机械球磨在工业运用已逾百年，它可研磨出超细的粉末材料，但存在效率低、生产时间长、污染大等诸多痛点。20多年前，华南理工大学朱敏教授团队便开始尝试将前沿的等离子技术运用到机械球磨中，改良球磨的各项性能。
为推动科技成果转化，团队和相关企业合作成立广东华欣材创科技有限公司。近期，该公司发布了全球首台100L连续生产型等离子球磨机。这标志着等离子球磨机从实验室科研走入工业级应用，为高端粉末的大规模制备奠定了技术基石。
本期《科技周刊》，我们来一探等离子技术如何与工业生产相结合，推动制造业高质量发展。
何为等离子球磨
利用高能带电粒子“轰碎”材料
朱敏教授告诉记者，等离子态是物质除固态、液态、气态之外的第四态，等离子体主要是由电子、离子、原子和中性粒子组成的电离气体，具有高度的导电性和响应电磁场的能力。“等离子体自被发现后，已被广泛应用于很多领域，而我在2000年左右就有了将等离子体应用到球磨上的想法。”
朱敏教授告诉记者，普通球磨已经应用上百年，主要方法是在球磨罐内加入磨球，再通过转动、振动等方式，让磨球反复撞击材料，最终将材料磨成粉末，属于纯机械力的“硬砸”。“我接触球磨技术很早，它的弊端主要是效率低、污染大。我就设想，若能将等离子技术加入球磨罐，球磨罐就可以靠‘电—热—力’协同作用一起磨材料：除了机械力，罐内还能产生冷场等离子体。高能粒子轰击材料，就能实现快速制备微纳米粉体材料的功能。同时，等离子体还具有激活材料表面活性等功能，这可以催生很多新材料。”
磨球
但当时，国际上并没有生产制造等离子球磨的先例，朱敏教授团队从零开始研发。2003年起，他带领手下的博士生经过2年多的科研攻关，做出等离子球磨机的原型机，“在这个基础上，我和一代代学生不断去尝试改进设备，并尝试用它生产不同的新材料，并验证这些材料的性能。”
2016年，随着机器越来越成熟，这套设备开始在华工的一所校办工厂进行试产，并对外销售。等离子球磨的容积仅为200mL，销售对象主要是一些科研单位，作新材料的前沿研究之用。
后来，随着一些粉末展现出特殊性能，很多工厂希望，能购买大型等离子球磨，服务于工业场景，“他们认为我们的等离子球磨机球磨功能非常好，但就是太小了。为此，我们这些年主要的工作就是将等离子球磨机放大，并验证其功能。”
2023年，朱敏教授团队联合行业龙头欣旺达电子股份有限公司，共同成立广东华欣材创科技有限公司，开展大型等离子球磨的研发和生产。近3年来，团队生产的等离子球磨机容积从200mL/500mL、1.5L/3L、20L，一直跃升至如今的100L连续生产型设备。
等离子球磨效率提升近10倍
广东华欣材创的副总经理杨小平告诉记者，团队研发的等离子球磨有多项突出优势。
第一是生产效率大幅提升，在等离子技术的加持下，其研磨效率比普通球磨提升了近10倍，传统球磨研磨材料需几十小时，现在几小时即可搞定。
第二是研磨纯度更高，球磨罐可以实现无氧环境、防止材料氧化，由于球磨时间缩短，杂质污染也大幅减少，同时研磨物体的颗粒度也可以更细，“普通球磨通常用于实现10微米级的颗粒直径，而等离子球磨的研磨颗粒度最高可达到纳米级。”
第三是材料活性增强，通过等离子体的带电粒子轰击，粉体表面的活性大幅提升，制备出的粉体材料其烧结、反应、催化等性能也能更好。
第四是一机多用，利用等离子球磨，可以一步实现“机械球磨”+“等离子球磨”+“等离子表面改性”三项功能，“目前，已有100多所高校和科研机构应用我们的等离子球磨。”杨小平说。
第五是在能耗更低、实现同样效果的前提下，耗电更少。
应用：新能源材料、增材制造、电子材料
杨小平介绍，等离子球磨在新能源领域可以用于研发生产锂电池正负极材料、固态电池材料和储氢合金材料。
在一些智能制造领域，它可以制备3D打印金属粉末、制备超硬质合金等。
在电子材料领域，等离子球磨可以用来研发生产电子封装陶瓷、导热导电、片状吸波材料等。
在矿产冶金方面，等离子球磨能实现矿物细化以及稀有金属高效利用。
高能粒子流示意图
攻克难关打开“能量—体积—污染”制约死结
朱敏教授告诉记者，团队20年来实现了等离子球磨的原理原创突破，首次提出并验证等离子+机械球磨耦合机制，并建立了完整的理论体系。从实验室（200mL）到工业化放大（100L）的过程中，团队也解决了一系列难题，“我们解决了大体积腔体里均匀放电、产生稳定等离子场的难题，还攻克了球磨机‘能量—体积—污染’三者相互制约的行业死结。更为重要的是，我们实现了等离子球磨的工业化连续生产，机器可以24小时连续运转，同时实现智能控制、低噪音、易维护等功能。”
记者在现场看到，华欣材创目前有各种型号的等离子球磨机，球磨罐的容积从200mL到100L不等，球磨罐还配套有自动化的上料和出料设备。当粉末加工完后，机器可以自动上下料，球磨机还配有智能操作系统，可以实现全流程自动控制、在线监测和数据化生产。
球磨罐
“目前，公司的100L机型在4月15日正式发布，已进入量产阶段，并收获不少意向订单。而我们的20L机型则是在2025年发布，目前已量产交付，覆盖全国多所高校、院所和企业。100L连续生产型等离子球磨的生产效率较以往提升了近10倍，单批次处理量更大，基本满足工业量产。”杨小平告诉记者。
朱敏表示：“我们认为，公司的等离子球磨系列产品，正是校企紧密配合与有组织科研所诞生的重要成果。在这场有组织科研中，大家分工清晰，高校主要负责基础研究、机理突破、专利布局和小试工艺，企业主要负责将设备工程化、装备设计、生产制造、市场验证和客户对接。我们的科研导向也非常明确，就是从实验室直接瞄准工业化量产，做有用的科研。20年来，我们最终形成了‘基础研究→技术发明→装备研制→小试中试→产业化’的闭环。”
等离子球磨机“越磨越大”
未来：吨级！
杨小平告诉记者，目前等离子球磨在国内正与新能源、电子电器等行业龙头签订意向订单，并开展战略合作。等离子球磨还推广到海外，进入韩国、新加坡和美国市场，与国际材料企业、科研机构深度合作。
“去年，我们推出20L产品后，市场反响热烈，而今年随着100L产品的推出，正式吹响面向工业化的号角。”杨小平告诉记者，未来团队将开发300L、600L甚至吨级的连续化等离子球磨机型，以满足超大规模的工业化生产，同时还将融合“AI+大数据”，实现“材料设计—制备—优化”的全流程自动化。针对电池、氢能、电子材料等行业，团队还将开发定制化机型与工艺包。团队也将追求更低能耗，进一步优化等离子电源、振动系统、控制系统等，让能耗再降30%以上；团队将加速国际专利布局，推动中国高端装备走向全球。
科研机构谈创新
切割、喷涂、育种……等离子技术“跨界”赋能百业
除了利用等离子技术制备新型球磨机，等离子技术如今还在半导体与电子信息产业、材料加工与表面处理、新能源、环境工程、医疗、生物材料处理、农业等科技领域有着广泛的应用。比如等离子切割、焊接，就是利用高温等离子弧切割金属，具有精度高、速度快的优势。
等离子喷涂技术可以在航空发动机叶片、汽车零部件表面制备耐磨、耐高温涂层；在废气处理领域，可利用等离子体分解挥发性有机物等有害气体。而等离子体医学则利用低温等离子体，进行伤口消毒、止血、促进愈合，以及肿瘤治疗研究；在农业与食品领域，可利用等离子技术提高种子发芽率和抗逆性；在食品保鲜方面还可以利用低温等离子体杀菌，延长保质期，减少化学防腐剂使用。
100L连续生产型等离子球磨机
广州还有很多新型研发机构进行等离子技术的科技成果转化。广东省新兴激光等离子体技术研究院相关负责人介绍，研究院是由广州市人民政府、白云区人民政府和北京大学合作共建的新型研发机构。依托北京大学的科技创新资源，结合广州产学研发展优势，聚焦激光、等离子体领域，通过构建原始创新、关键技术创新、系统集成创新、工程化研发与转移转化的完整创新价值链，促进激光技术、等离子体技术、核技术与医学、工业、电子及材料等学科的交叉融合，提升产业化速度。目前，研究院正力争打造我国最具代表性、在世界范围内具有重要影响力的综合性研究和创新中心，集科技创新、人才聚集、服务支撑、产品培育、企业孵化于一体，促进广东省激光、等离子体技术相关新兴产业发展。
广州在等离子技术领域已形成较为完整的产业生态，涵盖半导体设备、表面处理、热喷涂加工、焊接切割等多个方向。例如，广东晟鼎智能装备股份有限公司生产等离子清洗机、等离子去胶机、微波等离子清洗机等产品，主要用于半导体制造、LED、6C、FPD、玻璃盖板、电子电路、材料、医疗等领域表面性能处理及检测整体解决方案。广州市润信焊接科技公司等企业则主要生产等离子切割机。广州市也有企业利用等离子技术进行废气治理。
硬核工作室出品
文/广州日报新花城记者：武威
图/广州日报新花城记者：王维宣（示意图由AI生成）
