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1、 第三节特种陶瓷粉体制备方法 特种陶瓷粉体的制备方法 物理制备方法和化学合成法 固相法 热分解法 固相反应火花放电溶出法 液相法 沉淀法水热法溶胶 凝胶法喷雾法蒸发溶剂热法 气相法 化学气相反应法CVD 气体中蒸发法PVD 化学气相凝聚法CVC 溅射法 化学合成法 第三节特种陶瓷粉体制备方法 粉碎法 由粗颗粒来获得细粉的方法 通常采用机械粉碎 机械制粉 现在已发展到采用气流粉碎等 但是无论哪种粉碎方式 都不易制得粒径在1微米以下的微细颗粒 机械混合制备多组分粉体工艺简单 产量大 但得到的粉体组分分布不均匀 特别是当某种组分很少的时候 而且这种方法常常会给粉体引入杂质 第三节特种陶瓷粉体制备方法
2、 合成法 由原子 离子 分子通过反应 成核和成长 收集 后处理来获得微细颗粒的方法 化学制粉 特点 纯度高 粒度可控 均匀性好 颗粒微细 并且可以实现颗粒在分子级水平上的复合 均化 合成法可得到性能优良的高纯 超细 组分均匀的粉料 其粒径可达10nm以下 是一类很有前途的粉体 尤其是多组分粉体 制备方法 但这类方法或需要较复杂的设备 或制备工艺要求严格 因而成本也较高 第三节特种陶瓷粉体的制备 一 特种陶瓷粉末的机械制备法以机械力使原材料变细的方法在陶瓷工业中应用也极为广泛 陶瓷原料进行破碎有利于提高成型坯体质量 提高致密程度并有利于烧结过程中各种物理化学反应的顺利进行 降低烧成温度 主要介绍
3、两种 球磨法和气流粉碎法 第三节特种陶瓷粉体的制备 1 球磨法球磨法是十分常用的制取粉末的方法 但它也常常用来作为成型前的粉末准备工序 球磨机是工业生产普遍使用的细碎设备 也可用于混料 球磨的目的 1 提高原料粉的分散度 减小粒度 粉碎细化 2 球磨过程可以使各组分混合更均匀 混合均匀 3 由于粉末粒度变细 粉末颗粒内部的杂质暴露出来 有利于粉料的净化 除杂 球磨制粉包括四个基本要素 球磨筒磨球研磨物料研磨介质 球磨制粉 基本原理 在球磨过程中 球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料及介质上 相互间产生正向冲击力 侧向挤压力 摩擦力等 当这些复杂的外力作用到脆性粉末颗粒上时 细化过程实质上就是大颗
4、粒的不断解理过程 如果粉末的塑性较强 则颗粒的细化过程较为复杂 存在着磨削 变形 加工硬化 断裂和冷焊等行为 不论何种性质的研磨物料 提高球磨效率的基本原则是一致的 1 动能准则 提高磨球的动能2 碰撞几率准则 提高磨球的有效碰撞几率 球磨制粉的2个基本原则 球磨工艺方法使用球磨机 滚筒式 行星式 搅拌式和振动式等球磨机 加磨球 钢球 玛瑙球 锆球等 与介质 水 酒精等 对原料进行机械混合或粉碎 为了保证原材料的纯度 经常采用陶瓷作为衬里 也可采用高分子聚合物材料作为衬里 球磨工艺原理磨球靠电动机产生离心力 摩擦力和地心引力的共同作用 形成碰撞 循环翻动和自转等运动 使介于其中的粉料受到冲击和
5、摩擦研磨 从而达到混合与粉碎细化 机械能转换为粉料的表面能和缺陷能 能量转换过程 第三节特种陶瓷粉体的制备 球磨的最大缺点是研磨过程中 由于球与球 研磨体 球与筒 球与料以及料与筒之间的撞击 研磨 使球磨筒和研磨球本身被磨损 磨损的物质进入原料成为杂质 这种杂质有时可用酸洗的方法去掉 但当被磨原料也与酸发生作用 或球磨筒和研磨体材料不与酸作用时 那么这种杂质就很难去除 机械粉粹法 滚筒球磨 振动磨 行星磨 搅拌磨 气流磨 高能球磨 一 滚筒式球磨机 滚筒式球磨机对粉料作的功 1 磨球自由落体撞击功 2 球 球 球 内衬之间的滚动 碾压 磨擦功 一 滚筒式球磨机 影响球磨效率的主要因素 1 临界
6、转速 2 磨球的直径级配 3 水与电解质的加入量 4 装载量5 球磨时间 6 磨球与内衬的质料 影响球磨效率的主要因素 1 球磨机转速 球磨机转速直接影响磨球在筒内的运动状态 由图a可以看出 转速过快 磨球附着在磨筒内壁 失去粉碎作用 转速太慢 图b 低于临界转速太多 磨球在磨筒内上升不高就落下来 粉碎作用很小 当转速适当时 图c 磨球紧贴在筒壁上 经过一段距离 磨球离开筒壁下落 给粉料以最大的冲击与研磨作用 具有最高的粉碎效率 球磨机转速对球磨效率的影响 第三节特种陶瓷粉体的制备 球磨机的临界转速N与球磨筒内径D m 有关 它们之间的经验关系式为 D 1 25m时 N 35 D0 5 大型球
7、磨机 D 1 25m时 N 40 D0 5 临界转速随磨机直径增大而减小 目前尚没有得到大家公认的 能反映球磨机直径 入磨物料性质及粒度 衬板形状的磨机实际转速计算公式 球磨机的临界转速 球磨机中最外层钢球刚刚随筒体一起旋转而不下落时的球磨机转速称为临界转速 用N表示 单位是r min 实际上是使最外层球也不会发生离心运转的筒体最高转速 2 磨球 a 球磨时加入磨球越多 破碎效率越高 但过多的磨球将占据有效空间 导致整体效率降低 b 磨球的大小以及级配与球磨筒直径有关 用公式表示 D 磨筒直径 24 d 磨球最大直径 90d0 原料粒度 c 磨球的比表面积越大 研磨效能越高 但也不能直径太小
8、必须兼顾磨球对原料的冲击作用 d 磨球的比重越大球磨效果越高 第三节特种陶瓷粉体的制备 3 水与电解质的加入量 湿磨时水的加入对球磨效率也有影响 当料 水 1 1 16 1 2 时球磨效率最高 为了提高效率 还可加入电解质使原料颗粒表面形成胶粘吸附层 对颗粒表面的微裂缝发生劈裂作用 提高破碎效率 4 装载量 球磨机中磨球 水和原料的装载量对球磨效率有很大影响 通常总装料量占磨筒空间的4 5 而原料 磨球 水的重量比为1 1 2 1 5 1 0 1 2 5 球磨时间 并非越长越好 一般为24 48小时 时间长杂质混入较多 6 磨球与内衬的质料常用的研磨体材料 氧化铝 Al2O3 氧化锆 ZrO2
9、 玛瑙 SiO2 氧化锆增韧氧化铝 钢球等材料 下表给出了某些瓷介质研磨体的性能 滚筒式球磨工艺优缺点优 设备简单 混合料均匀 粒形好 圆形 缺点 研磨体在有限高度泻落或抛落 产生撞击力和磨剥力 作用强度较弱 筒体转速受临界转速限制 即碾磨能力也受到限制 不起粉碎作用的惰性区较广 间歇作业 各种球磨机的粉碎程度粗磨 50 10 m细磨 10 2 m超细磨 2 m 搅动球磨又称为砂磨 磨筒是用水冷却的固定筒 内装研磨球 做圆周运动的搅拌器对研磨介质和料浆做功 使球产生相当大的加速度冲击物料 物料既受到撞击力又受到剪切力的双重作用 因而研磨作用很强 二 搅动式球磨机 搅动球磨机结构示意图 2 影响
10、搅动球磨效率的主要因素搅动球磨主要以剪切 滚碾磨擦为主 故中轴转速 磨体直径 指球形 及数量对球磨效率有重要影响 磨球直径 一般为 2 5mm 以 2 3mm为佳 磨球数量 比球磨 振磨要多 转速 一般1000转 分 特点 1 研磨时间短 效率高 是滚筒式的10倍 2 物料的分散性好 微米级的颗粒粒度非常均匀 3 能耗低 为滚筒式的1 4 4 生产中易于监控 温控极好 5 对于研磨铁氧体磁性材料 可直接用金属磨筒及钢球介质进行研磨 1 惯性式振动磨机基本结构 三 振动球磨机 振动球磨机是由激振器产生的高频圆振动 使球磨机内的研磨介质产生了由高速自转和低速公转组合的高强度旋转冲击运动 这种复合运
11、动对物料形成强力冲击破碎和研磨作用 一般可将物料研磨到微米甚至亚微米级 粒度分布范围窄 振动磨工作时电机带动主轴高速旋转 主轴上的偏心重块产生的离心力迫使筒体振动 筒体内的装填物由于振动不断地沿着与主轴转向相反的方向循环运动 使物料不停地翻动 同时研磨体还做剧烈的自转运动 并具有分层排列整齐的特点 特别是高频时 研磨体运动剧烈 各层空隙扩大 几乎呈悬浮状态 筒体内的物料剧烈且高频率的撞击和研磨作用 首先产生疲劳裂纹并不断扩展最终破碎 2 惯性式振动磨机粉碎原理 振磨工艺原理 av为垂直线加速度 F为料斗与下落磨球相互作用力 3 影响振磨效率的主要因素影响振磨效率的主要因素有球质量 振磨振动频率
12、及振动幅度 振动幅度加大 磨球的上抛高度加大 加强了磨球下落的冲击力 振动频率提高 单位时间研磨次数增多 加强了滚动磨擦 振磨工艺原理 振动频率与粉料比表面积的关系 粉料对振幅与振动频率的要求 1 较粗的粉料进行粉碎时需要较大冲击力 因此要求振幅大 同时粉碎前期粉料较粗 因而前期振幅要大以提高效率 2 较细粉料的粉碎需要大量滚碾磨擦 因而希望振动频率高些 破碎后期一般粉料较细 因而破碎后期振动频率要高以提高效率 振磨工艺原理 4 振磨工艺优缺点优 粉料在单位时间内受研磨体的冲击与研磨作用次数极大 其作用次数成千倍于球磨机 因此粉碎效率很高 粉碎粒度细 混入杂质较少 一方面粉碎是靠疲劳破坏而粉碎
13、 另一方面由于研磨效率高 所用时间短 因此减少了混入杂质的可能性 缺 粒形较差 呈棱角 混合效果及均匀度较球磨差 振动噪音大 机械零件易疲劳而损坏 装料尺寸应小于250 m 60目筛 振磨工艺原理 5 振磨机的粉碎程度当进料尺寸不大于250 m 则成品料平均细度可达2 5 m 球磨与振磨比较其粉碎粒度要小得多 但是效率也较低 振磨工艺原理 四 行星式球磨机 行星式球磨机是在一转盘上装有四个球磨罐 当转盘转动时 球磨罐中心轴作行星运动 罐中磨球在高速运动中研磨和混匀样品 特点 1 进料粒度 18目左右 出料粒度 小于200目 最小粒度可达0 5微米 2 球磨罐转速快 不受罐体尺寸限制 球磨效率高
14、 公转 37 250r min 自转 78 527r min 第三节特种陶瓷粉体的制备 五 气流粉碎气流粉碎技术研究在国外已有近一个世纪的历史 而我国是在20世纪80年代才开始研究 起步较晚 气流粉碎又称冷流粉碎 能将物料粉碎到5微米以下 如果用超音速气流来粉碎 粒度可达0 1 0 5微米 最广泛使用的粉碎方法用于无须化学反应时获得粉体颗粒尺寸范围0 1 0 5 m粒度均匀 管道式气流粉碎机结构示意图 从喷嘴中射出的高速射流 因体积膨胀而降低了压力 加快了流速 更因为射流的切向分速度 导致气流带着物料在环形管中做快速的循环流动 含有物料的混合气流经过上升管道至弧形分级区域 混合气流中的物料在离
15、心力的作用下 根据颗粒粗细不同而自行排列 粗颗粒靠向管道的外侧 细颗粒靠向内侧 这样分布在向内侧逐渐减小的不同半径上 形成层流 当混合气流经过弧形分级区域到达出口处时 气流突然改变方向 已经达到一定粒度的粉末 随同废气排出 而粗的颗粒 当它跟惯性分离器的的挡板碰撞后 即被弹开 落到下降气流中 因它始终被抛向管壁的外侧 故一经转弯就立即下降 于是下降气流把它们再次送到粉碎区域 如此循环不息 直到达到一定粒度 被排出机外 物料在管道内 般要循环2000一2500次 第三节特种陶瓷粉体的制备 3 气流磨工艺优缺点优点 1 干磨式粉碎 粉碎平均粒径大约1 m 粒度分布狭窄陡直 2 可以连续操作 产量大
16、 效率高 机械磨损少 很适合对坚硬物料 莫氏硬度9 5 的加工 3 因为没有研磨体 物料不会受到污染 缺点 粉尘多 噪音较大 对环境有污染 由于粉碎过程中物料与气流充分接触 粉碎后物料吸附的气体很多 且表面十分发达 所以粉末使用前要排除吸附的气体 2 气流磨粉碎机粉碎原理 六 高能球磨 高能球磨high energyballmilling是利用球磨的转动或振动 使硬球对原料进行强烈的撞击 研磨和搅拌 把粉末粉碎为纳米级微粒的方法 高能球磨法一经出现 就成为制备超细材料的一种重要途径传统上 新物质的生成 晶型转化或晶格变形都是通过高温 热能 或化学变化来实现的 机械能直接参与或引发了化学反应是一种新思路 其基本原理是利用机械能来诱发化学反应或诱导材料组织 结构和性能的变化 以此来制备新材料 作为一种新技术 它具有明显降低反应活化能 细化晶粒 极大提高粉末活性和改善颗粒分布均匀性及增强体与基体之间界面的结合 促进固态离子扩散 诱发低温化学反应 从而提高了材料的密实度 电 热学等性能 是一种节能 高效的材料制备技术 至今已经用机械化学研制出超饱和固溶体 金属间化合物 非晶态合金等各种功能材料
