等離子球磨機(jī)的研制及其振動平臺試驗

魯忠臣，林城， 高志強(qiáng)，涂佳亮，王為，宋凱強(qiáng)，曾美琴

（華南理工大學(xué) a.機(jī)械與汽車工程學(xué)院，b.材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510641）

機(jī)械球磨通常是指利用機(jī)械能的作用，實現(xiàn)固態(tài)粉末的變形、細(xì)化、原子擴(kuò)散、固態(tài)反應(yīng)或相變等，是制備超細(xì)材料的一種有效方法[1]，廣泛應(yīng)用于各種納米晶、非晶、固溶體和復(fù)合材料的制備[2]。普通球磨存在效率較低、球磨時間長且容易污染、部分化合物難以合成等問題[3]。因此，在傳統(tǒng)球磨的機(jī)械能場中引入其他物理能場，實現(xiàn)多場協(xié)同作用來改善球磨能效成為機(jī)械球磨技術(shù)發(fā)展的重要方向[4]。例如將超聲波、磁場、溫度場或電場等外加物理能場引入到機(jī)械球磨罐中，發(fā)展出了多種外場輔助機(jī)械球磨技術(shù)，使球磨機(jī)械能與其他物理能有機(jī)結(jié)合起來。它具有明顯降低反應(yīng)活化能、細(xì)化晶粒、加速提高粉末活性和促進(jìn)機(jī)械合金化進(jìn)程的優(yōu)點，提高球磨效能[3-4]。

其中，研究人員通過可控高壓，實現(xiàn)多種放電模式，包括火花放電、電弧放電和輝光放電等，并將其引入到球磨過程中或球磨粉體的后續(xù)處理過程中，能加快機(jī)械合金化進(jìn)程，獲得意想不到的效果[5-9]。研究發(fā)現(xiàn)，在氬氣保護(hù)下普通球磨200 h后，15 min的放電輔助球磨便可制備出普通球磨500 h均無法合成的FeB相。在氮氣條件下，分別對Ti和Si粉進(jìn)行輝光放電輔助球磨，超短時間內(nèi)便檢測出了 TiN和Si3N4衍射峰，這均是普通球磨不能夠?qū)崿F(xiàn)的。2005年，ZHU 等人[10]首次提出將冷場等離子體引入到機(jī)械球磨過程中，發(fā)展了一種等離子體輔助球磨技術(shù)。實現(xiàn)了機(jī)械能和等離子體能在球磨過程中的協(xié)同作用，不僅顯著提高了球磨機(jī)能效，也加速了其原位固相反應(yīng)和氣固反應(yīng)，而且能獲得獨特的組織結(jié)構(gòu)，從而顯著提高所制備材料的性能。該方法已在純金屬、金屬氧化物、硬質(zhì)合金、儲能材料等的制備中顯示出良好的應(yīng)用前景。

為了進(jìn)一步完善該技術(shù)的性能指標(biāo)，最大程度實現(xiàn)等離子體能量和球磨機(jī)械能量的有機(jī)復(fù)合，本試驗結(jié)合機(jī)械振動、高壓絕緣放電和粉末材料制備三方面學(xué)科跨度，提出設(shè)計具有最佳性能的機(jī)械振動平臺，優(yōu)化球磨室內(nèi)的大面積介質(zhì)阻擋放電強(qiáng)度，進(jìn)一步實現(xiàn)等離子球磨機(jī)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。文中將簡要介紹其中一個重要試驗環(huán)節(jié)，通過優(yōu)化機(jī)械振動平臺參數(shù)，實現(xiàn)常壓條件下的等離子體放電輔助球磨技術(shù)。

1 試驗

1.1 球磨室內(nèi)等離子體放電強(qiáng)度研究

等離子體是通過高壓使氣體放電離化，產(chǎn)生大量的正負(fù)帶電粒子、電子和中性粒子以及自由基，并表現(xiàn)出集體行為的一種準(zhǔn)中性氣體[11-12]。其中，介質(zhì)阻擋放電（Dielectric barrier discharge：DBD）是冷場等離子體的一種常見方式，是在兩金屬電極之間的氣體間隙引入絕緣介質(zhì)，以阻擋貫穿氣體的放電通道，當(dāng)向兩電極間施加足夠高的交流電壓時，電極間的氣體會被離化而產(chǎn)生放電現(xiàn)象。同時，只要放電間隙足夠小，介質(zhì)阻擋放電，還能擺脫所需真空系統(tǒng)的束縛，實現(xiàn)相對高氣壓下的等離子體放電。因此，將介質(zhì)阻擋放電結(jié)構(gòu)引入具有氣體控制的球磨罐，可以實現(xiàn)等離子體能和機(jī)械能的有機(jī)結(jié)合。等離子體輔助球磨原理如圖1所示[13]，將包覆有介質(zhì)阻擋層的鐵芯圓柱狀電極棒置于球磨罐中央，然后在電極棒和金屬球磨罐兩端電極施加高頻高壓交流電，根據(jù)放電負(fù)載調(diào)節(jié)等離子體電源的放電參數(shù)，促使球磨罐內(nèi)激發(fā)不同氣體均可產(chǎn)生低溫放電等離子體。尤其重要的是，隨著球磨機(jī)振幅和重力加速度的變化，磨球可以充滿球磨腔體，并改變電極棒和磨球之間的相對位置，從而顯著縮小氣體的放電間隙，使得氣體在較常壓條件下也能實現(xiàn)離化放電現(xiàn)象，進(jìn)行電暈放電或輝光放電的等離子體輔助球磨。另外，雖然介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的冷場等離子體中的電子溫度極高，但其整體宏觀溫度卻不高（略高于室溫），其介質(zhì)阻擋層又能抑制微放電的無限增加，避免了火花放電或電弧放電等熱等離子體對球磨體系的燒損。

圖1 等離子體輔助球磨室內(nèi)放電球磨

在等離子體球磨過程中，高密度高能量的等離子體轟擊在粉體表面，在粉體表面產(chǎn)生很大沖擊力和熱效應(yīng)的同時，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）很容易與球磨粉末發(fā)生吸附作用，并引起材料表面的活性提高，同時球磨引入的新鮮表面、大量缺陷進(jìn)一步增強(qiáng)球磨粉體的活性，使得擴(kuò)散、相變和化學(xué)反應(yīng)等更容易進(jìn)行。通常，對于介質(zhì)阻擋放電方式，當(dāng)電極間隙較小時，介質(zhì)阻擋放電具有良好的橫向分布均勻性，但是隨著電極間隙的增加，放電均勻性開始下降，放電中出現(xiàn)明顯的放電電流細(xì)絲，導(dǎo)致放電不均勻和強(qiáng)度降低[14]。因此，在常壓條件下，對于實驗室使用的200 mL~1.5 L左右容積的球磨罐，由于球磨罐內(nèi)壁和電極棒的放電間距（30~65 mm）較大，很難直接實現(xiàn)大量的氣體離化，而產(chǎn)生明亮的輝光放電，這必然降低等離子體對球磨粉體的處理能力，只有當(dāng)球磨室內(nèi)的氣壓降低，其輝光亮度才逐步增加，如圖2所示。然而，當(dāng)球磨室內(nèi)氣壓極低時（如圖2d所示），雖然放電的輝光亮度較高，但由于氣壓稀薄，導(dǎo)致單位體積內(nèi)的電子濃度并不高，這也必然弱化所離化氣體的等離子體對粉體的作用效果。因此，在介質(zhì)阻擋放電輔助球磨過程中，通常通過磨球振幅的高度來縮短氣體放電間距，即當(dāng)磨球振動振幅的峰峰值達(dá)到球磨罐直徑時，球磨室內(nèi)的平均放電間距最小，可以在較高氣壓條件下較容易實現(xiàn)整個球磨腔內(nèi)的均勻等離子體放電。常壓下產(chǎn)生的等離子具有均勻穩(wěn)定、電流密度適中、高活性粒子濃度等特性，對材料表面處理具有重要作用。

圖2 等離子體輔助球磨室內(nèi)不同氣壓下放電效果

1.2 機(jī)械振動平臺設(shè)計

對于振動球磨而言，不同參數(shù)組合（如振幅、頻率和彈簧剛度等）將對球磨粉末產(chǎn)生不同的合成效果，因此，該問題一直是振動球磨重要的研究內(nèi)容[15]。Toraman等[16]采用實驗證明了振動頻率對振動球磨粉末效率有明顯的正面效應(yīng)。Gonzalez等[17]利用理論推導(dǎo)與實驗相結(jié)合的方法證明了振動強(qiáng)度、振動頻率與粉末粒度之間存在一定關(guān)系，在同等研磨時間下，振動強(qiáng)度越大，產(chǎn)品粒度越細(xì)。Gock等[18]提出具有不平衡振源的偏心振動磨配以大振幅，促使沖擊力的集中，可有效提高振動強(qiáng)度，降低能耗。徐波等[19]通過建立介質(zhì)層的運(yùn)動方程和仿真試驗指出，在適當(dāng)?shù)恼駝訌?qiáng)度下可以提高介質(zhì)的能量傳遞率。

振動平臺屬于振動球磨機(jī)的重要機(jī)械部分，其振動平臺質(zhì)量、電機(jī)轉(zhuǎn)速（頻率）、彈簧和激振塊等四組可變參數(shù)的組合將影響振動平臺的振動頻率、加速度（有效值）和振幅（峰峰值）等性能。為了實現(xiàn)機(jī)械力效應(yīng)和等離子體放電效應(yīng)的有效配合，該研究選擇了45#鋼，并設(shè)計了如圖3所示的振動平臺。平臺最上端，呈現(xiàn)一個倒三角形的固定球磨罐的裝置。振動平臺主體兩側(cè)是安放不同配重塊的位置，通過配重塊來調(diào)節(jié)振動平臺的整體質(zhì)量，從而改變振動平臺上下振動的加速度和振幅。在平臺主體下方，可以安裝四根彈簧，彈簧另一端則連接在球磨機(jī)底座。為調(diào)整振動平臺質(zhì)量及其與電機(jī)主軸相對位置，隨機(jī)提供了四件10 kg的配重塊，可根據(jù)實際需要按圖4所示的三種方式進(jìn)行配裝，以達(dá)到不同的振動強(qiáng)度。

圖3 機(jī)械振動平臺模型

圖4 配重塊三種安裝結(jié)構(gòu)

與上述振動平臺連接的轉(zhuǎn)動軸，配置有兩組激振塊，每組激振塊由內(nèi)、外兩件偏心片（內(nèi)擺和外擺）組成，兩片偏心片重合度越大，提供的振動就越大，如圖5所示。因此，可根據(jù)要求調(diào)整內(nèi)外兩偏心片重合度，并結(jié)合電機(jī)的快慢速以提供給振動平臺不同的振動強(qiáng)度。

圖5 激振塊安裝結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果及分析

2.1 機(jī)械振動平臺的振動性能測試

振動實驗測試條件：通過增減配重塊調(diào)整振動平臺總質(zhì)量的范圍為75~105 kg。選用的錳鋼彈簧有：高為110 mm，彈簧直徑分別為6 mm（彈性系數(shù)為1618.17 g/m）、7mm（彈性系數(shù)為 2997.87 g/m)、8 mm（彈性系數(shù)為 5181.23 g/m）的彈簧。對組裝好的等離子體單筒振動球磨機(jī)的振動平臺進(jìn)行機(jī)械振動性能測試，分別改變彈簧型號、振動平臺質(zhì)量和激振塊質(zhì)量（每對激振塊均固定成90°）三組參數(shù)，振動傳感器測點位于振動平臺中心位置，比較球磨機(jī)振動平臺的加速度和振幅等性能隨電機(jī)頻率（轉(zhuǎn)速）的變化趨勢。其中，激振塊分為A（?。?、B（中）、C（大）三種型號。

對于振動平臺而言，其振動動能是依靠轉(zhuǎn)動軸上激振塊的離心力提供的。因此，對于低質(zhì)量振動平臺通常采以 A+B組合為主的激振塊，而對于高質(zhì)量振動平臺通常采以B+C組合為主的激振塊。如圖6所示，當(dāng)振動平臺質(zhì)量達(dá)到105 kg時，分別采用φ6 mm、φ7 mm、φ8 mm三組彈簧與不同大小的激振塊進(jìn)行組合測量其振幅峰峰值和加速度有效值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，分別采用這三組彈簧與相同的激振塊進(jìn)行配合時，彈簧型號的選擇對平臺振動性能的影響較小，所測得的振幅峰峰值和加速度有效值隨電機(jī)頻率的變化曲線基本重合。但是，激振塊的大小組合對平臺振動性能的影響卻至關(guān)重要，對于僅采用一組 B型激振塊裝置，其振幅峰峰值始終低于60 mm，這意味著球磨室內(nèi)的磨球在電機(jī)轉(zhuǎn)速最大時，其平均振動高度始終無法達(dá)到球磨室內(nèi)徑的 1/2，很難在常壓下實現(xiàn)整個球磨室內(nèi)的均勻放電。而且該條件下平臺的加速度有效值隨著電機(jī)頻率的提高，很快達(dá)到了一個飽和值，不利于磨球機(jī)機(jī)械沖擊力的提高。若將A、B、C三組激振塊全部安裝到轉(zhuǎn)動軸，振動平臺的振幅峰峰值在較低的電機(jī)頻率（30 Hz）條件下，便可以達(dá)到130 mm高度，而且其加速度有效值隨著電機(jī)頻率的增加始終保持近線性增加趨勢。這表明，球磨室內(nèi)的大部分磨球可以在較低轉(zhuǎn)速時便可振動到球磨室的上壁，保證整個球磨室內(nèi)充滿磨球，有效降低球磨室在各個方向的放電間距。

圖6 平臺質(zhì)量為105 kg條件下其振幅峰峰值和加速度有效值隨電機(jī)頻率的變化曲線

當(dāng)將振動平臺的質(zhì)量降低到 95 kg，分別采用φ7 mm、φ8 mm兩組彈簧并同時加載A、B、C三組激振塊條件下，測試結(jié)果如圖7所示。在電機(jī)頻率大于等于30 Hz時，采用兩組不同彈簧的振動平臺的振幅峰峰值由130 mm進(jìn)一步提高到143 mm左右，并能夠始終保持穩(wěn)定。將激振塊減少到B、C兩組，在電機(jī)頻率大于等于30 Hz時，采用兩組不同彈簧的振動平臺的振幅峰峰值也能夠始終穩(wěn)定在115 mm左右。在此兩組組合條件下，平臺的加速度也均隨著電機(jī)頻率的增加程近線性增加趨勢，而且最大值可以分別達(dá)到12.5g 和10.5g左右。完全可以滿足等離子球磨的實驗要求。

圖7 平臺質(zhì)量為95 kg條件下其振幅峰峰值和加速度有效值隨電機(jī)頻率的變化曲線

進(jìn)一步降低平臺質(zhì)量到85 kg，分別采用φ7 mm、φ8 mm兩組彈簧并同時加載B、C兩組激振塊的條件下，測試結(jié)果如圖 8所示。在電機(jī)頻率大于等于30 Hz時，兩組不同彈簧振動平臺的振幅峰峰值由115 mm分別進(jìn)一步提高到130 mm和135 mm左右，并能夠始終保持穩(wěn)定。這表明激振塊不變的條件下，振動平臺質(zhì)量的降低有利于提高其振幅。同時，在減少平臺質(zhì)量條件下，采用φ8 mm彈簧裝置的振幅值略大于φ7 mm彈簧裝置。若在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步減小激振塊的型號為A、B兩組組合方式，采用兩組不同彈簧振動平臺的振幅峰峰值的差異又顯著降低，均能夠穩(wěn)定在103 mm左右。在此兩組組合條件下，平臺的加速度也均隨著電機(jī)頻率的增加呈近線性增加趨勢，而且最大值可以分別達(dá)到 11.6g和 9g左右。完全可以滿足等離子球磨的實驗要求。

圖8 平臺質(zhì)量85 kg條件下其振幅峰峰值和加速度有效值隨電機(jī)頻率的變化曲線

進(jìn)一步降低平臺質(zhì)量到75 kg，分別采用φ7 mm、φ8 mm兩組彈簧并同時加載A、B兩組激振塊條件下，測試結(jié)果如圖9所示。在電機(jī)頻率大于等于30 Hz時，兩組不同彈簧振動平臺的振幅峰峰值均由103 mm進(jìn)一步提高到117 mm左右，并始終保持穩(wěn)定。而該振動平臺的加速度也均隨著電機(jī)頻率的增加呈近線性增加趨勢，而且最大值可以達(dá)到10.2g左右?；究梢詽M足等離子球磨的實驗要求。

根據(jù)機(jī)械振動平臺性能測試分析，可以得到表1的結(jié)果。所設(shè)計的單筒等離子振動球磨機(jī)，其振動平臺可選用φ7 mm、φ8 mm兩組彈簧，根據(jù)平臺質(zhì)量的不同選擇不同類型的激振塊組合，可以實現(xiàn)平臺振幅峰峰值達(dá)到或者接近球磨罐內(nèi)徑值（130 mm），同時擁有10g以上的加速度有效值。

圖9 平臺質(zhì)量75 kg條件下其振幅峰峰值和加速度有效值隨電機(jī)頻率的變化曲線

表1 振動平臺在不同質(zhì)量條件下采用不同類型激振塊組合獲得最佳的振動性能數(shù)據(jù)

2.2 等離子球磨制備 W-C-Co粉體性能測試

選擇表1中平臺質(zhì)量在85 kg條件下，開展后續(xù)放電觀察和粉末測試研究。在該振動條件下，球磨室內(nèi)的磨球振動高度可以達(dá)到球磨罐內(nèi)壁的上沿，有效縮短了球磨室內(nèi)的平均放電間距。在此條件下，在一個大氣壓（105Pa）的氬氣中，可以觀察到明顯的均勻輝光放電現(xiàn)象。同時，在磨球和磨球之間也可以觀察到微弱的放電細(xì)絲，如圖10所示。表明了振動的磨球縮短了球磨室內(nèi)的高壓放電距離，實現(xiàn)了常壓氣氛的有效離化。這是因為在等離子體球磨過程中（如圖11所示），其放電模式有兩種[20]：近介質(zhì)層的氣體激勵輝光放電等離子體和磨球間的絲狀放電等離子體。前者放電模式提供了氣體離化所需的主要能量，于整個球磨罐形成均勻輝光，并作為振動磨球的外部電場。在球磨罐的外電場作用下，當(dāng)磨球開始振動，沿外電場方向振動磨球的兩個半球面上游離著許多自由流動的正負(fù)電荷[21]，因此，便在鄰近磨球之間形成了與外電場方向相同的絲狀放電電場。后者的放電模式顯著降低了球磨罐內(nèi)部的氣體放電間隙，有助于實現(xiàn)常壓下的的大面積介質(zhì)阻擋放電等離子體。

圖10 常壓條件下球磨罐中的等離子體放電照片

圖11 磨球間的放電

圖12 無放電球磨和放電等離子體輔助球磨3 h制備的W-C-Co粉末的差熱分析曲線

利用上述實驗條件，在常壓下的氬氣中，分別選用了無放電振動球磨和等離子體放電輔助振動球磨（硬質(zhì)合金磨球，球料比為50:1，球磨時間為3 h）制備出納米復(fù)合W-C-Co粉末。對采用無放電振動球磨和等離子體放電輔助振動球磨所制備的納米復(fù)合W-C-Co粉末分別進(jìn)行DSC的差熱分析，如圖12所示。首先，從無放電振動球磨3 h的粉末的DSC曲線中可發(fā)現(xiàn)，在加熱過程中具有兩個明顯的峰，一個是698.3 ℃的吸熱峰，對應(yīng)W的氧化物與C發(fā)生還原反應(yīng)，生成CO。這是因為球磨過程及粉末收集過程中W發(fā)生了輕微的氧化。另一個是峰值在892.5 ℃的放熱反應(yīng)，其對應(yīng)為W與C生成WC的碳化反應(yīng)溫度區(qū)間。從曲線的變化趨勢來看，溫度接近1000 ℃時，該放熱峰才結(jié)束，說明無放電振動球磨粉末中的 W與C仍在發(fā)生碳化反應(yīng)。然而，常壓下的等離子輔助振動球磨粉末W的氧化物與C的還原反應(yīng)溫度以及W 與 C的碳化反應(yīng)溫度均要比無放電振動球磨W-C-Co粉末均低，其溫度峰值分別是 627.5 ℃和840.6 ℃，其WC的合成溫度快速下降50 ℃左右。這一結(jié)果說明，常壓下（105Pa）球磨罐內(nèi)實現(xiàn)了氣體的放電等離子體，該等離子體輔助振動球磨顯著提高W-C-Co復(fù)合粉末的活性，降低W與C的反應(yīng)溫度。利用Kissinger 法中機(jī)理函數(shù)計算WC合成反應(yīng)激活能發(fā)現(xiàn)[22]，通過等離子體輔助振動球磨合成的W-C-Co粉末的反應(yīng)激活能為290 kJ/mol，顯著低于無放電振動球磨的反應(yīng)激活能（330.7 kJ/mol）。由此也證明了，在常壓條件下，氣體放電等離子體有效降低了振動球磨合成粉末所需的活化能。這主要歸因于等離子體在機(jī)械破碎的粉體表面產(chǎn)生很大的沖擊力和熱效應(yīng)，增加了粉末的表面能。這些均表明，在1個大氣壓條件的氬氣氛中，由于金屬磨球振動幅度的提高，有效降低了球磨室內(nèi)高壓正負(fù)極的放電間距，氬氣在球磨振動過程中可以有效離化形成大量的等離子體，實現(xiàn)了常壓下等離子體輔助球磨的效果。

3 結(jié)語

文中所研制的等離子球磨機(jī)綜合了機(jī)械振動、高壓絕緣放電和粉末材料制備等跨學(xué)科知識。當(dāng)振動平臺選用φ7 mm、φ8 mm兩組彈簧，根據(jù)平臺質(zhì)量的不同選擇不同類型的激振塊組合，可以在30 Hz轉(zhuǎn)速以上，實現(xiàn)平臺振幅峰峰值達(dá)到或者接近球磨罐內(nèi)徑值，同時擁有10g以上的加速度有效值，實現(xiàn)了球磨室內(nèi)常壓條件下大面積介質(zhì)阻擋放電等離子體。常壓下均勻放電等離子體和磨球機(jī)械能協(xié)同作用，顯著提高粉末活性，降低化合物合成反應(yīng)激活能，從而顯著提高所制備材料的性能。在整個試驗進(jìn)行過程中，加深了學(xué)生對不同學(xué)科知識的理解和融合，加強(qiáng)了學(xué)生對自主創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的鍛煉。該裝置已被制造生產(chǎn)，并進(jìn)行市場推廣應(yīng)用。