射频热等离子体球化氧化铝粉末的实验研究.docx

射频热等离子体球化氧化铝粉末的实验研究朱海龙，叶高英，程昌明，杨发展，童洪辉(核工业西南物理研究院，四川 成都 610041)摘 要：采用射频热等离子体作为高温热源对氧化铝粉末进行球化处理实验研究。结果表明：当送粉量为 35 g/min 时，球化后的氧化铝粉末表面极光滑，而且颗粒与颗粒之间没有粘连，分散性好，球化率几乎达到了 100%。进一步提高送 粉量，球化率有所降低。采用 X 射线衍射仪分析球化前后氧化铝粉末的相变。结果显示：前驱粉末为弱结晶的 -Al2O3 经射频热等离子体球化后变转为结晶度较好的 -Al2O3 和 -Al2O3。关键词：射频热等离子体；氧化铝；球化；表征中图法分类号：O539; TQ174.6文献标识码：A文章编号：1002-185X(2014)11-2810-04众所周知，氧化铝具有熔点高、硬度大、机械强度好、电绝缘性好、成本低廉的特点，是用途极为广泛的 先进陶瓷材料之一，常作为结构陶瓷应用于航空、冶金、 机械工业等领域，作为功能陶瓷，在陶瓷传感器、生物 陶瓷、固定化酶载体等方面也有很重要的应用1-3。然 而，由于常规氧化铝粉末的流动性差，形状不规则，表 面粗糙、空心率大等缺点对烧结和成型过程极为不利， 从而在高端产品中的应用受到了限制。为此，众多科研 人员致力于制备微米或纳米级的球状氧化铝粉末，从而 提高粉末的使用性能。例如，丁祥金等4采用铝溶胶为 结合剂，喷雾雾化后经热处理获得了 2200 m 的球形 氧化铝粉。此法制得的球形氧化铝粉球形度好，粒度分 布宽，但粉末的纯度低，制备过程复杂，制备条件苛刻。 李东红等5 采用前驱粉末碳酸铝铵热解和摩擦球化相 结合的方法制备了球形高纯氧化铝粉体。研究发现，在 制备过程中颗粒的球形度对反应时间、反应体系 pH 值 极为苛刻，而且焙烧后粉末的流动性重新变差，松装密 度变低。研究表明，诸多球化氧化铝粉末的方法其共同 点是制备条件苛刻，制备过程复杂。射频热等离子体法 球化氧化铝可以有效克服以上缺点，越来越受到科研和 工程技术人员的关注。射频热等离子体技术是近年来发展起来的一门新 技术，由于它具有无电极污染、弧区大、温度相对均匀、 能提供纯净热源、工质不受限制，工艺过程简单等特点， 尤其在高熔点粉末球化方面展现出独特的优势。射频等 离子体球化粉末颗粒的原理是利用射频热等离子体高 温热效应，将送入到热等离子体中的形状不规则的粉末熔融, 形成熔滴。再通过快速冷却, 使熔滴因表面张力而急速收缩形成球形度极佳的球状粉末。这种经过等离 子体球化后的粉末在表面光洁度、流动性、松装密度及 振实密度等方面均有显著提高6。因此，本研究采用粒度为(255) m 的氧化铝作为 前驱颗粒，在 100 kW 射频热等离子体平台探索研究了 射频热等离子体球化氧化铝粉末的工艺过程，对氧化铝 粉末球化先后的表观形貌和相结构进行了分析、表征， 成功制得了性能良好的球形氧化铝粉末。1实验射频热等离子体实验装置由 6 部分组成。第 1 部分为激励等离子体所用的 GP100-DL-TLGP 型电子管 式射频电源；第 2 部分为等离子体炬供气系统，实验 采用氩气作为等离子体炬工作气和粉末携带气，采用 氧气作为保护陶瓷等离子体炬的冷却气，这一方面是 由于氧气价格低廉，同时，氧气的加入可有效提高等 离子体的焓值，更重要的是，氧气的加入使得反应室 内生成有氧环境，抑制杂质气体的产生，这对产生高 品质 氧化 铝是 极为 有利 的。 实验 过程 中采 用 D07-9E/ZM 型质量流量计对各路气体进行精确流量控 制；第 3 部分为送粉系统，送粉装置采用 TEKNA 公 司生产的 PF400 盘式送粉器，送粉量为 0.12.0 kg/h， 可由调速器控制底板转速和振动量来实现目标送粉 量。装置的核心部分为第 4 部分，即射频耦合等离子 体炬，它是由内层石英管、中层陶瓷管和外包套组成。 相应地，有 3 股工作气体被送入到等离子体炬内，即收稿日期：2013-11-15基金项目：国家自然科学基金 (11205050)作者简介：朱海龙，男，1981 年生，博士生，助理研究员，核工业西南物理研究院，四川 成都 610041，电话E-mail:nsdzhl 163.com第 11 期朱海龙等：射频热等离子体球化氧化铝粉末的实验研究2811粉末携带气，反应气和冷却气。首先将等离子体炬内抽成真空，通入氩气使炬内及反应室压力达 35 kPa， 接入高压使氩气击穿，导电的氩气在电磁场的作用下 形成一个与感应线圈同心的涡流层，大电流产生的焦 耳热通过热传导和对流的形式加热被送入到炬内的气 体，从而形成火炬形状的热等离子体。第 5 部分为反 应室和收集装置。反应室壁面通过水冷使反应室温度 降低，从而使颗粒急冷凝聚，粉末可在冷却室直接收 集或在收集器中收集得到。第 6 部分为抽气装置，包 括真空泵和二级水环泵。真空泵的作用是在等离子体 点火过程中，将等离子体炬和反应室内工作中真空状 态，并维持等离子体点火压力。二级水环泵，型号为2S-230，在系统工作过程中可使整个反应室、冷却室 及收集室工作在负压状态，并实现反应室内压力的精 确控制。实验过程及方法如下：在等离子体炬和反应室内建 立真空，真空度不大于 35 kPa；点燃等离子体，并使其 稳定运行；将氧化铝前驱粉末在氩气携带下, 经加料枪 喷入等离子体炬中；送入等离子体炬的氧化铝前驱粉末 在很短的时间吸收大量的热而迅速融化, 并以极快的速 度进入冷却室冷却、凝固, 部分粉末进入气固分离室中 被收集起来；对球化后的氧化铝粉末进行表征；利用场 发射扫描电子显微镜（FE-SEM）S-4800 观察粉末的表 观形貌，利用 XPert Pro MPD 型 X 射线衍射 (XRD) 仪 检测氧化铝粉末球化前后的相变。实验过程中工作参数如表 1 所示。ab图 1 前驱氧化铝粉末 SEM 照片Fig.1 FESEM images of precursor alumina powder和图 1 相对应，图 2 给出了经射频热等离子体球化后的氧化铝粉末的 SEM 照片。从图 2a 可以看到，和前 驱粉末相比，球化后的粉末球形度极高，颗粒大小不一， 球化率几乎达到 100%。从图 2b 可以清晰地看到，球 化后的氧化铝粉末表面极光滑，而且颗粒与颗粒之间没 有粘连，分散性好，这对提高粉末的流动性和填充性是 有好处的。研究发现, 制备球形度高的氧化铝粉末依赖于 2 个非常重要的因素, 第 1 是建立稳定的等离子体。这 要求必须通入合适的反应气和冷却气流量。过大反应 气和冷却气流量直接增加等离子体速度7，从而缩短 了粉末颗粒在等离子体中的停留时间，这对颗粒的熔 化过程是不利的。此外, 特别是加大氧气流量（氧气 是冷却气）会使等离子体变得不稳定,等离子体体积缩 小。过小的反应气流量同样不利于等离子体的稳定运 行，而过小的冷却气流量不能有效冷却保护陶瓷管。 因此，通入等离子体炬中合适的气流量对等离子体球 化氧化铝粉末是非常重要的。表 1 给出了经大量实验 总结出的球化氧化铝粉末的最佳送气流量。第 2，在 研究过程中发现，送粉量对氧化铝的球化过程有非常 重要的影响。较小的送粉量（35 g/min）可使粉末 全部送入到等离子体的高温区，粉末熔化完全，因而 形成的球形粉末球形度也相对较高。然而，较小的送 粉量不利于球形粉末的产出率。增加送粉量可提高球 形粉末的产出率，同时也降低了粉末的球化率。这是2结果与讨论2.1氧化铝粉末球化前后的表观形貌分析图 1a, 1b 分别为放大倍数为 1000 和 20000 倍的前 驱氧化铝粉末的 SEM 照片。从图 1a 可以看出，前驱 氧化铝粉末是粒度为 25 m 左右的形状极不规则粉 末。由图 1b 可看到，前驱氧化铝粉末的表面极不光滑， 呈现鳞状结构。表 1 射频热等离子体炬稳定运行参数表Table 1 Operating parameters table of RF plasma torchParameterValueAnodic voltage/kVAnodic current/A Grid current/AOscillation frequency/MHzPlasma gas flow rate/mLmin-1Sheath gas flow rate/mLmin-1Carry gas flow rate/mLmin-1Chamber pressure/kPaPowder feed rate/gmin-3.034.570535352812稀有金属材料与工程第 43 卷因为增加送粉量使得送入到等离子体中炬中的粉末不能全部到达等离子体高温核心区，部分的粉末颗粒会 沿着温度较低的陶瓷管壁面及附近区域运动，粉末颗 粒表面被熔化甚至部分粉末颗粒未被熔化就飞出等离 子体区域。图 3 给出了送粉量为 100 g/min 的氧化铝 粉末的球化效果图。从图中可以看出，粉末的球化率 约为 50%。实验过程中发现，兼顾氧化铝粉末的球化 率与产出率，送粉量为 3060 g/min 为宜。2.2 氧化铝粉末球化前后的 XRD 分析研究过程中利用 XPert Pro MPD 型 X 射线衍射仪 (XRD)检测了氧化铝粉末球化前后的相变图。图 4 是 前驱粉末的 XRD 图谱。图 5 为球化后的氧化铝粉末 的 XRD 图谱。从图 4 可以看到，3 个最强衍射峰的 2 角分别为 67.03，45.86，37.60，其对应的 d 值分别1.3950，1.9970，2.3900 nm。以上数据与 PDF 卡片中 的 10-0425 数据是一致的。因此，分析认为前驱氧化 铝粉末是结晶度较差，相结构单一的 -Al2O3。从图 5 可以看出，球化后的氧化铝粉末主要有结 晶良好且稳定的 相，除此之外还存在 相，并没有 检测到杂质相以及前驱粉末残留的 相。其中，稳定 的 -Al2O3 所占百分含量 R 可由下式给出：图 3Fig.3送粉量为 100 g/min 时球化后的氧化铝粉末 SEM 照片FESEM image of spheroidized alumina powder when the powder flow rate is 100 g/min25020015010050020304050607080902q/(o)I a -A l 2 O 3(1)R = 10 0% I a -A l 2 O 3 + I q -A l 2 O 3图 4 前驱氧化铝粉末的 XRD 图谱XRD pattern of precursor alumina powder式中, I(hkl)是 -Al2O3 和 -Al2O3 所对应的最高衍射峰的强度值8，由上式计算得到球化后的球形氧化铝中-Al2O3 所占的含量为 47.94%。这说明，球化后的氧Fig.4400350300250200150100500qqaa203040502q/(o)60708090图 5 球化后的氧化铝粉末的 XRD 图谱Fig.5 XRD pattern of spheroidized alumina powderb化铝粉末并不是全部形成稳定的 相，而是 相和 相共存。事实上，形成这种结晶度好，稳定相和亚稳 相共存的球形氧化铝粉末和射频热等离子体具有的高 温及高温度梯度特性是密不可分的。3结论1) 射频热等离子体法是制备球形氧化铝粉末的有效方法。图 2 球化后的氧化铝粉末 SEM 照片Fig.2 FESEM images of spheroidized alumina powderIntensity/cpsIntensity/cpsqqaaaqqaqaqqaaaaqqqqqqqqqqa a(4 4 0)(4 0 0) (3 1 1)第 11 期朱海龙等：射频热等离子体球化氧化铝粉末的实验研究28132) 送粉量决定了氧化铝粉末的球化率和产出率，过大的送粉量致使球化率降低，过小的送粉量会影响 产出率。兼顾氧化铝粉末的球化率与产出率，送粉量 以 3060 g/min 为宜。3) 氧化铝粉末由 相变为 和 相共存。其相变 过程是与等离子体温度和温度梯度密不可分。Rare Metal Materials and Engineering(稀有金属材料与工程)J, 2011, 40(S1): 2414 Ding Xiangjin( 丁祥金 ), Zhang Jizhou( 张继周 ), WangRuoding (王若钉) et al. 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