、氣氛條件、輸入功率、氣流流速等實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)最終生成的顆粒的尺寸和形貌進(jìn)行控制，同時(shí)能合成的納米顆粒種類多，是金屬、金屬氧化物、精密陶瓷納米顆粒合成中應(yīng)用最廣的一種方法。

直流電弧熱等離子體球化裝置

而射頻感應(yīng)等離子體球化法則是利用射頻（1~500MHz）磁場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生電感耦合等離子體，其最大的特點(diǎn)在于無(wú)電極污染，可制備出純度極高的球形粉體，目前該技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于難熔金屬和陶瓷材料的球形粉體制備，如鎢粉、鉻粉、鈦粉及其合金、高純石英和氧化鋁等。

射頻感應(yīng)等離子體球化裝置

2、霧化法

霧化法是在粉體原料熔融后，通過(guò)特定的方式（如高壓氣體霧化、離心霧化、超聲霧化等）對(duì)熔融態(tài)液體進(jìn)行霧化處理，形成尺寸小于150μm的顆粒，隨后對(duì)液滴進(jìn)行快速冷卻固化，從而獲得球形粉體的工藝過(guò)程，主要應(yīng)用于生產(chǎn)低熔點(diǎn)的金屬和合金球形粉體的制備，但無(wú)法適用于高熔點(diǎn)陶瓷、合金粉體等的制備，產(chǎn)品具有粒度小、球形度高的優(yōu)勢(shì)。通常霧化法根據(jù)能量來(lái)源不同，分為氣霧化法、離心霧化法和超聲霧化法等

（1）氣霧化法

氣霧化法是將粉體原料加熱至熔體后，利用高速氣流沖擊熔融液流，氣體的高速?zèng)_擊會(huì)將熔融液流的動(dòng)能瞬間轉(zhuǎn)化為表面能，從而引發(fā)液流劇烈破碎，形成大量微小的液滴。這些液滴在與周圍環(huán)境接觸后迅速冷卻凝固，最終形成粒徑均勻的球形粉體。通常氣霧化法使用氬氣霧化作為霧化氣流，能夠用于活潑金屬(如鈦合金)或純度要求高的合金(如醫(yī)用CoCrMo合金、鎳基高溫合金等)粉體制備。

　真空熔煉惰性氣體霧化法球化裝置

（2）離心霧化法

離心霧化法是利用離心力將熔融金屬液膜甩成液滴，同時(shí)受到保護(hù)氣體的強(qiáng)制對(duì)流冷卻，快速凝固成粉體的霧化工藝。目前廣泛采用等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法來(lái)制備，具體操作是將陽(yáng)極金屬棒放置于高速旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)軸上，在等離子熱弧的作用下熔化，熔融金屬液滴在離心力的作用下沿切線方向上發(fā)散成細(xì)小液滴，最終凝固球化成粉，整個(gè)過(guò)程在真空或者惰性氣體保護(hù)氣氛下進(jìn)行。與氣霧化法相比，該技術(shù)不需要適用告訴氣流，因此不會(huì)產(chǎn)生空心顆粒和衛(wèi)星顆粒，但受限于電極參數(shù)等工藝條件的影響，粉體粒度普遍偏大，大部分粉體粒徑在45μm以上。

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法球形化裝置

（3）超聲霧化法

超聲霧化技術(shù)利用超聲波振動(dòng)能分散熔融的液態(tài)金屬，在氣相中形成細(xì)小的金屬液滴，之后再冷卻凝固得到球形金屬粉體。超聲霧化技術(shù)得到的粉體具有球形度高、粒徑分布窄等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也不需使用大量惰性氣體對(duì)液流進(jìn)行破碎霧化，所得粉體具有較少的空心顆粒及衛(wèi)星球，但作為一種新型球化技術(shù)，理論發(fā)展尚不成熟，還需進(jìn)一步探索。

3D Lab公司 ATO 系列超聲波金屬霧化器原理

3、氣體燃燒火焰成球法

氣體燃燒火焰成球法是以乙炔氣、氫氣、天然氣等工業(yè)燃料氣體作為產(chǎn)生潔凈無(wú)污染火焰的熱源，通過(guò)高溫火焰噴槍噴出1600~2000℃的高溫火焰，將預(yù)處理后合格的粉體通過(guò)送粉器送入球化爐中，原料粉體在氧氣-燃料氣體射流燃燒產(chǎn)生的高溫下熔融，并受氣流驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，而后冷卻成球，最終形成高純度球形粉體。

相比其他方法，該工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，不涉及電磁學(xué)理論及離子在電磁場(chǎng)中流動(dòng)和運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，生產(chǎn)控制更加簡(jiǎn)單，更易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，目前多用于球形硅微粉體以及球形氧化鋁粉體的制備。

氣體燃燒火焰成球法示意圖

小結(jié)

粉體球形化技術(shù)可以改善粉體的表面特性和物理性能，在制藥、食品、化工、環(huán)保、材料、冶金、3D打印等諸多領(lǐng)域都有所應(yīng)用。相比傳統(tǒng)物理法和化學(xué)法，等離子體球化法、霧化法、火焰法等高溫熔融技術(shù)是目前最有希望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)高性能球形粉體材料的制備技術(shù)。其中等離子體球化法可產(chǎn)生極高的溫度，適用于高熔點(diǎn)金屬球形粉體的制備，霧化法可將熔融原料分散成極小的液滴，因此能夠制備出粒徑小、純度高的低熔點(diǎn)金屬、合金粉體，而高溫火焰法則工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)控制更加簡(jiǎn)單，更易于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

參考文獻(xiàn)：

彭琳,譚琦,劉磊,等.球形粉體制備技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國(guó)粉體技術(shù).

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