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干货丨纳米粉体粉碎的技术关键点

所属分类 : 疑问解答 发布时间 : 2021-11-10 阅读次数 : 365

综述

        在粉碎过程中,单个陶瓷色料颗粒的粉碎往往是和其他颗粒的粉碎同时进行的。由于难以区分哪些颗粒在粉碎过程中发生了粉碎,因此,采用产品的颗粒粒径分布与原始物料的颗粒粒径分布相比较的方法分析粉碎效果。粉碎技术在纳米粉体加工过程中至关重要,是色料生产必需的工艺步骤。为了了解颗粒被粉碎的基础,应先了解单颗粒被施加一定应力后, 发生粉碎的机理及其相关的概念。

颗粒的断裂力学概念

        在研究颗粒的断裂机理时,有关专家提出了“断裂物理学”和“断裂力学”等概念作为材料科学和颗粒力学的分支。颗粒是多种多样的,从小到大均存在缺陷。因此,由于颗粒及其性质的多样性,颗粒粉碎实质上可用断裂过程进行描述。
 

 

原子间约束和距离的关系图

原子间约束和距离的关系图

        在外力作用下,解理面间的原子结合遭到破坏,从而引起晶体的脆性断裂。所以,晶体的的理论强度应由原子间结合力决定。当原子处于平衡位置时,原子间的作用力为零;在拉应力作用下,原子间距增大,引力也增大。曲线上的至高点代表晶体的结合力,即理论断裂强度。

        一般认为陶瓷色料颗粒是脆性物质,其断裂是由应力引发应变而产生的。断裂理论认为,材料的缺陷(裂纹等)可导致应力在在缺陷边缘、裂纹处集中。

        裂纹尖端(破碎点)在外应力下具有结合强度不同的化学键,即使施加的应力不足以克服屈服应力,但却可以提供足够的能量使裂纹扩展并产生新表面,当裂纹尖端处的应变可使新表面形成时,颗粒就发生断裂。

权威试验结果证明:

        颗粒的抗张强度由裂纹和缺陷决定,颗粒越小,则缺陷越少,其产生裂纹的临界应力越大。颗粒越细,颗粒内部越难产生裂纹,在不考虑裂纹分布和密度的情况下,小颗粒的破碎需要较大的应力。大量的研究实验和工业实践证明,采用机械粉碎方法可以制备亚微米或纳米级颗粒,尤其是对于脆性材料。如,通过实验型介质搅拌湿法粉碎获得了粒径为200nm的氧化锆颗粒,其粉碎颗粒的组成稳定。
 

实验室粒度分析报告

实验室粒度分析报告

不同粉碎时间的粒度分布

        研究发现,在研磨机中,不同大小颗粒的流动特性比较相近,且与水的流动特性也相似。主要的区别是操作条件,如流动速率、介质装载量、介质大小等影响着平均颗粒粉碎时间。另外,浆料密度、颗粒组成和介质形状等对粉碎时间也有影响。

粒径分布与研磨时间关系曲线图

粒径分布与研磨时间关系曲线图

         由图可知,随着研磨时间的延长,其粒径逐渐变小,当研磨时间≥8.5 h时,粒径可视为基本不变。但当研磨时间t≤4.5h时, 粒径急剧减小,图中表现为斜率较大;当研磨时间t为4.5~7.5 h时,粒径变化缓慢;当研磨时间t为7.5~8.5h时,其粒径变化更小,其曲线斜率近乎为0。

颗粒的粉碎环境

        在颗粒被粉碎时,其化学键发生断裂而产生新的表面,而新表面的生成又会促进化学键的断裂。颗粒的断裂能与其表面化学活性有直接关系。水的影响是普遍的,可提高粉碎效率。另外,无机物离子和有机表面活性剂的加人也会产生较大影响。一般地, 适量的表面活性剂的加人可提高粉碎速率,而与颗粒表面不相容的化学添加剂则会降低粉碎速率。

湿法/干法研磨时活性剂的应用:

        湿法研磨时通常可以加人一些表面活性剂以改善研磨效果,而某些情况下,尤其是添加过量的有机表面活性剂,反而会降低粉磨速率。在干法粉磨中,表面活性剂的应用较为广泛。另外,采用补充蒸汽(温度250~350°C,工作压力40MPa)于流态化气流磨粉碎陶瓷色料,可有效地制备D97小于1. 2nm的颗粒。


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