等離子球磨機

PBMS型等離子球磨機（單筒結(jié)構(gòu)）

等離子球磨機是將冷場放電等離子體引入到機械振動球磨中，利用近常壓下氣體在球磨罐中形成的高能量的非平衡等離子體和機械球磨的協(xié)同作用。

在密封球磨罐體系內(nèi)形成非熱等離子體作用下，物質(zhì)分子容易轉(zhuǎn)化成原子態(tài)和激發(fā)態(tài)進行重新結(jié)合，促進粉末的組織細化、合金化、活性激活、化合反應(yīng)及加速原位氣-固相反應(yīng)等，能極大的提高球磨效率，顯著降低球磨污染，并形成獨特的結(jié)構(gòu)而顯著提高材料的性能。

該設(shè)備的成套技術(shù)方案申報了美國、日本和歐洲成員國的PCT國際，并在國內(nèi)20多所高校院所包括5個院士、4個國家團隊使用。

2技術(shù)參數(shù)

等離子球磨效果與機制：

● 等離子體的電子溫度，可以對粉體的微區(qū)局域瞬時加熱，離開等離子體時粉體溫度急劇下降，誘發(fā)巨大的熱效應(yīng)，形成了“熱爆-融化-淬火”的粉末處理機理。

● 等離子體的高活性粒子（離子、電子、激發(fā)態(tài)的原子和分子、自由基等）易與其它物質(zhì)發(fā)生吸附作用并引起材料表面的活性提高，而機械球磨引入的新鮮表面、大量缺陷進一步增強被球磨粉體的活性，使得擴散、相變和化學(xué)反應(yīng)極易進行。

● 等離子體產(chǎn)生的高能電子通過撞擊造成晶體的晶界滑移甚至位錯，電塑性效應(yīng)趨向于產(chǎn)生納米尺寸的晶體材料。

● 利用等離子體對石墨等層狀結(jié)構(gòu)材料進行減薄、刻蝕、摻雜等處理，可增加材料的活性位點和導(dǎo)電性，制備出高性能儲能材料。

4使用領(lǐng)域

一、
鋰電池正負極材料

等離子球磨在鋰電負極材料的制備中，介質(zhì)阻擋等離子體破壞石墨層間的范德華力，在高能球磨剪切力輔助下制造出無序堆疊的石墨烯片，均勻的包覆負極材料，與傳統(tǒng)球磨工藝制備的材料性能相比，大幅提高了材料的容量、放電效率、循環(huán)性能及倍率性能。

1）Sn-C復(fù)合材料

2） Si-C復(fù)合材料

等離子球磨制備Si-C復(fù)合材料獲得石墨烯片層包覆硅顆粒結(jié)構(gòu)

3）鋰硫電池材料

等離子球磨剝離的多孔石墨烯提供大比表面積用于分散超微納米硫粒子,提高硫粒子導(dǎo)電性且產(chǎn)生的孔隙用于物理吸附多硫化鋰溶液。介質(zhì)阻擋等離子放電（DBD）過程中產(chǎn)生的氧官能團修飾的石墨烯進一步為多硫化鋰溶液的捕獲和限域行為提供發(fā)生化學(xué)鍵和的活性位點。

在等離子球磨過程中得到的產(chǎn)品S/G-DBD實現(xiàn)了少量氧摻雜、石墨的原位剝離及形成超微納米硫。相比于未施加等離子體的S/G電極，集納米化和原子摻雜石墨烯于一體的S/G-DBD電極，在鋰硫電池體系中展示出的循環(huán)性能和提高的硫利用率。

4）硫化物電池材料

C代表普通球磨，P代表等離子球磨

通過等離子球磨制備硫化銻嵌入納米石墨片結(jié)構(gòu)的Sb₂S₃-C材料，實現(xiàn)了在1A/g電流密度下，經(jīng)過500次循環(huán)后容量仍達到500mAh/g，容量保持率超過80%的長循環(huán)鋰離子電池負極。

二、硬質(zhì)合金

等離子球磨技術(shù)實現(xiàn)了對W-C-Co復(fù)合粉末的超短時間（1.5-3 h）快速細化和活化，經(jīng)壓制成型后的生坯，可以在一次的固相燒結(jié)中同步實現(xiàn)WC的合成和塊體的致密化，成功探索出“碳化-燒結(jié)同步法”，相比于傳統(tǒng)硬質(zhì)合金制備方法，其具有過程簡便，效率高，生產(chǎn)周期短的優(yōu)點。

WC-Co硬質(zhì)合金的制備流程：(a)傳統(tǒng)方法制備，(b)碳化-燒結(jié)同步法制備

等離子球磨技術(shù)實現(xiàn)了WC晶粒形貌（a.棱柱狀和b.板狀結(jié)構(gòu)）和尺寸的自由調(diào)控

利用等離子球磨可以制備出不同尺寸的板狀WC晶粒，調(diào)控不同尺度WC相在合金基體中的比例及其定向排列狀態(tài)，制備出雙尺度結(jié)構(gòu)的板狀WC-8Co硬質(zhì)合金，顯著提高了合金的斷裂強度和韌性。

離子球磨技術(shù)同步法合成雙尺度板狀結(jié)構(gòu)WC-8Co合金的實驗方法

等離子球磨技術(shù)同步步法合成雙尺度板狀結(jié)構(gòu)WC-8Co合金的力學(xué)性能數(shù)據(jù)

（其中，S、M、L是單尺度硬質(zhì)合金，S1M1、S1L1、M1L1是雙尺度硬質(zhì)合金）

三、氣固反應(yīng)

氨氣等離子球磨Ti粉：(a) 0 h, (b) 1 h, (c) 3 h, (d) 6 h, (e) 10 h, (f)16 h；氨氣保護下普通球磨Ti粉：(g) 10 h.

氨氣等離子離化形成高活性的H, N, NH, 和
NH₂
等物質(zhì)；等離子球磨可促進Ti和氨氣的氣-固快速反應(yīng)（10 h），合成TiN和TiH₂，普通球磨則需要上百小時。

四、原位反應(yīng)

利用Ti和石墨直接球磨誘發(fā)自蔓延反應(yīng)合成TiC，普通球磨需要7.5h，等離子球磨只要4h

五、片層材料/涂層材料

等離子體產(chǎn)生的高能電子通過撞擊造成晶體的晶界滑移甚至位錯，在短時間球磨過程中表現(xiàn)出超高塑性（電致塑性效應(yīng)），形成超細片狀結(jié)構(gòu)。

氬氣等離子球磨2h制備片狀鋁粉

不同等離子球磨工藝制備的片狀羥基Fe粉（吸波材料）

六、玻璃粉

等離子球磨前后玻璃粉的形貌，球磨后其燒成溫度下降50-150℃

七、非晶材料

等離子球磨的等離子體“驟熱—驟冷”現(xiàn)象，可以誘發(fā)材料的晶體轉(zhuǎn)變和非晶化。

（C代表普通球磨，P代表等離子球磨）

等離子體球磨加速Sb₂O₃材料從立方結(jié)構(gòu)向正交結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，并促進了非晶結(jié)構(gòu)形成，普通球磨則無法形成非晶。

6選配附件