陶瓷工藝學(xué)：第一章 粉體制備與性能表征-破碎法制粉

陶瓷工藝學(xué)

1.2破碎法制粉一個(gè)塊狀固體破碎成粉體的基本工藝路線為：表1-1細(xì)碎設(shè)備及粒度范圍1.2.1滾筒式球磨一種陶瓷工業(yè)中廣為使用的粉碎方法。1.2.1.1基本結(jié)構(gòu)

圖1.2滾筒式球磨機(jī)示意圖1－電動(dòng)機(jī)；2－離合器操縱桿；3－減速器；4－摩擦離合器；5－大齒圈；6－筒身；7－加料口；8－端蓋；11－主軸頭；12－軸承座；13－機(jī)座；14－襯板；15－研磨體。1.2.1.2工作原理將待粉碎的粉體裝入一個(gè)圓柱形的筒體（罐體）中，同時(shí)還裝入一些硬質(zhì)的、稱作為研磨體的塊體；然后使筒體繞其軸心轉(zhuǎn)動(dòng)。由于粉、研磨體與筒體間的摩擦力，帶動(dòng)粉、研磨體也隨著一起運(yùn)動(dòng)。但由于受到重力作用，粉、研磨體又相對(duì)于筒體向下滑動(dòng)。a磨削b錘擊

圖1.3球磨原理形成如圖1.3（a）所示的動(dòng)態(tài)分布，此時(shí)粉體的顆粒之間、顆粒與罐體之間、顆粒與研磨體之間存在相對(duì)滑動(dòng)，與此滑動(dòng)伴隨著摩擦力。此摩擦力對(duì)粉體有磨削作用。如果轉(zhuǎn)速適當(dāng)，有些研磨體被帶至一定高度后，會(huì)離開(kāi)粉體，向下拋擲，對(duì)落地的粉體產(chǎn)生錘擊（見(jiàn)圖1.3（b）)。磨削和錘擊造成粉體顆粒破碎變細(xì)。

磨削使顆粒失去棱角，錘擊使顆粒一分為幾。顯然錘擊是一種更為有效的粉碎機(jī)制。1.2.1.3主要工藝參數(shù)1)研磨體與粉體的重量比例（簡(jiǎn)稱球料比）該比例越大，效率越高。2)研磨體與粉體的總體積與罐體內(nèi)腔的比例一般以2/3為佳。錘擊機(jī)理要求研磨體拋落時(shí)有一定的空間距離。3)罐體的轉(zhuǎn)速（有最佳值）圖1.4罐體轉(zhuǎn)速對(duì)研磨體運(yùn)動(dòng)方式的影響討論：轉(zhuǎn)速很低時(shí)研磨體只作滑動(dòng)。只有磨削，粉碎效率很低；轉(zhuǎn)速稍為提高時(shí)研磨體滾動(dòng)，磨削加劇，粉碎效率也不高；轉(zhuǎn)速適當(dāng)時(shí)研磨體作自由落體運(yùn)動(dòng)，錘擊作用最強(qiáng)，粉碎效率很高；轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)粉料隨罐一起運(yùn)動(dòng)時(shí)，研磨體貼在罐壁，既無(wú)磨削，又無(wú)錘擊，沒(méi)有粉碎效果。研磨體剛好貼在罐壁一起運(yùn)動(dòng)時(shí)的罐體轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。

n臨界=42.4/D（r.min-1）(1-1)其中D為球磨罐的內(nèi)徑（m）。理想的轉(zhuǎn)速為：

n=0.7---0.75n臨欲使錘擊效果最好

0.6n臨界欲使磨削效果最佳

圖1.5粉體平均粒徑與球磨時(shí)間關(guān)系4)球磨時(shí)間球磨是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，以量變的積累，獲得最終的粉碎效果。球磨2天、5天是常有的事。粉體的平均粒徑與時(shí)間的關(guān)系見(jiàn)圖1.5。

球磨時(shí)間越長(zhǎng)，顆粒的平均粒徑越細(xì)，粉碎速率（單位時(shí)間內(nèi)顆粒的平均粒徑的減少值）越來(lái)越低。平均粒徑最后趨于一個(gè)極限尺寸DL。過(guò)長(zhǎng)的球磨時(shí)間并無(wú)必要。所有的粉碎工藝都有極限尺寸。為什么會(huì)有極限尺寸？球磨過(guò)程有兩種趨勢(shì)：輸入機(jī)械能，打斷顆粒內(nèi)部的化學(xué)鍵，使顆粒有不斷破碎的趨勢(shì)；顆粒變小以后,表面能增加，使顆粒不穩(wěn)定，機(jī)械能的輸入可以幫助小顆粒碰撞重新結(jié)合成較大的顆粒，這樣使顆粒有長(zhǎng)大的趨勢(shì)。

在球磨早期，顆粒尺寸較大，破碎的趨勢(shì)占主導(dǎo)，平均粒徑不斷變小.隨著顆粒尺寸不斷變小，顆粒的強(qiáng)度越來(lái)越大，越不容易破碎，使破碎的趨勢(shì)減弱；與此同時(shí)，由于表面能不斷增加，顆粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)增強(qiáng)，使平均粒徑變小的速率不斷減慢；此消彼長(zhǎng)，最后破碎的趨勢(shì)與長(zhǎng)大的趨勢(shì)一樣強(qiáng)，顆粒平均粒徑處于動(dòng)態(tài)平衡，不再隨時(shí)間而變，形成所謂極限尺寸。

在普通球磨中，由于臨界速度的限制，機(jī)械能的輸入受到限制，極限尺寸較大，一般大于1微米。5)研磨體的種類研磨體通常采用硬度和密度都較大的材料制備，如剛玉（氧化鋁）、瑪瑙（氧化硅）、氧化鋯、硬質(zhì)合金等。表1.2各種瓷質(zhì)研磨體的性能表1.3瓷質(zhì)研磨體的形狀及部分規(guī)格

研磨體的硬度、密度、尺寸大小和形狀對(duì)粉碎效率有影響。

圖1.6粉體比表面積與研磨體形狀的關(guān)系(被粉碎物料為經(jīng)1550℃預(yù)燒、α-Al2O3含量為99%-100%的Al2O3粉)1-用直徑為22mm的剛玉球；

2-用直徑為13mm、長(zhǎng)為40mm的剛玉棒；

3-用直徑為8.5mm的剛玉球.6)采用特殊介質(zhì)在球磨罐中，通常加入除待磨粉體、研磨體之外的第三種物質(zhì)（氣態(tài)的、固態(tài)的或液態(tài)的）?；灸康挠校罕Ｗo(hù)粉體或助磨。助磨助磨劑，可以提高粉碎效率的添加劑，通常是表面活性介質(zhì)。助磨機(jī)制粉碎過(guò)程實(shí)際上是顆粒內(nèi)部裂紋形成和擴(kuò)展的過(guò)程。裂紋的形成和擴(kuò)展都會(huì)增加固/氣界面（即表面），增加表面能；表面能的增加反過(guò)來(lái)會(huì)阻礙裂紋的形成和擴(kuò)展。助磨劑吸附在的顆粒的固/氣界面上，降低表面張力從而降低表面能，一方面減少裂紋的形成和擴(kuò)展的阻力，促進(jìn)破碎；另一方面，顆粒表面能降低，減弱了圖1.7酒精介質(zhì)對(duì)球磨粒徑的影響

顆粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力，使破碎趨勢(shì)與長(zhǎng)大趨勢(shì)間的動(dòng)態(tài)平衡向小顆粒方向移動(dòng)，平均粒徑因而減小。

對(duì)陶瓷，通常采用水或酒精作助磨劑。加進(jìn)一些液體介質(zhì)的球磨工藝叫濕磨，否則叫干磨。保護(hù)粉體顆粒很細(xì)時(shí)，化學(xué)活性很高。將粉末浸泡在惰性氣氛或保護(hù)性液體里，同時(shí)進(jìn)行粉碎，可以避免粉體與大氣接觸時(shí)的氧化。1.2.2其它粉碎方式普通球磨，運(yùn)動(dòng)方式單一，機(jī)械能受輸入臨界轉(zhuǎn)速的限制，粉碎效率不高，極限尺寸較大。

改變筒體的運(yùn)動(dòng)方式，使粉體產(chǎn)生多種運(yùn)動(dòng)，避免臨界轉(zhuǎn)速，可以輸入更大的機(jī)械能，提高破碎效率。1）振動(dòng)磨

圖1.8振動(dòng)磨三種原理研磨體作三維振動(dòng)，強(qiáng)化了錘擊效果，極限尺寸較小。

較有代表性的是慣性式振動(dòng)磨。圖1.9慣性式振動(dòng)磨機(jī)示意圖

電機(jī)帶動(dòng)主軸高速旋轉(zhuǎn)，主軸上的偏心重塊產(chǎn)生的離心力迫使筒體振動(dòng)，筒內(nèi)的裝填物由于振動(dòng)不斷地沿著與主軸轉(zhuǎn)向相反的方向循環(huán)運(yùn)動(dòng)，使物料不停地翻動(dòng)。同時(shí)研磨體還作劇烈的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并具有分層排列整齊的特點(diǎn)。特別是高頻時(shí)，研磨體運(yùn)動(dòng)劇烈，各層空隙擴(kuò)大，幾乎呈懸浮狀態(tài)。筒體內(nèi)的物料受劇烈且高頻率的撞擊和研磨作用，首先產(chǎn)生疲勞裂紋并不斷破裂。較有代表性的慣性式振動(dòng)磨機(jī)見(jiàn)上圖。2）行星磨讓每一個(gè)罐體繞其軸線作轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，各罐體的軸線又繞共同的一中心轉(zhuǎn)動(dòng)，猶如地球的自轉(zhuǎn)加繞太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)。研磨體作三維振動(dòng)，強(qiáng)化了錘擊效果，極限尺寸較小（據(jù)稱可以達(dá)到10納米）。

圖1.10水平式行星磨原理形心與公轉(zhuǎn)中心在一個(gè)水平面內(nèi)圖1.11垂直式行星振動(dòng)磨原理罐體的自傳中心與公轉(zhuǎn)中心在一個(gè)垂直平面內(nèi)2）砂磨（攪拌球磨）將待磨粉體制成漿料，進(jìn)行攪拌，使顆粒粉碎?；驹碛腥?。圖1.12攪拌球磨機(jī)的三種原理(a)周期式；(b)連續(xù)式；(c)循環(huán)式

砂磨由直立固定的圓筒和旋轉(zhuǎn)的槳葉構(gòu)成（見(jiàn)圖1.13）。含有直徑為1-6mm的粒狀瓷球或鋼球（研磨體）。將待磨漿料由筒底泵入，經(jīng)研磨后由上部溢出。研磨體總量約占有效容積的一半。中軸帶動(dòng)槳葉以700-1400r/min的速度旋轉(zhuǎn)，給予研磨體極大的離心力和切線加速度，球/球之間和球/壁之間產(chǎn)生激烈的摩擦、碰撞。其極限尺寸比振磨低，故稱為超細(xì)粉碎。所得粉體的顆粒小，呈球形，流動(dòng)性好，特別適用于軋膜、擠制和流延成型。砂磨可以連續(xù)操作，也可間歇操作，效率很高。但是應(yīng)該注意圓筒壁、研磨體和槳葉在磨料過(guò)程可能發(fā)生磨損而進(jìn)入料中，給產(chǎn)品成分造成的影響。

圖1.13砂磨結(jié)構(gòu)示意圖

1-濾網(wǎng)；2-中軸；3-槳葉；4-出水口；5-圓筒；

6-進(jìn)料口；7-冷卻水入口；8-出料口4）氣流粉碎（氣流粉磨）高速氣流（壓縮空氣或過(guò)熱蒸汽）噴入粉碎室內(nèi)，帶動(dòng)粉體高速運(yùn)動(dòng)，使顆粒相互碰撞、摩擦和剪切而達(dá)到粉碎之目的。利用壓力為0.51-0.61MPa的高壓氣流（空氣或過(guò)熱蒸汽）把物料噴入粉碎機(jī)腔內(nèi)，使物料顆粒之間互相摩擦、碰撞，見(jiàn)圖1.14。

圖1.14氣流粉碎機(jī)示意圖

1-分級(jí)區(qū)；2-慣性分離器；3-加料器；4-壓縮空氣；

5-壓縮空氣；6-噴嘴；7-粉碎區(qū)；8-出口被粉碎的物料在分級(jí)區(qū)受離心力作用，按顆粒粗細(xì)自行分級(jí)，粗顆?？抗艿劳獗?，細(xì)顆粒靠?jī)?nèi)側(cè)。達(dá)到一定細(xì)度的顆粒，經(jīng)慣性分離器在出口處被收集。粗顆粒則下降，回到粉碎區(qū)繼續(xù)粉碎。如此循環(huán)。

一般物料在管內(nèi)要循環(huán)2000-2500圈。氣流粉碎可連續(xù)操作，粒度可達(dá)到1微米或更小。用這種方法制得的粉料細(xì)度均勻、混入雜質(zhì)甚微。

圖1.15氣流粉碎流程示意圖

1-空氣壓縮機(jī)；2-儲(chǔ)氣罐；3-凈化器；4-干燥器；

5-氣流粉碎機(jī)；6-旋風(fēng)分離器；7-袋式收塵器1.2.3機(jī)械合金化通過(guò)球磨粉碎的方式，使不同成分顆粒組成的混合粉末變?yōu)橄嗤煞值念w粒組成的粉末。在顆粒內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了不同成分在分子級(jí)別的混合、固溶及相變。

1.2.4熔融石英粉的制備工藝流程熔融石英粉，成分為SiO2的玻璃粉。工藝流程硅礦石（主要成分為SiO2

，含有Fe、Ca、Ti等雜質(zhì)）→粉碎→酸洗或磁除雜→較為純凈的SiO2（>85%）→干燥→電弧爐熔化（1700℃以上）→凝固→石英鑄錠→圖1.16石英鑄錠剖面→破碎→分揀出純度較高石英玻璃塊→分級(jí)→純度較高的玻璃塊→粉碎（250微米左右）→酸洗除雜、磁除鐵→清洗（SiO2