冷场等离子体放电辅助高能球磨粉体的应用方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机械制造与粉末冶金技术领域，涉及一种高能球磨装置，具体涉及一 种冷场等离子体辅助高能球磨机装置及其制备硬质合金、锂离子电池、储氢合金粉末材料 的应用。
【背景技术】
[0002] 普通高能球磨制备合金粉末的方法是目前纳微米材料制备及机械合金化最常用 的技术之一，一般是利用高能球磨机转动或振动把金属或合金粉末细化到纳微米尺度，即： 将两种或两种以上粉末同时放入高能球磨机的球磨罐中进行球磨，粉末颗磨粒经压延，压 合，碾碎，再压合的反复过程（即冷焊-粉碎-冷焊的反复进行），可以使粉末晶粒及颗粒尺 寸不断细化，最后可以获得组织和成分分布均匀的纳微米超细合金粉末。通常高能球磨机 只是单纯通过转动或振动球磨罐，利用球磨罐中磨球的机械能来处理粉末，也就是仅有机 械应力场促成粉末发生作用。然而，目前的机械合金化的应用主要集中在行星式和搅拌式 球磨机方面，这种机械合金化存在能耗大、效率低等缺点。
[0003] 等离子体发生器一般在在负压（真空）下，给反应气体环境施加高频电场，气体在 高频电场的激励下电离，产生等离子体。这些离子的活性很高，其能量足以破坏几乎所有的 化学键，在任何暴露的材料表面引起化学反应，从而使材料表面的结构、成分和基团发生变 化，得到满足实际要求的表面。同时，等离子体反应速度快、处理效率高，而且改性仅发生在 材料表面，对材料内部本体材料的性能没有影响，是理想的表面改性手段。等离子体表面改 性已经广泛应用于薄膜状、块状和颗粒状等形状的材料中，而且不同形状的材料必须采用 不同的等离子体处理方式，如薄膜状物料（包括薄膜、织物、无纺布、丝网等），由于其可以 成卷包装，因此可以采用卷对卷式批量处理；块状物料由于可以逐个摆放，因此适用于多层 平板电极处理。而等离子体在处理粉末颗粒方面的应用较少，特别是将等离子体引入到高 能球磨机装置中的难度更大。这主要归因于两个方面：一是由于粉体堆积，微粒间的团聚， 使得没有暴露在等离子体气氛中的微粒表面得不到处理，难以实现微粒全部处理，导致微 粒处理不完全、不均匀，处理效果差；二是高能球磨罐中磨球的高速碰撞及高压放电的共同 作用对放电电极的破坏严重，电极在球磨罐中寿命很短。因此，亟需一种有效的等离子体辅 助高能球磨处理粉体材料的装置。
[0004] CN1718282A公开了一种等离子体辅助高能球磨方法，它主要介绍了在普通球磨 机基础上如何改进和实现等离子体放电辅助球磨的效果，但对于球磨机主机的具体构造、 放电球磨罐的结构设计，特别是介质阻挡放电电极棒的选材和设计未做进一步公开。而实 际上，等离子体辅助高能球磨机在外加等离子体电源、放电球磨罐和介质阻挡放电电极棒 等方面存在各种技术难题，特别是电极棒引入球磨罐的过程中，存在相互配合、局部高强度 击穿放电以及等离子体放电强度控制等问题，而电极棒自身有受限于材料和结构所带来的 各种影响寿命的问题，都是上述发明专利未解决的。
[0005] CN101239334A和CN1011239336A分别公开了一种等离子体辅助高能滚筒球 磨装置和一种等离子体辅助搅拌球磨装置，它主要是在传统滚筒和搅拌球磨机上改装而成 的，但是这种两种球磨机机械能较小，球磨效率低，不但难以实现长范围球磨能量的调节， 而且不适用于等离子体辅助下的高效率细化效果。而振动式球磨装置可以同时通过激振块 的振幅和球磨机转速两个方面共同实现球磨能量的长范围调节。
[0006] CN101239335A公开了一种等离子体辅助高能行星球磨装置，它是在传统行星球 磨机基础上，在行星运转的球磨罐中加入外接有等离子体电源的电极棒，来提高行星球磨 机的球磨效率。但是由于行星球磨机要实现球磨罐的自转和公转，球磨罐中所引入的电极 极不稳定；此外，安装在球磨罐中的电极棒对磨球的碰撞产生严重的阻碍作用，对行星式结 构的球磨优势产生阻碍作用。
[0007] CN102500451A和CN202398398U公开了一种辅助球磨介质阻挡放电电极棒，它 是在管状导电电极层上套设管状聚四氟乙烯阻挡介质层，两管之间摒除了螺纹配合；并且 这种电极棒只能应用与两端都是通孔的球磨罐上。在实际加工装配过程中，这种配合始终 不能避免残留空气在放电过程中对电极棒的损害，其电极棒的实际寿命无法进行大幅度提 尚。
[0008] US6126097和US6334583公开了一种行星球式高能球磨装置和制备纳米粉末的 方法，介绍了一种普通行星式球磨机的结构及其在纳米粉末制备方面的应用，但该发明专 利仅局限于行星式球磨机领域，而且并不涉及外加等离子体电场的应用。
【发明内容】
[0009] 本发明目的是在于克服机械合金化能耗大、效率低、污染重的缺点，利用介质阻挡 放电（dielectricbarrierdischarge，简称DBD)作为产生等离子体的一种备受关注独特 放电形式，将介质阻挡放电电极棒引入到高速振动的球磨罐中，一方面要求电极棒外层的 固体绝缘介质能够同时承受高压放电和磨球的机械冲击破坏，另一方面要求高速振动的球 磨装置可以使粉末处理效果均匀，提供了一种有效改善材料机械合金化效率的新型高能球 磨装置及其制备硬质合金、锂离子电池、储氢合金粉末材料的应用方法。它基于普通球磨技 术的基础上，通过引入放电等离子体对所处理的粉体输入另一种有效能量，促使待处理粉 体在机械应力效应和外加电场放电产生等离子体共同作用下，加速粉体的细化和促进合金 化进程，从而极大提高了球磨机的加工效率和作用效果。
[0010] 本发明提供了一种冷场等离子体放电辅助高能球磨粉体的应用方法，该冷场等离 子体高能球磨粉体的应用方法是：首先是使用外加冷场等离子体电源向等离子辅助高能球 磨装置的放电球磨罐输入的不同的电压和电流，再通过可控制气氛系统对球磨罐内部气氛 (气体类型和气压）进行控制调整，然后让放电球磨罐中的放电电极棒产生可控强度的电 晕或者辉光放电现象，从而实现对放电球磨罐内的被加工粉体实施等离子体场高能球磨、 辅助机械合金化的过程。
[0011] 本发明还提供了应用冷场等离子体高能球磨粉体方法的等离子辅助高能球磨装 置，该等离子辅助高能球磨装置包括振动式高能球磨主机、外加冷场等离子体电源、放电球 磨罐、放电电极棒、可控制气氛系统和冷却系统六个组成部分，所述的振动式高能球磨主机 的结构为振动磨形式；
[0012] 所述的放电球磨罐包括连接筒体、前盖板、后盖板，与放电球磨罐连接的等离子体 电源负极接地极；
[0013] 所述放电电极棒为圆柱形棒状，由其内部铁（铜）材料的导电电芯和聚四氟乙烯 材料的绝缘外层共同组成；所述内部导电电芯与等离子体电源正极高压极相连，作为等离 子体放电的一个极，绝缘外层作为放电的介质阻挡层存在。
[0014] 本发明所述的一种等离子辅助高能球磨装置，其特征还在于：
[0015] 所述的振动式高能球磨主机的结构或为偏心振动磨的形式。
[0016] 所述的外加冷场等离子体电源2采用AC-DC-AC变换方式的高压交流电源，将市电 变为高频电流，其中DC-AC的变换采用调频控制方式，工作频率范围在1?20kHz可调，电 源输出电压范围在1?30kV之间。所述圆柱形棒状放电电极棒的绝缘外层，或为高纯度氧 化铝陶瓷材料。
[0017] 所述放电电极棒内部铁（铜）材料的导电电芯紧固端与聚四氟乙烯材料的绝缘外 层使用螺纹配合，放电端采用光杆结构与绝缘外层配合，在导电电芯与绝缘外层的配合间 隙中充填有耐热胶，且导电电芯顶部以球面结构与绝缘外层介质相配合；
[0018] 与所述内部铁（铜）材料的导电电芯共同组成放电电极棒高纯度氧化铝陶瓷材料 的绝缘外层，采用直接沉积方式或微弧氧化方式成形；
[0019] 所述高纯度氧化铝陶瓷材料的绝缘外层的放电电极棒，或套有一个带网孔的金属 套筒。
[0020] 所述可控制气氛系统安装在放电球磨罐罐体进出气孔的上方，能在不同气压下和 氩气、氮、氨、氢、氧各类气氛中，实现等离子体对被加工粉体的球磨效果实施独立调控。所 述放电球磨罐的筒体两端法兰通过密封环、螺栓