粉體球形化的“十八般武藝”

粉體球形化技術(shù)作為現(xiàn)代工業(yè)和科技領(lǐng)域不可或缺的一部分，可以改善粉體的表面特性和物理性能，優(yōu)化材料性能，滿足多功能化要求。目前，粉體球形化技術(shù)已滲透到制藥、食品、化工、環(huán)保、材料、冶金、3D打印等諸多領(lǐng)域。

球形粉體制備技術(shù)涉及多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，包括化學(xué)、材料科學(xué)、工程學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。下面，我們一起來(lái)了解粉體球形化都有哪些技術(shù)。

機(jī)械整形法

機(jī)械整形法主要是通過(guò)機(jī)械作用產(chǎn)生的碰撞、摩擦和剪切等一系列作用力對(duì)顆粒進(jìn)行塑性變形以及顆粒吸附，持續(xù)加工后，顆粒變得更加密實(shí)，顆粒上尖銳的棱角在沖擊力的作用下受到不斷研磨逐漸變得光滑圓整。機(jī)械整形法通過(guò)高速?zèng)_擊式磨機(jī)、介質(zhì)攪拌磨等粉碎設(shè)備制備相應(yīng)的微細(xì)粉體材料，再結(jié)合干法和濕法研磨，制備出粒度較細(xì)、粒度分布較窄、具有一定球化率的粉體材料。

機(jī)械整形法在天然石墨、人造石墨和水泥顆粒等球化整形處理領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，也適合脆性金屬或合金粉體的破碎制粉。機(jī)械整形法的原料來(lái)源廣泛且低廉，可以充分利用現(xiàn)有資源，具有工藝簡(jiǎn)單、環(huán)保和可工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)勢(shì)，但該方法對(duì)物料的選擇性不強(qiáng)，且加工之后的顆粒粉體球形率、振實(shí)密度、加工產(chǎn)率等指標(biāo)不能得到很好的保證，僅適用于較低質(zhì)量要求的球形粉體制備。

噴霧干燥法

噴霧干燥法是將液態(tài)物質(zhì)霧化為液滴，隨后在熱氣流中水分迅速蒸發(fā)，從而凝固為固態(tài)顆粒，噴霧干燥法的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)物性能易于控制，該方法主要應(yīng)用于軍工炸藥與電池領(lǐng)域。

噴霧干燥原理圖

氣相化學(xué)反應(yīng)法

氣相化學(xué)反應(yīng)法是利用氣態(tài)原料（或?qū)⒐腆w原料蒸發(fā)為氣態(tài)），通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成所需要的化合物，再經(jīng)過(guò)快速冷凝，制得各類(lèi)物質(zhì)的超細(xì)球形粉體材料。此法制備球形粉體材料的反應(yīng)溫度范圍較寬，適用于高溫、低溫和常溫下的制備；且生成的產(chǎn)品通常具有良好的晶體結(jié)構(gòu)和均勻的微觀結(jié)構(gòu)，可以制備出超細(xì)（納米級(jí)別）的球形粉體。

水熱法

水熱法是利用反應(yīng)釜，在高溫高壓條件下，將水或有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)水熱溫度、水熱時(shí)間、pH、溶液濃度等參數(shù)有效控制顆粒尺寸。其優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)于各種反應(yīng)體系，可控制微粉的粒徑、形態(tài)、結(jié)晶度。水熱法的缺點(diǎn)是反應(yīng)條件苛刻，必須是高溫高壓，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的依賴性較強(qiáng)，多用于制備氧化物。

國(guó)瓷水熱鈦酸鋇粉

沉淀法

沉淀法是在溶液中通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使金屬離子與特定的沉淀劑相結(jié)合，生成微小的、半固態(tài)的膠體顆粒，并形成穩(wěn)定的懸浮體系。隨后，通過(guò)進(jìn)一步調(diào)節(jié)沉淀反應(yīng)條件，如靜置陳化、緩慢攪拌或者改變?nèi)芤涵h(huán)境，促使這些膠體顆粒逐漸凝聚長(zhǎng)大并趨于球形化，從而形成初級(jí)的球形沉淀物，再將形成的沉淀物進(jìn)行干燥或煅燒，最終得到球形粉體材料。沉淀法可以在液相中控制晶體的生長(zhǎng)速度，從而控制粉體的粒徑和形狀，適用于金屬氧化物等多種材料的制備。沉淀法需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，包括溫度、壓力、pH等因素。

溶膠凝膠法

溶膠凝膠法通常包括溶膠制備、凝膠形成和球形粉體形成3個(gè)階段，可進(jìn)一步通過(guò)熱處理改善球形粉體的結(jié)構(gòu)和性能，實(shí)現(xiàn)對(duì)球形粉體的粒徑和形貌的精確控制。該方法制備得到的粉體純度高，單分散好，是目前實(shí)驗(yàn)室制備超細(xì)粉體最常用的方法。溶膠凝膠法不太適用于大規(guī)模量產(chǎn)，因此在工業(yè)上還未得到廣泛應(yīng)用。

微乳液法

微乳液法是一種液-液兩相系的制備方法。該方法將溶解了前驅(qū)物的有機(jī)溶劑加入到水相中，形成一種含有微小液滴的乳液，通過(guò)成核、聚結(jié)、團(tuán)聚、熱處理后形成球形顆粒。微乳液法在制備納米顆粒和有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合材料等方面應(yīng)用廣泛。

等離子體球化法

隨著高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展和對(duì)納米新材料、制備新工藝的迫切需求，等離子態(tài)化學(xué)的研究和運(yùn)用越來(lái)越受到重視。等離子體球化法具有高溫、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)，非常適合制備純度高、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。等離子體球化法通過(guò)不同的工作氣體對(duì)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物進(jìn)行循環(huán)利用，其過(guò)程分為等離子體生成階段、化學(xué)反應(yīng)階段和驟冷反應(yīng)階段。根據(jù)等離子體的產(chǎn)生方式，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。

泰克納系統(tǒng)

加拿大的泰克納公司開(kāi)發(fā)的等離子體粉體處理系統(tǒng)在世界范圍內(nèi)處于領(lǐng)先地位，已實(shí)現(xiàn)鎢、鉬、鎳、銅等金屬粉體和二氧化硅、氧化鋁等氧化物陶瓷粉體的球化處理。

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?chē)h(huán)境接觸后迅速冷卻凝固，最終形成粒徑均勻的球形粉體。

氣霧化法最開(kāi)始使用的氣體包括空氣、蒸氣等，隨著氣霧化法的進(jìn)一步發(fā)展，惰性氣體霧化法的出現(xiàn)解決了活潑金屬球形粉體制備的難題，惰性氣體霧化法制得的粉體雜質(zhì)含量低，表面光滑，流動(dòng)性好且球化率高。目前普遍采用的氣霧化法包括電極感應(yīng)熔化氣體霧化法和真空熔煉惰性氣體霧化法。

威拉里真空熔煉惰性氣體保護(hù)霧化系統(tǒng)（VIGA）

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。離心霧化法包括旋轉(zhuǎn)圓盤(pán)霧化法和等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法。其中，等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法在離心霧化法中應(yīng)用最為廣泛。

等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化法的基本原理是將陽(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。

賽隆桌面級(jí)等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉設(shè)備

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)。與惰性氣體霧化技術(shù)相比，超聲霧化技術(shù)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，但受到理論發(fā)展不成熟的制約，多用于低熔點(diǎn)金屬或合金粉體的制備。

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，采用氧氣-燃料氣體射流對(duì)粉體進(jìn)行加熱驅(qū)動(dòng)和高溫熔融、而后冷卻成球，最終形成高純度球形粉體。此方法多用于球形硅微粉以及球形氧化鋁粉體的制備。

球形硅微粉

爆燃法

爆燃法全稱(chēng)汽化金屬燃燒法，簡(jiǎn)稱(chēng)VMC法，最初是由日本雅都瑪開(kāi)發(fā)，它是利用金屬粉末的爆燃產(chǎn)生球形氧化物微粒。即通過(guò)金屬硅粉直接與氧氣反應(yīng)，從而制備純度較高、粒度小、粒徑分布相對(duì)可控的二氧化硅微球。

切絲打孔重熔法

其具體工藝流程為首先將焊料合金進(jìn)行拔絲、剪切等機(jī)械加工方式產(chǎn)生均勻的微量質(zhì)元，然后把加工好的微量質(zhì)元放入具有一定溫度梯度的成型設(shè)備，經(jīng)過(guò)重熔和凝固過(guò)程，使微量質(zhì)元形成標(biāo)準(zhǔn)球體。該方法工藝可控好，成本低。但工序繁多，導(dǎo)致其生產(chǎn)效率低。另外，該技術(shù)對(duì)設(shè)備精度要求很高，在拉絲過(guò)程中特別容易造成原料絲粗細(xì)不均勻，此外，該方法只能滿足低溫且塑性較好材料的制備，這也限制了其應(yīng)用范圍。

脈沖微孔噴射法

脈沖微孔噴射法是一種用于制備單分散微米級(jí)球形粒子的微滴制造技術(shù)，屬于壓電驅(qū)動(dòng)式按需噴射，目前已經(jīng)以熔融金屬或合金、懸濁液等為原料制備出了單分散微滴。該技術(shù)由日本東北大學(xué)首創(chuàng)，最初應(yīng)用于BGA封裝球的制備。

其主要工作原理為：首先將金屬原料在不銹鋼坩堝中熔化，熔體順著補(bǔ)給通道流入并將整個(gè)噴射部充滿，接下來(lái)對(duì)坩堝內(nèi)通入一定惰性氣體，使之與腔體之間形成一正向壓力差，然后編輯脈沖信號(hào)，壓電陶瓷在脈沖信號(hào)的作用下振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)壓片發(fā)生塑性變形使壓片對(duì)噴射部中熔體施加擠壓力，從而使微量熔體從坩堝底部的微孔擠出，從而形成微滴，由于每次振動(dòng)的大小都一樣，擠出的微量熔體體積也基本相同，這就使得到的球形粉末大小也相同。

參考來(lái)源：

[1]彭琳等：球形粉體制備技術(shù)研究進(jìn)展，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院

[2]白兆豐：?jiǎn)畏稚⒁旱沃鸬戊F化制備球形粉末工藝研究，大連理工大學(xué)