介質(zhì)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(jī)械能的作用，在固態(tài)下對(duì)粉體進(jìn)行細(xì)化加工，并實(shí)現(xiàn)原子擴(kuò)散、固態(tài)反應(yīng)或相變等過(guò)程，從而制備超細(xì)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(zhǎng)的時(shí)間，由此帶來(lái)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(shí)驗(yàn)室使用，因此嚴(yán)重制約了該技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用及發(fā)展。 把其它物理能場(chǎng)，如超聲波、磁場(chǎng)、電場(chǎng)或溫度場(chǎng)引入到高能球磨過(guò)程中，使球磨的機(jī)械能與外加物理場(chǎng)的能量有機(jī)結(jié)合起來(lái)，共同作用到被處

2、理的粉末上，從而實(shí)現(xiàn)多外場(chǎng)對(duì)粉末的協(xié)同作用，高效激活反應(yīng)過(guò)程，被證明是加速粉末組織細(xì)化、促進(jìn)合金化和固態(tài)反應(yīng)進(jìn)程，提高球磨效率的一個(gè)可行途徑。 等離子體是一種特殊的物質(zhì)與能量形態(tài)，其內(nèi)蓄的高能狀態(tài)及帶來(lái)的諸多獨(dú)特效應(yīng)，使之在材料加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其中介質(zhì)阻擋放電等離子體(dielectricbarrierdischargeplasma，簡(jiǎn)稱(chēng)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(diǎn)，更為重要的是

3、介質(zhì)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(chǔ)，本文設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)氣氛可控的DBDP輔助球磨的高能振動(dòng)球磨機(jī)，裝置中DBDP發(fā)生器采用同軸式結(jié)構(gòu)，以聚四氟乙烯為DBDP介質(zhì)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(diào)。當(dāng)放電氣隙一定時(shí)，隨著電壓升高，放電頻率同步增加，DBD在介質(zhì)層均勻鋪開(kāi)，從絲狀放電過(guò)渡到準(zhǔn)輝光放電

4、。當(dāng)球磨氣氛為0.1MPa氬氣時(shí)，額定放電電壓≥22kV(頻率≥13kHz)，球磨罐內(nèi)能保持準(zhǔn)輝光放電狀態(tài)。通過(guò)發(fā)射光譜診斷，氬氣的DBDP發(fā)射光譜由氬原子多個(gè)能級(jí)之間躍遷的譜線(xiàn)構(gòu)成，氬原子的譜線(xiàn)在700-900nm之間。 本研究利用DBDP輔助球磨裝置分別對(duì)介電常數(shù)不同的陶瓷粉末(TiO2、ZnO)與熱學(xué)性能不同的純金屬粉末(Al、Fe、W)進(jìn)行了粉體細(xì)化的測(cè)試。利用該裝置對(duì)W-C混合粉末進(jìn)行了活化并合成納米WC的研究。為了進(jìn)

5、行對(duì)比，本研究也采用普通球磨方式對(duì)這些粉體進(jìn)行球磨實(shí)驗(yàn)。我們運(yùn)用掃描電鏡、X射線(xiàn)衍射、BET比表面積、透射電鏡及熱重分析等實(shí)驗(yàn)方法研究了不同球磨方法制備的粉體，結(jié)果發(fā)現(xiàn)DBDP輔助球磨的細(xì)化效率和激活效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的普通球磨，這主要是因?yàn)镈BDP在球磨過(guò)程中兩個(gè)顯著的協(xié)同效應(yīng)，即等離子體熱效應(yīng)和高能電子沖擊效應(yīng)。 在利用DBDP輔助球磨介電材料時(shí)，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(xì)化；但對(duì)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(xì)化。這是因?yàn)楦呓殡姵?shù)材料的荷電能力更強(qiáng)，對(duì)等離子體的溫度效應(yīng)更為敏感，當(dāng)激勵(lì)電壓較高時(shí)，高介電常數(shù)粉體荷電蓄能更多，導(dǎo)致粉體過(guò)熱甚至熔化，反而不利于細(xì)化進(jìn)程；而低介電常數(shù)材料對(duì)等離子體的沖擊效應(yīng)更為敏感，當(dāng)激勵(lì)電壓較高時(shí)，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(xì)化。輔助球磨7h后，22kVDBDP輔助球磨的Ti

7、O2粉末SBET達(dá)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(dá)到27.9399m2/g，dBET為38nm，平均晶粒尺寸為12nm； 在普通球磨細(xì)化純金屬時(shí)，金屬的晶體結(jié)構(gòu)是影響細(xì)化難易的重要因素之一。相對(duì)而言，面心立方金屬由于塑性較好，球磨細(xì)化比體心立方金屬更難。但是用DBDP輔助球磨進(jìn)行純金屬(Al、Fe、W)粉體的細(xì)化時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)金屬材料的熱學(xué)性能是另

8、一個(gè)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(shí)的DBDP對(duì)金屬粉體產(chǎn)生的“熱爆”效應(yīng)，而影響DBDP“熱爆”效應(yīng)的是金屬材料的熱學(xué)性能。金屬的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)越高，導(dǎo)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?yàn)榱?0nm以下的粉體主要是通過(guò)“熱爆”飛濺冷卻形成。如鎢的熔點(diǎn)極高，DBDP產(chǎn)生“熱爆”效應(yīng)得到的10nm以下鎢納米粒子含量只有10.5﹪。鋁雖然導(dǎo)熱系數(shù)比鐵大，但由于其熔點(diǎn)太低，DBDP產(chǎn)生“熱爆”效應(yīng)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(yīng)粉體，促進(jìn)機(jī)械力化學(xué)反應(yīng)，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(jī)制，一方面是DBDP的等離子體效應(yīng)和沖擊效應(yīng)使得粉體自身內(nèi)能增加，而更主要是由于球磨過(guò)程中的DBDP效應(yīng)，使得反應(yīng)粉體之間形成了納米量級(jí)的精細(xì)復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種精細(xì)的復(fù)合結(jié)構(gòu)一方面能夠大大降低隨后反應(yīng)所需的溫度，另一方面能夠促使反應(yīng)進(jìn)行