隨著工業和科技的快速發展，材料科學領域對粉體材料的質量要求日益提高。球形粉體因其高比表面積、高振實密度、良好的流動性等，在許多高端產業中得到了廣泛應用。如球形硅微粉廣泛用作超大規模集成電路的封裝材料和電子信息領域、球形鈦粉在先進粉末冶金、激光增材制造、熱噴涂等領域具有十分廣闊的應用前景。傳統的粉體球形化方法有機械整形法等傳統物理法以及沉淀法、水熱法、溶膠凝膠法等化學法，

（來源：云尚制造）

不過傳統物理法制備的球形粉體雖具有工業化潛力，但生產后的顆粒指標難以保證，僅適用于對產品質量要求較低的情況。而化學法往往對化學藥劑的需求較大，且存在有機雜質清除困難、易出現團聚現象等問題，很難實現工業化生產。因此作為目前最有希望實現大規模工業生產高性能球形粉體材料的新型制備技術，高溫熔融法成為了產業界關注的熱點。

高溫熔融法的優勢

高溫熔融法的基本原理是將原料粉末加熱至熔融狀態，然后通過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熱源的整形方式相比傳統物理法和化學法，具有如下優勢：

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

（2）粉體性能優異：在高溫熔融過程中，原料能夠充分混合，且可以通過調節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部分布均勻，其振實密度、球化率和流動性都能夠得到顯著提升。同時，由于采用的大多為清潔熱源，避免了二次污染粉體。

（3）連續化生產：高溫熔融法法能夠快速將原料轉化為球形顆粒且原理簡單，所采用的設備一般都基于自動化流程設計，可實現從原料進料到成品收集的全程連續生產，大大提高了生產效率和產品質量，滿足了大規模工業化生產的需求。

（4）環境友好：與傳統的球化方法相比，高溫法生產過程更加環保，產生的有害物質較少，對環境的損害較小。

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源于等離子體和高溫火焰，根據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、液態和氣態以外的第四大物質狀態，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、高化學反應活性、反應氣氛和反應溫度可控等特點，因此非常適合用于制備純度高、粒度小的球形粉體，尤其適用于高熔點金屬球形粉體的制備。根據等離子體的產生方式，等離子體球化技術可分為直流電弧熱等離子體球化法和射頻感應等離子體球化法。

直流電弧熱等離子體是通過位于陰極尖端和陽極之間的電弧放電產生高溫，使反應室中的氣體變為等離子體態的，工藝設備簡單，電弧區的熱力學溫度可以達到10⁴K，合成速度快，成本低，可通過改變實驗進料速度、氣氛條件、輸入功率、氣流流速等實驗參數對最終生成的顆粒的尺寸和形貌進行控制，同時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

而射頻感應等離子體球化法則是利用射頻（1~500MHz）磁場激勵產生電感耦合等離子體，其最大的特點在于無電極污染，可制備出純度極高的球形粉體，目前該技術已經廣泛應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，通過特定的方式（如高壓氣體霧化、離心霧化、超聲霧化等）對熔融態液體進行霧化處理，形成尺寸小于150μm的顆粒，隨后對液滴進行快速冷卻固化，從而獲得球形粉體的工藝過程，主要應用于生產低熔點的金屬和合金球形粉體的制備，但無法適用于高熔點陶瓷、合金粉體等的制備，產品具有粒度小、球形度高的優勢。通常霧化法根據能量來源不同，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，氣體的高速沖擊會將熔融液流的動能瞬間轉化為表面能，從而引發液流劇烈破碎，形成大量微小的液滴。這些液滴在與周圍環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，同時受到保護氣體的強制對流冷卻，快速凝固成粉體的霧化工藝。目前廣泛采用等離子旋轉電極霧化法來制備，具體操作是將陽極金屬棒放置于高速旋轉的旋轉軸上，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散成細小液滴，最終凝固球化成粉，整個過程在真空或者惰性氣體保護氣氛下進行。與氣霧化法相比，該技術不需要適用告訴氣流，因此不會產生空心顆粒和衛星顆粒，但受限于電極參數等工藝條件的影響，粉體粒度普遍偏大，大部分粉體粒徑在45μm以上。

等離子旋轉電極霧化法球形化裝置

（3）超聲霧化法

超聲霧化技術利用超聲波振動能分散熔融的液態金屬，在氣相中形成細小的金屬液滴，之后再冷卻凝固得到球形金屬粉體。超聲霧化技術得到的粉體具有球形度高、粒徑分布窄等優勢，同時也不需使用大量惰性氣體對液流進行破碎霧化，所得粉體具有較少的空心顆粒及衛星球，但作為一種新型球化技術，理論發展尚不成熟，還需進一步探索。

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、天然氣等工業燃料氣體作為產生潔凈無污染火焰的熱源，通過高溫火焰噴槍噴出1600~2000℃的高溫火焰，將預處理后合格的粉體通過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生的高溫下熔融，并受氣流驅動運動，而后冷卻成球，最終形成高純度球形粉體。

相比其他方法，該工藝相對簡單，不涉及電磁學理論及離子在電磁場中流動和運動問題，生產控制更加簡單，更易于實現大規模生產，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

粉體球形化技術可以改善粉體的表面特性和物理性能，在制藥、食品、化工、環保、材料、冶金、3D打印等諸多領域都有所應用。相比傳統物理法和化學法，等離子體球化法、霧化法、火焰法等高溫熔融技術是目前最有希望實現大規模工業生產高性能球形粉體材料的制備技術。其中等離子體球化法可產生極高的溫度，適用于高熔點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、純度高的低熔點金屬、合金粉體，而高溫火焰法則工藝相對簡單，生產控制更加簡單，更易于實現大規模生產。

參考文獻：

彭琳,譚琦,劉磊,等.球形粉體制備技術研究進展[J].中國粉體技術.

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