機械球磨新工藝和新裝備「等離子球磨機」

最近，四川大學高分子材料工程國家重點實驗室增添了一台特殊的粉體設備用於電池材料的研發，叫做等離子球磨機。

這是一種將冷場放電等離子體引入到機械球磨中的特種超細粉末合成設備，不僅極大提高了機械球磨製備材料的效率,而且通過形成獨特的結構顯著提高了材料的性能;此外,還有可以建立新的材料生產製備工藝。

在製備超細粉末、合成化合物、粉末表面改性、複合材料製備、氣固反應和超細片狀粉末合成等方面具有巨大的優勢和應用前景。粉體圈小編聯繫了該項目團隊的魯老師，粗淺了解部分相關信息為大家做個介紹。

圖1等離子球磨機

該技術是由華南理工大學材料學院朱敏教授在研究外加物理能場協同作用提高機械球磨效率等課題時，於2004年首次提出的，結合相關設備的特點和構造，最終選擇將等離子體技術嫁接到了振動球磨機上。並利用該技術先後製備了20多種新型粉體材料，於2016年3月才正式推出了商業化產品（Plasma-BM-L和Plasma-BM-S兩個系列）。

簡單的說，該產品的設計理念是使粉體在球磨過程中不僅受到機械破碎和衝擊作用，同時還受到等離子體的熱衝擊效應和活化效應；據介紹，目前該設備已在單質金屬、氧化物、硬質合金、鋰離子電池材料、片狀塗層材料和儲氫材料等方面有較好的應用。

圖2球磨罐中的等離子體放電結構示意圖

大多數人對於等離子體方面的知識儲備有限，好在本文目的也並非是理論研究的闡述，而是側重於描述該理論與實際應用相結合的特點。首先需要說明的是等離子體，氣體在放電過程中產生大量的正負帶電粒子、電子和中性粒子以及自由基組成的表現出集體行為的一種准中性氣體，其中具有高能、高速、高溫的脈衝電子轟擊到被機械破碎的粉末表面，造成粉末微區的瞬間高溫和表面活性。

靜止態 運動態

圖3球磨罐中的等離子體放電現場照片

球磨罐室內的等離子體放電球磨視頻

該設備具有6大特點：

（1）極大提升了粉磨效率，對特定粉體樣品的製備時間可以有十倍甚至數十倍的縮減，同時，等離子體由純凈氣體電離而產生,故熱源純凈、清潔,對粉末不產生污染；

（2）高能高速高溫的脈衝電子轟擊材料表面，增加粉體表面微區的熱應力、應變，導致材料的「熱爆」現象，有利於製備超細粉體顆粒（低於5微米以下）；

（3）提高化合物合成效率，以WC-Co為例，等離子球磨的W-C-Co混合粉體合成WC的溫度可以降低300℃到500℃，這主要歸因於等離子體中的物質微粒都具有高活性，吸附沉積在粉體表面後引起材料表面高能活化，提高粉末的擴散能力；

（4）由於等離子體的「電離」特徵，有利於等離子球磨在常溫常壓條件下實現氣-固反應，製備出新材料粉體，如氨氣等離子球磨條件下與Ti粉合成氮化鈦；

（5）製備新型複合材料，以石墨基複合材料為例，等離子球磨使得石墨基體更容易被納米化但仍保持較好的層狀結構，並且有利於少量石墨烯的生成，避免了普通球磨導致石墨的非晶化現象，保證了電極材料良好的結構穩定性；

（6）有利於製備超細（1-5微米左右）多層次複合片狀結構的金屬材料，在片狀塗層材料等方面具有良好應用前景。

為了避免打廣告的嫌疑，小編當然也要問及帶有「痛點」的問題，而等離子體對於球磨過程中會發生快速放熱的材料體系確實存在一定瑕疵，主要表現在安全隱患方面，比如鋁粉和氧化錫混合球磨，比如濕磨大量使用酒精等情況，由於氧化還原導致的快速放熱狀況，應力求避免發生。

最後簡單總結的話，等離子體技術結合球磨的運用，決定了該設備擅長的材料領域包括了，單相或者多相的金屬材料、介電常數比較高的氧化物等非金屬材料，粉體圈也會持續跟進了解並報道，包括「等離子球磨機」在內的先進工藝技術以及相關粉體設備，建立粉體和粉體裝備之間的橋樑。

粉體圈 作者：啟東

粉體圈--粉體從業人員的生意和生活圈子

（備註：公司名+加群）

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