顆粒超細(xì)粉碎過(guò)程中粉料粒度變化規(guī)律的研究

顆粒超細(xì)粉碎過(guò)程中粉料粒度變化規(guī)律的研究

陶瓷材料的原料薄料的厚度是影響其切割特性的重要指標(biāo)。原料粉料越細(xì),燒結(jié)性能越好,有利于形成均勻良好的組織結(jié)構(gòu)。一般的燒結(jié)技術(shù)要求粉料平均粒徑至少是亞微米的量級(jí),既0.1～1.0μm。燃燒合成法(self-propagatinghigh-temperaturesynthesis,SHS)制備Si3N4以其較好的燒結(jié)特性和價(jià)格低廉的成本優(yōu)勢(shì)受到人們的青睞。其α相Si3N4含量較低的粉料生產(chǎn)成本更低,因此也更具實(shí)用優(yōu)勢(shì)。但有廠家生產(chǎn)的該粉料因平均粒徑大、粒度分布差(平均粒徑4μm左右,粒度分布成雙峰馬鞍型),而使其應(yīng)用受到了限制。本研究中采用球磨的方法,對(duì)該粉料進(jìn)行了超細(xì)化處理,將粉料細(xì)化到了亞微米級(jí)超微粉體。并采用幾種不同磨機(jī)進(jìn)行比較。用激光粒度儀測(cè)試了不同研磨時(shí)間的粒度,用BET(氮吸附法)的方法對(duì)超細(xì)粉碎前后的粉體比表面積進(jìn)行了測(cè)量,用掃描電鏡觀察了粉料超細(xì)粉碎前后的微觀形貌。1研磨粒度檢測(cè)實(shí)驗(yàn)使用燃燒合成法制備α相含量為60%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),以下同)的氮化硅粉料(寧夏鑫鴻翔公司生產(chǎn))。以90%的水、0.2%PMAA(聚甲基丙烯酸)、磨介用氮化硅球300%的比例配好磨料,放入嵌有聚四氟乙烯內(nèi)襯的球磨罐或尼龍罐中,在立式攪拌球磨機(jī)和兩個(gè)大小行星球磨機(jī)中分別進(jìn)行研磨。研磨時(shí)間分別為5、10、15、20、25、…、50、100h。分別取樣進(jìn)行粒度檢測(cè)分析。研磨達(dá)到所需要的粒度后,停止研磨。將漿料過(guò)篩濾除磨介,烘干后磨碎漿塊再過(guò)篩。取研磨前的粉料和研磨后的d50=0.515μm的典型樣檢測(cè)其比表面積,并觀測(cè)其顯微形貌。實(shí)驗(yàn)設(shè)備:立式攪拌球磨機(jī)(實(shí)驗(yàn)室用,簡(jiǎn)稱立式磨機(jī));QM-1行星球磨機(jī)(南京大學(xué)儀器廠,簡(jiǎn)稱小行星磨機(jī));QM-1SP12行星球磨機(jī)(南京大學(xué)儀器廠,簡(jiǎn)稱大行星磨機(jī));粒度用MICROTRAC-X100粒度儀(美國(guó))檢測(cè)分析;比表面積用ASAP2010全自動(dòng)物理吸附分析儀(美國(guó))檢測(cè);顯微形貌用SS-550掃描電鏡(日本)觀察。2結(jié)果與討論2.1研磨時(shí)間的影響實(shí)驗(yàn)所用氮化硅原始粉料的粒度及不同研磨時(shí)間的粒度測(cè)試在結(jié)果列于表1中。圖1所示為不同磨機(jī)研磨不同時(shí)間后的粉料粒徑d50的變化趨勢(shì)。從表1中可看出,立式球磨機(jī)研磨5h時(shí),粉料的粒度已經(jīng)減小到大約0.7μm(0.696μm)的量級(jí),而小行星球磨機(jī)與大行星球磨機(jī)分別在15h以后和35h才降致0.7μm的量級(jí)。粉料細(xì)化到0.5μm亞微米級(jí),立式磨機(jī)需要研磨15h,而小行星磨機(jī)與大行星磨機(jī)分別需要研磨30h和50h左右的時(shí)間。說(shuō)明行星磨的效率比立式球磨機(jī)的效率低得多。隨研磨時(shí)間的增加,粉料的粒度細(xì)到一定程度(d50=0.5μm)左右時(shí),很難再細(xì)化。圖1很明顯地表示了這一點(diǎn)。從圖還可看出,3個(gè)磨機(jī)在40h以前隨研磨時(shí)間增長(zhǎng)其粒度減小的量均有變緩趨勢(shì),但從立式、小行星到大行星磨,這種趨勢(shì)越不明顯。大行星磨在磨了100h時(shí),粒度也降到了0.5μm以下,說(shuō)明其雖然研磨效率低,但隨研磨時(shí)間的增長(zhǎng),粒度還一直呈減小趨勢(shì)。圖中還表現(xiàn)出了小行星磨機(jī)隨研磨時(shí)間進(jìn)一步的延長(zhǎng),檢測(cè)到的粉料粒度不減小反而增加。這是由于粉料細(xì)到一定程度會(huì)發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象所致。行星球磨機(jī)比立式球磨機(jī)研磨效率低的原因在于,該設(shè)備原本是用于混料的設(shè)備,它的轉(zhuǎn)速以及粉料在罐內(nèi)所受摩擦力與立式球磨機(jī)有很大區(qū)別:立式磨機(jī)轉(zhuǎn)速快(約800r/min),在高速旋轉(zhuǎn)的攪拌桿的作用下,磨球?qū)Ψ哿鲜┬屑羟?、撞擊和摩擦等作用使物料粉碎。這種作用是強(qiáng)行的。而行星球磨機(jī)由于其轉(zhuǎn)速較低(約150～180r/min),是通過(guò)球磨罐進(jìn)行行星式運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的離心力作用于粉料和磨球,使之飛向罐壁產(chǎn)生撞擊效應(yīng),達(dá)到粉碎物料的目的。這種作用來(lái)自于慣性運(yùn)動(dòng)。由以上不同可見,所用行星球磨機(jī)所產(chǎn)生的對(duì)粉料撞擊和摩擦等力比立式球磨機(jī)應(yīng)小得多,所以研磨效率比立式磨機(jī)低。在研磨過(guò)程中,在3個(gè)磨罐內(nèi)都不同程度地聞到了氨味。在立式磨機(jī)中氨味最輕,行星磨機(jī)中氨味較濃,且研磨時(shí)間越長(zhǎng),氨味越濃。這是由于隨研磨時(shí)間的增長(zhǎng),粉料粒徑變小、比表面積增大,增加了粉體表面活性,還由于摩擦產(chǎn)生了熱量,這均會(huì)使顆粒表面自由能增高,氮化硅會(huì)與水產(chǎn)生如下反應(yīng),產(chǎn)生了氨氣:立式磨機(jī)中氨味淡是因?yàn)檠心r(shí)間短行星磨機(jī)短得多。原始粉料及研磨后典型的粒度分布在圖2中表示。從圖中可看出,原始粉料的粉粒度很大,且分布很差呈馬鞍形。而經(jīng)細(xì)化后的粒度分布好,呈狹窄的單峰正態(tài)分布。但在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn),立式球磨機(jī)磨5h和行星球磨機(jī)研磨30h左右的粉料粒度分布峰形頂端稍差,如圖2(b),呈小雙峰形,但在10h時(shí)峰形變好。說(shuō)明立式球磨機(jī)將該粉研磨5h以后到10h左右才可得到分布峰形較好的亞微米級(jí)粉料,而大行星磨則需要50h,如圖3(d)。2.2前的比表面積用BET法測(cè)得的粉料超細(xì)粉碎前后的比表面積分別為:細(xì)化前的比表面積:9.8814m2/g;細(xì)化后的比表面積:13.0934m2/g。從檢測(cè)結(jié)果可知,細(xì)化后粉料的比表面積得到了很大提高,這會(huì)使燒結(jié)活性得到很好地改善。2.3粉料顆粒尺寸的變化細(xì)化前后的粉料形貌用掃描電鏡觀測(cè)的結(jié)果分別如圖3所示。從圖中可看出,未細(xì)化粉料中有長(zhǎng)達(dá)3μm以上的大粗顆粒,也有細(xì)小顆粒,呈兩極分化。而細(xì)化后的粉料顆粒尺寸比細(xì)化前的要小得多,粒徑尺寸在0.1～1μm的范圍,大多數(shù)在0.5μm以下。這與檢測(cè)結(jié)果一致。而且均勻,呈等軸晶狀。從以上的分析結(jié)果均可看出,粉料經(jīng)過(guò)研磨后,得到了很好的細(xì)化。粒度d50從約4μm降到了0.5μm左右。粒度測(cè)試、比表面積的測(cè)試及電鏡顯微觀察均得到了同樣的結(jié)果。3研磨粒徑的變化1)平均粒度4μm左右的氮化硅粉料,通過(guò)球磨細(xì)化到亞微米級(jí),其平均粒徑達(dá)到0