介質阻擋放電等離子體輔助高能球磨的研究.pdf

1、高能球磨是指利用機械能的作用，在固態(tài)下對粉體進行細化加工，并實現(xiàn)原子擴散、固態(tài)反應或相變等過程，從而制備超細粉體、合金或化合物的一種材料制備方法。但是傳統(tǒng)的高能球磨工藝往往需要較長的時間，由此帶來的粉體污染不容忽視，并且高能球磨制粉量少，通常都局限于實驗室使用，因此嚴重制約了該技術在工業(yè)中的應用及發(fā)展。 把其它物理能場，如超聲波、磁場、電場或溫度場引入到高能球磨過程中，使球磨的機械能與外加物理場的能量有機結合起來，共同作用到被處

2、理的粉末上，從而實現(xiàn)多外場對粉末的協(xié)同作用，高效激活反應過程，被證明是加速粉末組織細化、促進合金化和固態(tài)反應進程，提高球磨效率的一個可行途徑。 等離子體是一種特殊的物質與能量形態(tài)，其內蓄的高能狀態(tài)及帶來的諸多獨特效應，使之在材料加工領域得到廣泛應用。其中介質阻擋放電等離子體(dielectricbarrierdischargeplasma，簡稱為DBDP)作為一種非平衡等離子體，具有電子濃度大、電子平均能量高的優(yōu)點，更為重要的是

3、介質阻擋放電能夠在常壓氣氛中發(fā)生，并且能夠抑制火花放電或弧光放電的發(fā)生，因此采用DBDP輔助高能球磨成為一種可能。 以此為理論基礎，本文設計并制作了一臺氣氛可控的DBDP輔助球磨的高能振動球磨機，裝置中DBDP發(fā)生器采用同軸式結構，以聚四氟乙烯為DBDP介質層材料，電源額定電壓在1-30kV之間、頻率在1-20kHz之間同步可調。當放電氣隙一定時，隨著電壓升高，放電頻率同步增加，DBD在介質層均勻鋪開，從絲狀放電過渡到準輝光放電

4、。當球磨氣氛為0.1MPa氬氣時，額定放電電壓≥22kV(頻率≥13kHz)，球磨罐內能保持準輝光放電狀態(tài)。通過發(fā)射光譜診斷，氬氣的DBDP發(fā)射光譜由氬原子多個能級之間躍遷的譜線構成，氬原子的譜線在700-900nm之間。 本研究利用DBDP輔助球磨裝置分別對介電常數(shù)不同的陶瓷粉末(TiO2、ZnO)與熱學性能不同的純金屬粉末(Al、Fe、W)進行了粉體細化的測試。利用該裝置對W-C混合粉末進行了活化并合成納米WC的研究。為了進

5、行對比，本研究也采用普通球磨方式對這些粉體進行球磨實驗。我們運用掃描電鏡、X射線衍射、BET比表面積、透射電鏡及熱重分析等實驗方法研究了不同球磨方法制備的粉體，結果發(fā)現(xiàn)DBDP輔助球磨的細化效率和激活效率遠遠高于傳統(tǒng)的普通球磨，這主要是因為DBDP在球磨過程中兩個顯著的協(xié)同效應，即等離子體熱效應和高能電子沖擊效應。 在利用DBDP輔助球磨介電材料時，較低的外加放電電壓(22kV)DBDP輔助球磨更有利于高介電常數(shù)材料(例如TiO

6、2)粉體細化；但對于低介電常數(shù)材料(例如ZnO)，則是較高的外加放電電壓(25kV)DBDP輔助球磨更有利于粉體細化。這是因為高介電常數(shù)材料的荷電能力更強，對等離子體的溫度效應更為敏感，當激勵電壓較高時，高介電常數(shù)粉體荷電蓄能更多，導致粉體過熱甚至熔化，反而不利于細化進程；而低介電常數(shù)材料對等離子體的沖擊效應更為敏感，當激勵電壓較高時，高能電子更大的沖擊作用為主，因此能更有效地協(xié)助粉體細化。輔助球磨7h后，22kVDBDP輔助球磨的Ti

7、O2粉末SBET達到50.4914m2/g，dBET為28nm，平均晶粒尺寸為15nm；25kVDBDP輔助球磨的ZnO粉末SBET達到27.9399m2/g，dBET為38nm，平均晶粒尺寸為12nm； 在普通球磨細化純金屬時，金屬的晶體結構是影響細化難易的重要因素之一。相對而言，面心立方金屬由于塑性較好，球磨細化比體心立方金屬更難。但是用DBDP輔助球磨進行純金屬(Al、Fe、W)粉體的細化時，我們發(fā)現(xiàn)金屬材料的熱學性能是另

8、一個重要影響因素。采用24kVDBDP輔助球磨15h，得到平均粒徑為128.7nm的鋁粉；輔助球磨10h，得到平均粒徑103.9nm的鐵粉；輔助球磨3h，得到平均粒徑101.9nm的鎢粉。這種高效率歸因于輔助球磨時的DBDP對金屬粉體產生的“熱爆”效應，而影響DBDP“熱爆”效應的是金屬材料的熱學性能。金屬的熔點和沸點越高，導熱系數(shù)、比熱、熔解熱、氣化熱越大，越難誘發(fā)“熱爆”，這也將直接影響DBDP輔助球磨金屬粉末中10nm以下粉體的含

9、量，因為粒徑10nm以下的粉體主要是通過“熱爆”飛濺冷卻形成。如鎢的熔點極高，DBDP產生“熱爆”效應得到的10nm以下鎢納米粒子含量只有10.5﹪。鋁雖然導熱系數(shù)比鐵大，但由于其熔點太低，DBDP產生“熱爆”效應得到的10nm以下鋁納米粒子含量為27.3﹪，略微大于鐵粉中10nm以下納米粒子含量(25.2﹪)。 DBDP輔助球磨比普通球磨更高效地激活反應粉體，促進機械力化學反應，如DBDP輔助球磨W-C混合粉末僅僅3h，就能有

10、效活化粉體，在后續(xù)1100℃保溫1h的處理中，W粉全部碳化合成顆粒尺寸在100nm左右，平均晶粒尺寸在50nm左右的納米WC粉體，碳化溫度比常規(guī)WC制備所需的碳化溫度下降了約500℃。DBDP輔助球磨的活化機制，一方面是DBDP的等離子體效應和沖擊效應使得粉體自身內能增加，而更主要是由于球磨過程中的DBDP效應，使得反應粉體之間形成了納米量級的精細復合結構。這種精細的復合結構一方面能夠大大降低隨后反應所需的溫度，另一方面能夠促使反應進行