technologie de sphéroïdisation des poudres La sphéroïdisation des poudres est devenue un élément indispensable de l'industrie moderne et des technologies de pointe. Elle améliore les caractéristiques de surface et les propriétés physiques des poudres, optimise les performances des matériaux et répond à des exigences multifonctionnelles. Actuellement, les technologies de sphéroïdisation des poudres sont présentes dans de nombreux domaines, notamment la pharmacie, l'agroalimentaire, la chimie, la protection de l'environnement, la science des matériaux, la métallurgie et l'impression 3D.
La préparation de poudres sphériques fait appel à plusieurs disciplines, dont la chimie, la science des matériaux et l'ingénierie. Vous trouverez ci-dessous un aperçu des principales technologies de sphéroïdisation des poudres.
1. Méthode de mise en forme mécanique
La méthode de mise en forme mécanique repose principalement sur des forces mécaniques telles que la collision, le frottement et le cisaillement pour induire une déformation plastique et l'adhérence des particules. Après un traitement continu, les particules se densifient. Leurs arêtes vives sont progressivement polies et arrondies sous l'effet d'impacts répétés.
Cette méthode utilise généralement des vitesses élevées broyeurs à percussion et des broyeurs à billes agitées pour préparer des poudres fines. Combiné au broyage à sec ou humide, il permet de produire des poudres plus fines. la taille des particules, une distribution granulométrique plus étroite et un certain degré de sphéroïdisation.
Le façonnage mécanique est largement utilisé pour la sphéroïdisation du graphite naturel, du graphite artificiel et des particules de ciment. Il convient également au broyage et à la production de poudres de métaux fragiles ou d'alliages.
Les matières premières utilisées dans cette méthode sont largement disponibles et peu coûteuses. Les ressources existantes peuvent être pleinement exploitées. Le procédé est simple, respectueux de l'environnement et adapté à une production à l'échelle industrielle. Cependant, la sélectivité de la méthode quant aux matériaux est limitée. La sphéricité, la densité apparente et le rendement après traitement ne peuvent être systématiquement garantis. Par conséquent, elle convient principalement aux poudres sphériques dont les exigences de qualité sont relativement faibles.
2. Méthode de séchage par pulvérisation
Le séchage par atomisation consiste à pulvériser un matériau liquide en fines gouttelettes. L'humidité s'évapore rapidement dans un flux d'air chaud, ce qui provoque la solidification des gouttelettes en particules.
Le séchage par atomisation présente l'avantage d'un procédé simple et d'un contrôle aisé des performances du produit. Cette méthode est principalement utilisée dans les domaines des explosifs militaires et des matériaux pour batteries.
3. Méthode de réaction chimique en phase gazeuse
Cette méthode utilise des matières premières gazeuses, ou des matières solides évaporées sous forme gazeuse. Chimique Les réactions génèrent les composés souhaités, qui sont ensuite rapidement condensés pour produire des poudres sphériques ultrafines.
La plage de températures de réaction est large. Elle peut être mise en œuvre à haute, basse ou même à température ambiante. Les produits obtenus présentent généralement une bonne structure cristalline et une microstructure uniforme. Il est possible de produire des poudres sphériques ultrafines (à l'échelle nanométrique).
4. Méthode hydrothermale
La méthode hydrothermale utilise un réacteur fonctionnant dans des conditions de haute température et de haute pression. L'eau ou des solvants organiques servent de milieu réactionnel.
En ajustant des paramètres tels que la température hydrothermale, le temps de réaction, le pH et la concentration de la solution, la taille des particules peut être efficacement contrôlée. Ses avantages comprennent l'adaptabilité à divers systèmes réactionnels et la possibilité de contrôler la taille, la morphologie et la cristallinité des particules.
Cependant, les conditions de réaction sont rigoureuses. Elles requièrent une température et une pression élevées, et nécessitent un équipement spécialisé. Ce procédé est principalement utilisé pour la préparation d'oxydes.
5. Méthode de précipitation
La méthode de précipitation repose sur des réactions chimiques en solution. Les ions métalliques se combinent à des précipitants spécifiques pour former de fines particules colloïdales semi-solides, créant ainsi un système de suspension stable.
En ajustant davantage les conditions telles que le vieillissement, une agitation lente ou la modification du milieu de la solution, les particules colloïdales s'agrègent et croissent progressivement. Elles tendent à se sphéroïdiser et forment des précipités sphériques primaires. Après séchage ou calcination, on obtient des poudres sphériques.
Cette méthode permet de contrôler la vitesse de croissance cristalline en phase liquide. Ainsi, la taille et la morphologie des particules peuvent être régulées. Elle convient à la préparation d'oxydes métalliques et d'autres matériaux. Un contrôle rigoureux des paramètres de réaction, tels que la température, la pression et le pH, est indispensable.
6. Méthode sol-gel
Le procédé sol-gel comprend généralement trois étapes : la préparation du sol, la formation du gel et l’obtention d’une poudre sphérique. Un traitement thermique ultérieur permet d’améliorer la structure et les performances. Un contrôle précis de la taille et de la morphologie des particules est ainsi possible.
Les poudres ainsi obtenues présentent une pureté élevée et une bonne monodispersité. Cette méthode est couramment utilisée en laboratoire pour la préparation de poudres ultrafines. Cependant, elle ne convient pas à une production de masse à grande échelle. Son application industrielle demeure donc limitée.
7. Méthode de microémulsion
La méthode de microémulsion est une technique de préparation biphasique liquide-liquide. Un solvant organique contenant des précurseurs est ajouté à la phase aqueuse pour former une émulsion à gouttelettes fines.
Par nucléation, coalescence, agrégation et traitement thermique, des particules sphériques se forment. Cette méthode est largement utilisée pour la préparation de nanoparticules et de matériaux composites organiques-inorganiques.
8. Méthode de sphéroïdisation de poudre par plasma
Avec le développement rapide des industries de haute technologie et la demande croissante de nanomatériaux et de nouveaux procédés de préparation, la chimie des plasmas a suscité un intérêt croissant.
La sphéroïdisation par plasma se caractérise par une température et une enthalpie élevées, une forte réactivité chimique et une maîtrise de l'atmosphère et de la température de réaction. Elle est particulièrement adaptée à la préparation de poudres sphériques fines et de haute pureté, et notamment aux métaux à point de fusion élevé.
Le procédé comprend les étapes de génération de plasma, de réaction chimique et de refroidissement rapide. Selon la méthode de génération de plasma, on distingue la sphéroïdisation par plasma thermique à arc continu et la sphéroïdisation par plasma à induction RF.
Les systèmes de traitement de poudres par plasma développés par Tekna au Canada sont à la pointe mondiale. Ils ont permis la sphéroïdisation de poudres métalliques telles que le tungstène, le molybdène, le nickel et le cuivre, ainsi que de poudres céramiques d'oxydes comme la silice et l'alumine.
9. Méthode d'atomisation des gaz
L'atomisation par gaz consiste à chauffer la matière première jusqu'à fusion. Un jet de gaz à grande vitesse impacte le liquide en fusion. L'énergie cinétique du liquide est instantanément convertie en énergie de surface, provoquant une fragmentation intense en de nombreuses gouttelettes.
Ces gouttelettes refroidissent et se solidifient rapidement au contact de l'environnement, formant des poudres sphériques de taille de particules uniforme.
Au départ, on utilisait des gaz comme l'air et la vapeur d'eau. Grâce aux progrès technologiques, l'atomisation par gaz inerte a permis de résoudre le problème de la préparation de poudres sphériques de métaux réactifs. Les poudres produites par atomisation par gaz inerte présentent une faible teneur en impuretés, des surfaces lisses, une bonne fluidité et une sphéricité élevée.
Les méthodes courantes d'atomisation des gaz comprennent l'atomisation par fusion par induction d'électrodes et l'atomisation par fusion sous vide de gaz inerte.
10. Méthode d'atomisation centrifuge
L'atomisation centrifuge utilise la force centrifuge pour disperser un film de métal en fusion en gouttelettes. Ces gouttelettes sont rapidement solidifiées par refroidissement par convection forcée à l'aide d'un gaz protecteur.
Elle comprend l'atomisation par disque rotatif et l'atomisation par électrode rotative à plasma. Parmi ces techniques, l'atomisation par électrode rotative à plasma est la plus répandue.
Dans ce procédé, une tige métallique anodique est montée sur un arbre rotatif à grande vitesse. Sous l'effet d'un arc plasma, le métal fond. Les gouttelettes en fusion se dispersent tangentiellement sous l'effet de la force centrifuge, puis se solidifient en poudres sphériques. L'ensemble du processus se déroule sous vide ou sous protection de gaz inerte.
11. Méthode d'atomisation ultrasonique pour la sphéroïdisation des poudres
L'atomisation ultrasonique utilise l'énergie des vibrations ultrasoniques pour disperser le métal en fusion en fines gouttelettes en phase gazeuse. Ces gouttelettes refroidissent et se solidifient ensuite en poudres métalliques sphériques.
Les poudres obtenues présentent une sphéricité élevée et une distribution granulométrique étroite. Comparée à l'atomisation par gaz inerte, l'atomisation ultrasonique ne nécessite pas de grandes quantités de gaz inerte pour la fragmentation. Elle produit moins de particules creuses et de particules satellites. Cependant, en raison d'un développement théorique encore incomplet, elle est principalement utilisée pour les métaux ou alliages à bas point de fusion.
12. Sphéroïdisation de la flamme de combustion des gaz
Cette méthode utilise des gaz combustibles industriels tels que l'acétylène, l'hydrogène ou le gaz naturel comme source de chaleur. Une flamme propre et non polluante de 1 600 à 2 000 °C est générée par un chalumeau à haute température.
La poudre prétraitée et qualifiée est introduite dans le four de sphéroïdisation. Des jets de gaz oxygène-combustible chauffent et font fondre la poudre à haute température. Après refroidissement, on obtient une poudre sphérique de haute pureté.
Cette méthode est principalement utilisée pour la production de micropoudres sphériques de silicium et de poudres sphériques d'alumine.
13. Méthode de combustion (VMC)
La méthode de combustion, également connue sous le nom de combustion de métal vaporisé (VMC), a été développée initialement au Japon. Elle utilise la combustion explosive de poudre métallique pour produire des microparticules d'oxyde sphériques.
Par exemple, la poudre de silicium métallique réagit directement avec l'oxygène pour produire des microsphères de silice fines et de haute pureté, avec une distribution granulométrique relativement contrôlable.
14. Méthode de coupe et de refusion du fil
Le procédé consiste à étirer un alliage de soudure en fils, puis à les découper en micro-segments uniformes. Ces segments sont ensuite placés dans un équipement de formage à gradient de température. Par refusion et solidification, ils forment des sphères standard.
Cette méthode offre une bonne maîtrise du procédé et un faible coût. Cependant, sa complexité entraîne une faible productivité. Elle exige une grande précision d'équipement. Des variations de diamètre du fil peuvent survenir lors du tréfilage. Enfin, son application est limitée aux matériaux ductiles et à basse température.
15. Méthode d'éjection par micro-orifice pulsé
La méthode d'éjection par micro-orifice pulsé est une technologie de génération de microgouttelettes utilisée pour préparer des particules sphériques monodisperses de taille micrométrique. Elle appartient à la catégorie des injections goutte à goutte à la demande actionnées par un dispositif piézoélectrique.
Des métaux fondus, des alliages ou des suspensions ont été utilisés comme matières premières pour produire des gouttelettes monodisperses.
Le principe de fonctionnement est le suivant : la matière première métallique est fondue dans un creuset en acier inoxydable. Le métal en fusion s’écoule dans le canal d’alimentation et remplit la section d’injection. Un gaz inerte est introduit dans le creuset afin de créer une surpression. Un signal impulsionnel est programmé. Sous l’effet de ce signal, la céramique piézoélectrique vibre. Cette vibration entraîne la déformation plastique de la plaque de pression, appliquant ainsi une pression d’extrusion au métal en fusion dans la section d’injection.
Un petit volume de matière fondue est expulsé par le micro-orifice situé au fond du creuset, formant des gouttelettes. L'amplitude de vibration étant identique pour chaque gouttelette, leur volume est quasiment le même. On obtient ainsi des poudres sphériques de taille uniforme.
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— Publié par Emily Chen