顆粒超細(xì)粉碎過程中粉料粒度變化規(guī)律的研究

顆粒超細(xì)粉碎過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,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)特性和價格低廉的成本優(yōu)勢受到人們的青睞。其α相Si3N4含量較低的粉料生產(chǎn)成本更低,因此也更具實用優(yōu)勢。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。用激光粒度儀測試了不同研磨時間的粒度,用BET(氮吸附法)的方法對超細(xì)粉碎前后的粉體比表面積進(jìn)行了測量,用掃描電鏡觀察了粉料超細(xì)粉碎前后的微觀形貌。1研磨粒度檢測實驗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)和兩個大小行星球磨機(jī)中分別進(jìn)行研磨。研磨時間分別為5、10、15、20、25、…、50、100h。分別取樣進(jìn)行粒度檢測分析。研磨達(dá)到所需要的粒度后,停止研磨。將漿料過篩濾除磨介,烘干后磨碎漿塊再過篩。取研磨前的粉料和研磨后的d50=0.515μm的典型樣檢測其比表面積,并觀測其顯微形貌。實驗設(shè)備:立式攪拌球磨機(jī)(實驗室用,簡稱立式磨機(jī));QM-1行星球磨機(jī)(南京大學(xué)儀器廠,簡稱小行星磨機(jī));QM-1SP12行星球磨機(jī)(南京大學(xué)儀器廠,簡稱大行星磨機(jī));粒度用MICROTRAC-X100粒度儀(美國)檢測分析;比表面積用ASAP2010全自動物理吸附分析儀(美國)檢測;顯微形貌用SS-550掃描電鏡(日本)觀察。2結(jié)果與討論2.1研磨時間的影響實驗所用氮化硅原始粉料的粒度及不同研磨時間的粒度測試在結(jié)果列于表1中。圖1所示為不同磨機(jī)研磨不同時間后的粉料粒徑d50的變化趨勢。從表1中可看出,立式球磨機(jī)研磨5h時,粉料的粒度已經(jīng)減小到大約0.7μm(0.696μm)的量級,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。粉料細(xì)化到0.5μm亞微米級,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左右的時間。說明行星磨的效率比立式球磨機(jī)的效率低得多。隨研磨時間的增加,粉料的粒度細(xì)到一定程度(d50=0.5μm)左右時,很難再細(xì)化。圖1很明顯地表示了這一點。從圖還可看出,3個磨機(jī)在40h以前隨研磨時間增長其粒度減小的量均有變緩趨勢,但從立式、小行星到大行星磨,這種趨勢越不明顯。大行星磨在磨了100h時,粒度也降到了0.5μm以下,說明其雖然研磨效率低,但隨研磨時間的增長,粒度還一直呈減小趨勢。圖中還表現(xiàn)出了小行星磨機(jī)隨研磨時間進(jìn)一步的延長,檢測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),是通過球磨罐進(jìn)行行星式運動所產(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。這種作用來自于慣性運動。由以上不同可見,所用行星球磨機(jī)所產(chǎn)生的對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。在研磨過程中,在3個磨罐內(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,且研磨時間越長,氨味越濃。這是由于隨研磨時間的增長,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,這均會使顆粒表面自由能增高,氮化硅會與水產(chǎn)生如下反應(yīng),產(chǎn)生了氨氣:立式磨機(jī)中氨味淡是因為研磨時間短行星磨機(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。但在測試過程中發(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時峰形變好。說明立式球磨機(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。粒度測試、比表面積的測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,通過球磨細(xì)化到亞微米級,其平均粒徑達(dá)到0