氢等离子体制备致密球形微细钨粉及强化还原机理研究

我国具有丰富的钨矿资源，球形微细钨粉是钨资源高值化的一个重要方向。本项目选择电真空阴极用致密球形微细钨粉为研究对象，采用氢等离子体还原制备微细球形钨粉，通过等离子体强化的还原过程，把还原与球形控制过程有机结合起来，在高频常压热等离子体中一步制备出致密规则的球形微细钨粉。模拟计算并测量等离子体中氢等离子体的密度分布、温度场和气体流场分布等，为钨颗粒形貌调控提供基础。采用氧化钨和仲钨酸铵为前驱体，通过等离子体参数和形貌控制器中温度分布梯度等的调控，研究氢等离子体的还原行为和钨颗粒的生长调控过程，建立等离子体中调控钨颗粒大小和形貌的基本规律。最后，优化和集成氢等离子体还原与颗粒形貌调控的工艺参数，制备出满足电真空钨阴极用致密球形微细钨粉，促进我国电真空阴极材料的发展。项目的实施有助于完善氢等离子体还原理论，扩展热等离子体还原过程的应用，为粉末冶金和功能粉体发展提供新的技术途径。

采用氢等离子体光谱分析，开展了氢等离子体的基本还原行为研究，然后通过仲钨酸铵等在氢等离子体中的还原行为，研究了氢等离子体的还原动力学。在掌握了氢等离子体还原动力学的基础上，开展了钨粉颗粒大小和形貌的调控研究，获得了相应的还原工艺参数。进一步表征了获得的钨粉颗粒性能，并进行了微细钨粉制备多孔阴极的应用探索。氢等离子体光谱诊断发现，氢气经过等离子体电离后出现H自由基,检测到Hα (Hα656.33 nm 2p←3d)和Hβ (Hβ486.1 nm )，没有检测到Hγ (Hγ434.0 nm )和Hδ (Hδ410.2 nm )。 Hα谱线和Hβ谱线的存在证明了等离子弧中产生了较高浓度的H自由基。而且，随着放电功率增加，H自由基浓度增加。仲钨酸铵（APT）加入到氢等离子体后，H自由基谱线发生了明显变化，Hα几乎消失，Hβ已经完全找不到踪迹。而激发态Ar谱线几乎没有发生明显变化，说明Hα的减弱和Hβ的消失是由于APT与等离子体中的活性H自由基发生反应，导致Hα的减弱和Hβ的消失。研究了APT在等离子体中不同气氛的行为变化，获得了等离子体热处理调控APT分解的基本规律。APT在氧化性气氛中分解获得了WO3八面体，且通过冷却速度可以调控WO3八面体的大小；APT在氨气所形成的弱还原性气氛下，APT还原得到的产物为长约0.4 μm和直径0.05-0.1 μm棒状WO2.72； APT在氢气所形成的强还原性气氛下，APT还原得到的产物为球形β-W，颗粒大小分布均匀，粒径约为50 nm，且通过冷却气体可以调控金属钨颗粒大小。同时，也开展了蓝色氧化钨（BTO）在氢等离子体中的还原行为研究，获得了粒径为20-50nm的球形钨粉，比表面积为8.96 g/m2。.开展了等离子体球化微细钨粉的研究，针对微细钨粉难熔融球化的问题，进行了分析和实验，微细颗粒虽然熔化需要热量少，但表面积小导致受热效果差，因此，提高微细钨粉在等离子体中的受热效果是提高微细钨粉球化率的关键。发表学术论文10篇，其中SCI检索8篇，参与编写英文专著1章，申请专利5项，获北京市科技奖（贰等）1项。总之，通过本项目的研究，对氢等离子体还原性能有了深刻的认识，而且，在高浓度氢等离子体的产生上也取得了较大进展，为氢等离子体还原制备微细粉体提供了坚实的基础。