随着工业和科技的快速发展，材料科学领域对粉体材料的质量要求日益提高。球形粉体因其高比表面积、高振实密度、良好的流动性等，在许多高端产业中得到了广泛应用。如球形硅微粉广泛用作超大规模集成电路的封装材料和电子信息领域、球形钛粉在先进粉末冶金、激光增材制造、热喷涂等领域具有十分广阔的应用前景。传统的粉体球形化方法有机械整形法等传统物理法以及沉淀法、水热法、溶胶凝胶法等化学法，

（来源：云尚制造）

不过传统物理法制备的球形粉体虽具有工业化潜力，但生产后的颗粒指标难以保证，仅适用于对产品质量要求较低的情况。而化学法往往对化学药剂的需求较大，且存在有机杂质清除困难、易出现团聚现象等问题，很难实现工业化生产。因此作为目前最有希望实现大规模工业生产高性能球形粉体材料的新型制备技术，高温熔融法成为了产业界关注的热点。

高温熔融法的优势

高温熔融法的基本原理是将原料粉末加热至熔融状态，然后通过特定的冷却方式使其迅速凝固成球形颗粒。这种主要依赖于高温热源的整形方式相比传统物理法和化学法，具有如下优势：

（1）适用范围广：广泛适用于具有高熔点的粉体材料，如石英粉、氧化铝粉体以及大多数金属粉体材料（钨粉、铬粉、钼粉、铁粉、钛粉及其合金等）。

（2）粉体性能优异：在高温熔融过程中，原料能够充分混合，且可以通过调节熔融液滴的大小和冷却速度，因此可以精确控制最终球形粉体的粒径分布和形貌，并确保了球形粉体内部分布均匀，其振实密度、球化率和流动性都能够得到显著提升。同时，由于采用的大多为清洁热源，避免了二次污染粉体。

（3）连续化生产：高温熔融法法能够快速将原料转化为球形颗粒且原理简单，所采用的设备一般都基于自动化流程设计，可实现从原料进料到成品收集的全程连续生产，大大提高了生产效率和产品质量，满足了大规模工业化生产的需求。

（4）环境友好：与传统的球化方法相比，高温法生产过程更加环保，产生的有害物质较少，对环境的损害较小。

如何利用高温熔融法制备球形颗粒？

高温熔融法的能量主要来源于等离子体和高温火焰，根据熔融方式和分散收集方法的不同，可归纳为等离子体球化法、雾化法和气体燃烧火焰成球法这3类方法。

1、等离子体球化法

等离子体(又称电浆)是在固态、液态和气态以外的第四大物质状态，是由带电粒子（主要是正离子和自由电子）组成的被高度电离的气体，具有高温、高焓、高化学反应活性、反应气氛和反应温度可控等特点，因此非常适合用于制备纯度高、粒度小的球形粉体，尤其适用于高熔点金属球形粉体的制备。根据等离子体的产生方式，等离子体球化技术可分为直流电弧热等离子体球化法和射频感应等离子体球化法。

直流电弧热等离子体是通过位于阴极尖端和阳极之间的电弧放电产生高温，使反应室中的气体变为等离子体态的，工艺设备简单，电弧区的热力学温度可以达到10⁴K，合成速度快，成本低，可通过改变实验进料速度、气氛条件、输入功率、气流流速等实验参数对最终生成的颗粒的尺寸和形貌进行控制，同时能合成的纳米颗粒种类多，是金属、金属氧化物、精密陶瓷纳米颗粒合成中应用最广的一种方法。

直流电弧热等离子体球化装置

而射频感应等离子体球化法则是利用射频（1~500MHz）磁场激励产生电感耦合等离子体，其最大的特点在于无电极污染，可制备出纯度极高的球形粉体，目前该技术已经广泛应用于难熔金属和陶瓷材料的球形粉体制备，如钨粉、铬粉、钛粉及其合金、高纯石英和氧化铝等。

射频感应等离子体球化装置

2、雾化法

雾化法是在粉体原料熔融后，通过特定的方式（如高压气体雾化、离心雾化、超声雾化等）对熔融态液体进行雾化处理，形成尺寸小于150μm的颗粒，随后对液滴进行快速冷却固化，从而获得球形粉体的工艺过程，主要应用于生产低熔点的金属和合金球形粉体的制备，但无法适用于高熔点陶瓷、合金粉体等的制备，产品具有粒度小、球形度高的优势。通常雾化法根据能量来源不同，分为气雾化法、离心雾化法和超声雾化法等

（1）气雾化法

气雾化法是将粉体原料加热至熔体后，利用高速气流冲击熔融液流，气体的高速冲击会将熔融液流的动能瞬间转化为表面能，从而引发液流剧烈破碎，形成大量微小的液滴。这些液滴在与周围环境接触后迅速冷却凝固，最终形成粒径均匀的球形粉体。通常气雾化法使用氩气雾化作为雾化气流，能够用于活泼金属(如钛合金)或纯度要求高的合金(如医用CoCrMo合金、镍基高温合金等)粉体制备。

　真空熔炼惰性气体雾化法球化装置

（2）离心雾化法

离心雾化法是利用离心力将熔融金属液膜甩成液滴，同时受到保护气体的强制对流冷却，快速凝固成粉体的雾化工艺。目前广泛采用等离子旋转电极雾化法来制备，具体操作是将阳极金属棒放置于高速旋转的旋转轴上，在等离子热弧的作用下熔化，熔融金属液滴在离心力的作用下沿切线方向上发散成细小液滴，最终凝固球化成粉，整个过程在真空或者惰性气体保护气氛下进行。与气雾化法相比，该技术不需要适用告诉气流，因此不会产生空心颗粒和卫星颗粒，但受限于电极参数等工艺条件的影响，粉体粒度普遍偏大，大部分粉体粒径在45μm以上。

等离子旋转电极雾化法球形化装置

（3）超声雾化法

超声雾化技术利用超声波振动能分散熔融的液态金属，在气相中形成细小的金属液滴，之后再冷却凝固得到球形金属粉体。超声雾化技术得到的粉体具有球形度高、粒径分布窄等优势，同时也不需使用大量惰性气体对液流进行破碎雾化，所得粉体具有较少的空心颗粒及卫星球，但作为一种新型球化技术，理论发展尚不成熟，还需进一步探索。

3D Lab公司 ATO 系列超声波金属雾化器原理

3、气体燃烧火焰成球法

气体燃烧火焰成球法是以乙炔气、氢气、天然气等工业燃料气体作为产生洁净无污染火焰的热源，通过高温火焰喷枪喷出1600~2000℃的高温火焰，将预处理后合格的粉体通过送粉器送入球化炉中，原料粉体在氧气-燃料气体射流燃烧产生的高温下熔融，并受气流驱动运动，而后冷却成球，最终形成高纯度球形粉体。

相比其他方法，该工艺相对简单，不涉及电磁学理论及离子在电磁场中流动和运动问题，生产控制更加简单，更易于实现大规模生产，目前多用于球形硅微粉体以及球形氧化铝粉体的制备。

气体燃烧火焰成球法示意图

小结

粉体球形化技术可以改善粉体的表面特性和物理性能，在制药、食品、化工、环保、材料、冶金、3D打印等诸多领域都有所应用。相比传统物理法和化学法，等离子体球化法、雾化法、火焰法等高温熔融技术是目前最有希望实现大规模工业生产高性能球形粉体材料的制备技术。其中等离子体球化法可产生极高的温度，适用于高熔点金属球形粉体的制备，雾化法可将熔融原料分散成极小的液滴，因此能够制备出粒径小、纯度高的低熔点金属、合金粉体，而高温火焰法则工艺相对简单，生产控制更加简单，更易于实现大规模生产。

参考文献：

彭琳,谭琦,刘磊,等.球形粉体制备技术研究进展[J].中国粉体技术.

粉体圈整理