近年來，隨著技術的發展，應用于航空航天、交通運輸、建材等領域的材料越發追求輕量化，因此具有具有穩定空腔結構的陶瓷空心顆粒成為了人們關注的熱點。陶瓷空心顆粒的表面為封閉陶瓷化殼體，內部封閉例如大量空氣的微小顆粒，這種特殊的結構除了賦予它空心結構密度低、質量輕的優點，還兼具了陶瓷材料高強度、耐燒蝕、耐化學腐蝕、熱導率低、隔聲、電絕緣性強等優點，是應用最為廣泛的空心顆粒。

現有的陶瓷空心顆粒制備方法主要包括模板法、溶劑熱法、噴霧干燥法和等離子燒結法等，其中噴霧干燥法無需使用模板劑，利用噴霧裝置使前驅溶液霧化，在表面張力的作用下，液滴自動形成球形霧滴，霧滴表面的溶劑在高溫下迅速蒸發，即可獲得中空球形顆粒，但由于溶劑蒸發所導致溶質的析出或者內部壓力過大，制備出的陶瓷空心顆粒殼層往往很薄或者殼層在微觀上呈多孔的結構，使得力學性能大打折扣，針對這一問題，中國科學院過程工程研究所的袁方利研究員將噴霧造粒與熱等離子體高溫瞬態燒結相結合，實現高強度陶瓷空心顆粒的制備。

以微米氧化鋁為原料的噴霧干燥產品

(a)光學顯微境照片，(b)掃描電鏡照片

熱等離子體具有溫度高，能量密度大，導熱快，冷卻速率快等特點，當一個在微觀上具有不均勻的內部形貌和微孔結構的噴霧干燥顆粒進入熱等離子體火焰中后，表面會被迅速熔化，此時熔融的顆粒因表面張力形成球形液滴，并在球化過程中消除了表面孔隙，抑制內部氣體的外溢，隨著熱量被不斷傳輸到噴霧干燥顆粒的內部，內部的納米粒子也將逐漸被融化/燒結，并且在溫差和表面張力的作用下逐步向外層遷移，使得陶瓷殼體逐漸變厚，從而形成一個具有高強度的陶瓷空心顆粒。

經熱等離子體高溫瞬態燒結后的微米氧化鋁噴霧干燥顆粒

(a)光學顯微鏡照片；(b)(c)掃描電鏡照片；(d)空心顆粒截面照片

這一創新的制備方法充分發揮了熱等離子體的優勢，不僅提高了陶瓷空心顆粒的力學性能，一些易揮發的雜質或能與氣氛發生反應的物質在高溫熱等離子弧和可控氣氛下能夠脫離體系，原材料純度也能因此大大提升，為陶瓷空心顆粒在高端領域的應用提供了更為豐富的可能性。

作為熱等離子體技術制備粉體材料的資深專家，2023年12月13-15日，在江蘇連云港市舉辦的“中國電子材料行業協會粉體技術分會2023年年會”上，袁方利教授將在現場分享報告《高頻熱等離子體制備空心顆粒研究》，重點介紹利用噴霧造粒與等離子體高溫瞬態燒結相結合制備氧化物空心顆粒原理及研究進展，包括氧化硅、氧化鋁、氧化鋯及復合氧化物空心顆粒。同時，介紹了調控空心顆粒壁厚和強度的基本思路。最后，給出了空心顆粒的未來發展展望。

報告人簡介

袁方利，研究員，博士生導師。主要開展特種粉體材料制備與應用研究，重點圍繞熱等離子體制備特種功能粉體進行設備研制、粉體材料研發和應用研究。熱等離子體技術制備納米粉體材料設備研制獲得863計劃的支持，研發了高頻熱等離子體制備粉體裝置，實現了納米球形氧化鋁、氧化硅和球形難熔金屬粉及納米金屬粉體等的宏量制備;開展了硼化物和碳化物等超高溫陶瓷粉體研制，實現了超高溫陶瓷粉體的批量化制備。發表SCI論文100多篇，獲授權發明專利6項。2010年獲北京市科學技術獎二等獎，2011年獲中國石油和化學工業科學技術獎三等獎，2016獲中國顆粒學會-贏創顆粒學創新獎。中國力學學會等離子體專業委員會委員。

參考來源：

陸晨.熱等離子體制備高強度陶瓷空心微球的研究[D].中國科學院研究生院(過程工程研究所).

粉體技術分會年會會務組

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