热等离子体强化反应及颗粒生长调控的基础问题研究

Extra-field enhanced chemical reaction and materials synthesis have attracted great attention, and thermal plasma has been proven to be a powerful tool for particle spheroidization and chemical synthesis due to its typical features of high temperature and high activity. However, the theoretical understanding of the growth process and mechanism of particle in plasma is limited by the complicated physical and chemical process occurred in plasma field. In this proposal, particle spheroidization and chemical synthesis will be conducted in thermal plasma. By adopting plasma diagnosis and numerical method, the heat transfer and flow of thermal plasma in reactor will be analyzed to investigate plasma characteristics before and after the particles are mixed into plasma. Based on analysis the spatial and temporal evolution of plasma and the particle trajectory in plasma, physical-chemical behavior will be investigated. Combined with the micro-morphology and properties of the prepared particles characterization, the role of active particles will be investigated. It will be clarified that the interaction mechanism of plasma and particle, and reveal the rules of particle growth behavior. It is expected that this project will achieve innovative results, and be of strategic significance for enhancing the national capability of independent innovation in the field of material preparation by thermal plasma.

外场强化的化学反应及材料合成一直是人们关注的重点。基于热等离子体的高温和高化学活性的反应环境，使其在颗粒合成和球形化应用方面展现出的独特优势。但是由于颗粒在等离子体中的物理化学变化过程十分复杂，等离子体与颗粒相互作用机理不清晰，限制了该技术的进一步发展。本项目拟利用热等离子体制备和处理粉末材料，开展颗粒球化和生长调控的研究，通过诊断和数值模拟，研究热等离子体的传热与流动及与颗粒混合后特性参数的变化，分析等离子体特性参数随时间和空间的变化关系以及颗粒在热等离子体中的运动轨迹，研究颗粒在等离子体氛围中的物理及化学行为，并结合颗粒材料的微观结构及性能表征，研究等离子体中活性粒子对化学反应的增强作用，揭示在热等离子体氛围中颗粒的生长行为规律，阐明不同颗粒与热等离子体相互作用机理。预期研究结果将为热等离子体在材料制备的进一步发展和应用提供重要的实验与理论依据。

外场强化的化学反应及材料合成一直是粉体材料领域的关注重点。基于热等离子体射流的高热能输入、纯净及稳流特征，可以有效调控粉体颗粒的微宏观形貌及组织结构，使其在颗粒合成及球形化处理方面具有独特优势，对粉末冶金领域的快速发展具有促进作用。本项目采用热等离子体作为颗粒合成及球形化的高温热源，从理论上建立了热等离子体特性及颗粒在热等离子体中热力学与动力学及强化化学反应物理模型、颗粒生长调控的离散相模型，基于FLUENT开发了一套热等离子体特性计算及其与颗粒相互作用及强化反应的内部流场计算程序，明晰了颗粒在等离子体中的物理行为和传热行为及球化合成过程中相互作用机理与耦合规律；从实验上系统地研究了热等离子体放电模式转变、发展过程及其影响因素和规律，首次发展了粒子跟踪测速技术及DPV2000颗粒诊断技术，特别是活性粒子分布、颗粒在等离子体中的热力学与动力学行为（包括温度、速度、粒径等）及强化反应过程颗粒生长调控等，建立了颗粒球化合成最优参数和样品表征分析方法，较好地诠释了热等离子体粉体球化机理及生长行为，阐明了活性粒子与颗粒之间强化反应的相互作用机理。上述研究成果可为高品质球形粉体及纳米颗粒高效制备奠定理论和实验基础，对增材制造、粉末注射成型等粉末冶金应用领域的发展具有推动作用。