射频热等离子体可控制备微米级空心球粉及其致空机制研究

Micron-sized hollow spherical powder with excellent performance, has great application potential in aerospace, nuclear fusion, weapons equipment, industrial production and other fields. RF thermal plasma has a unique advantage on preparation of micron-sized hollow spherical powder.. In this proposal, preparation of micron sized spherical hollow alumina powder will be conducted by RF thermal plasma treatment of alumina powder. The physical condition and the optimal experimental parameters for forming spherical and hollow alumina powder particles will be investigated in thermal plasma environment. The influence of key parameters such as plasma temperature and gas pressure on the formation rate of hollow spherical powder will be studied. A model will be established to study the heating, melting, forming porosity and cooling behavior.of alumina powder particles in the RF thermal plasma, the formation process of the liquid droplet capture gas, and solidified into solid spherical after the plasma will be detailed analyzed. Combined with the micro-morphology and properties of the prepared particles characterization, formation mechanism of alumina hollow spherical powder will be clarified. It is expected that the results will lay the foundation for the preparation of ceramic powders with spherical and hollow two structure, and push thermal plasma technique to develop constantly and forward.

性能优异的微米级空心球粉在航空航天、核聚变、武器装备、工业生产等领域有非常重要的应用价值。射频热等离子体作为高温、高焓、洁净的热源在制备此类材料方面具有独特优势。. 本项目拟利用射频热等离子体处理氧化铝粉末材料，制备微米级球形的空心氧化铝粉末，开展氧化铝粉末颗粒形成球形、空心的物理条件和最优实验参数研究。实验研究等离子体温度、气压等关键参数对空心球粉生成率的影响规律，建立模型研究氧化铝粉末颗粒在射频热等离子体的加热、熔融、形成气孔和冷却行为，分析液滴捕获气体形成中空结构，飞出等离子体后固化成球形颗粒的形成过程，结合所制空心球粉的微观结构及性能表征，阐明热等离子体环境下，氧化铝粉末球化和致空机理。预期研究结果将为热等离子体制备兼具球形和空心两种特性的陶瓷粉末奠定基础，推动热等离子体法制备空心球粉技术向前发展。

本项目从数值计算和实验研究两方面研究了射频热等离子体制备微米级球形粉末和空心粉末，分析了空心粉末的形成条件和形成机制。本项目在实验上成功制备出球形度好，表面光洁度好及球化率高的各种微米级球形粉末，主要包括不锈钢粉末、钽粉以及三元合金粉末W-Ni-Fe粉；获得了对应的制备最优参数和物理条件；从数值模拟方面，编制了更符合实际情况的三维射频热等离子体的计算程序，编制了颗粒与等离子体相互过程的离散相模型的计算程序，获得了等离子体的物理场特征，拓展研究了等离子体不稳定问题，阐明了颗粒在等离子体中的加热，熔融，凝固等物理过程，给出了颗粒空心化的物理机制。研究结果显示，空心球形粉末主要分布在20-50 μm的范围内，这与此尺寸下的粉末颗粒完全可以在等离子体中熔融有关。中空结构的形成是由两种竞争力的作用引起的，即气体空隙中的气体压力和熔融液滴的表面张力，如果气体压力高于表面张力，则释放气体以形成空心球粉。数值计算结果与实验表征结果具有一致性。此外，钽粉和三元合金粉W-Ni-Fe的球化过程具有相似的过程，球化后粉末具有较为理想的球形度和表面光洁度，其霍尔流动性和表观密度都有极大提升。研究结果可为等离子体法制备高性能、高品质的微米级球形粉末提供技术支撑，所制备的球形粉末在国防和常规工业领域有重要的应用价值。