CN112473966B - 一种三电极放电等离子体辅助球磨罐 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三电极放电等离子体辅助球磨罐，包括连接筒体、后盖板、前盖板和并联的三个电极棒。所述电极棒与后盖板内圆孔采用过渡配合联接，电极棒的导电电芯同时接入等离子体电源正极，整个金属筒体接入等离子体电源负极，不同电极棒的放电相互独立。该装置简单实用，在等离子体电源的工作电压范围内，可通过调节功率轻松实现局部高强度放电，极大提高球磨罐中气体离化率和球磨能效；同时多电极放电还可以有效预防在球磨过程中因单个电极棒损坏而出现的放电中断现象，显著降低等离子体辅助球磨机的故障率，推动其在实际生产中的应用。
Description
技术领域
本发明属于粉末冶金和机械合金化技术领域，具体涉及一种三电极放电等离子体辅助球磨罐及其在制备锂离子电池电极材料、钠离子电池电极材料、储氢材料、硬质合金等方面中的应用。
背景技术
近年来，介质阻挡放电等离子体辅助球磨技术是一种新型高效的实现机械合金化的外场辅助球磨方法，球磨过程通常在氧气、氩气、氨气、氢气等气氛中进行，外加的高频高压电场作用会使气体电离形成高能量密度的低温等离子体。低温等离子体的电子温度极高，它可以对粉体的微区瞬时加热，使其表层发生熔化或溅射，而整个放电空间的宏观温度却保持在室温附近，不会烧损工件。等离子体与球磨机械力的协同效应，使粉体在“熔化-热爆-淬火”的机制作用下极易达到纳米级尺度，具有很高的粉末细化效率；同时，等离子体还可以对层片状材料进行减薄、刻蚀、掺杂等处理，能使粉末颗粒的晶格中产生错位、原子空位及晶格畸变等各种缺陷，这些缺陷极大提高了粉末的活性。目前，该方法被广泛应用于制备锂离子电池及钠离子电池电极材料、储氢材料、硬质合金等纳米粉体。
目前常见的介质阻挡放电等离子体辅助球磨机一般采用的是单电极放电模式，即球磨罐中只联接一个电极棒，如CN201410815093.3、CN 200810026690.2、CN200520056595.9等。但是在单电极放电模式下，由于正、负极间隙大，球磨罐中的电场强度较低，气体没有完全被电离，因此等离子体能量密度较低，影响球磨能效。而且在工作过程中，电极棒长期处于非均匀电场和较高机械力作用的环境下，其使用寿命较短，在球磨机运行时经常出现放电中断的现象，因而介质阻挡放电等离子体辅助球磨机在实际应用中的故障率较高，影响持续使用。因此，提高球磨罐中气体的离化率、降低球磨机的故障率，是当前介质阻挡放电等离子体辅助球磨技术中亟待解决的问题。
发明内容
为了解决现有介质阻挡放电等离子体辅助球磨技术中存在的上述问题，本发明从改进球磨罐的角度，提供一种三电极放电等离子体辅助球磨罐的技术方案。
本发明的目的是提供一种三电极放电等离子体辅助球磨罐，通过增加球磨罐中电极棒的数量，使得在等离子体电源的工作电压范围内，可通过调节功率轻松实现局部高强度放电，极大提高球磨罐中气体的离化率和球磨能效。并且即使球磨罐中有单个电极棒发生损坏，其它电极棒仍能维持介质阻挡放电，球磨罐中可始终保持等离子体放电的环境，这显著降低了介质阻挡放电等离子体辅助球磨机的故障率。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种三电极放电等离子体辅助球磨罐，包括连接筒体、后盖板、前盖板和并联的三个电极棒，所述连接筒体的材质为金属材质，后盖板和前盖板的材质为聚四氟乙烯或高纯度陶瓷。后盖板、前盖板与筒体相接触的表面都设有一个环形密封槽和多个通孔，通过螺栓固定盖板与筒体，且盖板与筒体之间设有环形密封圈和真空硅脂密封。后盖板内设有多个圆孔，电极棒与圆孔采用过渡配合联接，电极棒在相应的配合位置设有台肩，配合处采用密封圈和真空硅脂密封。
三个电极棒的导电电芯同时接入等离子体电源正极，整个金属筒体接入等离子体电源负极，不同电极棒的放电相互独立。前盖板外侧设有真空气阀，真空气阀下方设有进出气孔，使得球磨能够在真空、氧气、氩气、氨气、氢气等气体氛围中进行。
图2所示为三电极球磨罐的横截面图，球磨罐内径设为R，P1、P2、P3分别对应三个电极的位置。在图2中建立直角坐标系，P1位于y轴正半轴R/2～2R/3处，P2、P3分别为P1绕球磨罐中心顺、逆时针旋转60°～120°后得到的位置。假定三个电极棒与球磨罐中心连线的夹角均为120°时，设每个电极棒上的电压分别为V1、V2、V3，在该电压配置下，球磨罐内任意一点P的电场强度为EPx (V1,V2,V3)(X方向分量)、EPy (V1,V2,V3)(Y方向分量)以及EP(合成场强)。由于场强的矢量性与对称性，对P1点的场强有：
根据叠加原理可得到：
由式(1-1)和(1-2)可得，任意电压配置下球磨罐中一点的场强可由基本电压配置下三个电极所产生的场强叠加而成。由于电场叠加，在球磨罐中心区域，三电极所产生的电场强度相对单电极会有所减小，但在电极与球磨罐内壁之间的场域范围内，三电极所产生的空间电场强度远大于单电极所产生的场强，并且电场分布更加均匀。实验所观察到的三电极放电为每个电极棒单独向罐壁发出紫色光束，而球磨罐中心放电现象较弱，所以三电极球磨罐的设计可以局部增大球磨罐内壁场域的放电强度，使球磨效率提高，更有利于沿壁运动粉末材料的处理效果。
本发明与现有技术方案相比，具有以下优点和增益效果：
在同等工作电压下，相较于单电极放电模式，并联三个电极棒可以实现更高强度的放电，气体充分电离使得球磨罐中产生更多高活性的等离子体，从而促进粉体的破碎细化。在等离子体作用下，粉体表面产生各种缺陷，提高了粉体活性，在制备锂离子电池及钠离子电池电极材料、储氢材料、硬质合金等方面具有明显优势。同时三电极放电还可以有效预防在球磨过程中出现等离子体放电中断的现象，显著降低球磨机的故障率，推动了其在实际生产中的应用。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图。
图2是三电极棒的球磨罐横截面。
图3是本发明实施例的侧视图(后盖板部分)。
图4是本发明实施例的侧视图(前盖板部分)。
图中各个部件如下：连接筒体1、后盖板2、前盖板3、电极棒4、导电电芯5、螺栓6、小密封圈7、圆孔8、大密封圈9、气孔及真空气阀10。
具体实施方式
本发明中的三电极放电等离子体辅助球磨罐包括连接筒体1、后盖板2、前盖板3和并联的三个电极棒4，如图1所示。其中，连接筒体1的材质为金属材质，前盖板3、后盖板2的材质可为聚四氟乙烯或高纯度陶瓷。并联电极棒4的导电电芯同时接入等离子体电源正极，整个金属罐体接入等离子体电源负极，不同电极的放电相互独立。
前盖板3、后盖板2与连接筒体1相接触的表面都设有一个环形密封槽和多个通孔，前、后盖板通过对称分布的螺栓6分别与连接筒体固定，且盖板与筒体之间的接触处采用环形密封圈和真空硅脂密封，如图1所示。
图3和图4为本发明的侧视图，后盖板2内设有多个圆孔，电极棒与圆孔采用过渡配合联接，电极棒在相应的配合位置设有台肩，配合处采用密封圈和真空硅脂密封，如图3所示。前盖板3外侧设有真空气阀，真空气阀下方设有进出气孔，使球磨能够在真空、氧气、氩气、氨气、氢气等气体氛围中进行，如图4所示。
上述实施方式只是本发明较佳的一种实施方式，但本发明的实施方式不是用来限制新型发明的实施与权利范围，凡依据本发明申请专利保护范围所述的内容与原理做出的等效变化和修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种三电极放电等离子体辅助球磨罐，包括连接筒体(1)、后盖板(2)、前盖板(3)和并联的三个电极棒(4)；所述后盖板(2)和前盖板(3)设置于连接筒体(1)的两端，所述三个电极棒(4)并联且固定于后盖板(2)和前盖板(3)上；
球磨罐内径设为R，P1、P2、P3分别对应三个电极的位置，建立直角坐标系，P1位于y轴正半轴R/2～2R/3处，P2、P3分别为P1绕球磨罐中心顺、逆时针旋转120°后得到的位置，三个电极棒与球磨罐中心连线的夹角均为120°时，每个电极棒上的电压分别为V1、V2、V3，在该电压配置下，球磨罐内任意一点P的电场强度为X方向分量EPx (V1,V2,V3)、Y方向分量EPy (V1,V2,V3)以及合成场强EP，由于场强的矢量性与对称性，对P1点的场强有：
根据叠加原理可得到：
由式(1-1)和(1-2)可得，任意电压配置下球磨罐中一点的场强由基本电压配置下三个电极所产生的场强叠加而成；
电极棒的导电电芯(5)同时接入等离子体电源正极，整个筒体接入等离子体电源负极，不同电极棒的放电相互独立；
所述连接筒体的材质为金属材质；
所述后盖板和前盖板的材质为聚四氟乙烯或高纯度陶瓷；
后盖板(2)、前盖板(3)与连接筒体(1)相接触的表面都设有一个环形密封槽和多个通孔，通过螺栓(6)固定盖板与连接筒体，且盖板与连接筒体的接触处采用环形密封圈(9)和真空硅脂密封；
所述后盖板内设有三个圆孔(8)，相邻两个圆孔与后盖板中心连线的夹角范围在60°～120°，且圆孔与后盖板中心的距离为球磨罐内径R的1/2～2/3；电极棒与圆孔采用过渡配合联接，且电极棒在相应的配合位置设有台肩，配合处采用密封圈(7)和真空硅脂密封；
所述前盖板外侧设有真空气阀，真空气阀下方设有进出气孔，使球磨能够在真空、氧气、氩气、氨气或氢气气氛中进行。
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