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壓電陶瓷混料球磨工藝研究進展

來源:|作者:金瑞 |發(fā)布時間:2021-03-07 |次瀏覽
研究了如何將粉料粒徑細化，磨球增加50%Φ3mm氧化鋯珠和磨球50%Φ5mm氧化鋯珠均使粉料粒徑比原工藝粉料粒徑細化。在此基礎(chǔ)上減少了球磨時間發(fā)現(xiàn)粉料粒度雖有所增加但D10、D50、D90的粉
1引言
1.1壓電陶瓷簡介 
壓電陶瓷是一種具有壓電效應(yīng)的多晶體，由于它的生產(chǎn)工藝與陶瓷的生產(chǎn)工藝相似（原料粉碎、成型、高溫?zé)Y(jié)）因而得名。
壓電陶瓷是一種能夠?qū)C械能和電能互相轉(zhuǎn)換的信息功能陶瓷材料-壓電效應(yīng),壓電陶瓷除具有壓電性外,還具有介電性、彈性等,已被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)成像、聲傳感器、聲換能器、超聲馬達等[1-2]。 
由于陶瓷材料是采用粉末燒結(jié)的方法制造的，而燒結(jié)過程主要是沿領(lǐng)料表面或晶界的團相擴散物質(zhì)的遷移過程。因此界面和表面的大小起著至關(guān)重要的作用。就是說粉末的粒徑是描述粉末的重要參數(shù)。因為粉末粒徑越小。表面積越大，或說粒度越小。單位質(zhì)量粉末的表面積越大。燒結(jié)時進行的團相擴散物質(zhì)遷移的界面越多。也就越容易致密化[3]。
1.2壓電陶瓷混料磨細工藝介紹 
目的是將各種原料混勻磨細，為預(yù)燒進行完全的固相反應(yīng)準備條件，一般采取干磨或濕磨的方法。實驗室一般采用行星式球磨機加水球磨，本次試驗也是采用此類方法進行。
各種原料經(jīng)過粉料均勻磨細后，新的粉料粒徑小于舊的原料粒徑。在后續(xù)的燒結(jié)工藝中，粒徑較細的粉料容易燒結(jié)成晶向致密的塊體，可燒成的溫度范圍也大，燒成陶瓷后單位體積密度會理想。d33、電容、損耗、介電常數(shù)等壓電陶瓷性能測試結(jié)果會加穩(wěn)定。
2壓電陶瓷混料磨細實驗
2.1實驗設(shè)備
①主要的實驗設(shè)備：行星式球磨機如圖1所示。②其他實驗設(shè)備：球磨罐（聚氨酯罐）、磨球（氧化鋯珠），水（去離子水），原料（Pb3O4、ZrO2、TiO2），料盆（搪瓷盆）、粉料粒度測試儀等。

行星式球磨機
2.1.1行星式球磨機工作原理 
行星式球磨機其工作原理是利用磨球（本次使用的為氧化鋯珠）與粉料在球磨罐內(nèi)高速翻滾，對粉料產(chǎn)生剪切、沖擊、碾壓達到粉碎、研磨、分散、乳化粉料的目的。行星式球磨機在同一轉(zhuǎn)盤上裝有四個球磨罐，當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，球磨罐在繞轉(zhuǎn)盤公轉(zhuǎn)的同時有圍繞自身軸心自轉(zhuǎn)，做行星式運動。球磨罐中氧化鋯珠在高速運動中相互碰撞，研磨和混合粉料，研磨粉料小粒度可致0.1微米。
2.1.2行星式球磨機的點 
行星式球磨機和同類型產(chǎn)品比較如立式球磨機如圖
2所示，雖然立式球磨機結(jié)構(gòu)簡單，價格低，但由于其只具備自轉(zhuǎn)功能不具備公轉(zhuǎn)功能，磨出的粉料粒徑不夠細，均勻程度也欠佳，因此不選擇立式球磨機。
立式球磨機
2.1.3粉料粒度測試設(shè)備介紹
激光粒度分布儀如圖3所示，是基于激光散射原理測量粒度分布的一種新型粒度儀。該系統(tǒng)包括主機、樣品制備裝置和電腦系統(tǒng)等。通過樣品制備裝置將樣品輸送到主機的測量區(qū)域，激光照射到樣品后將產(chǎn)生光散射信號，光電探測器陣列將光散射信號轉(zhuǎn)換成電信號，這些信號通過USB方式傳輸?shù)诫娔X中，用專門的粒度測試軟件，依據(jù)Mie散射理論對散射信號進行處理，就可以得到該
樣品的粒度分布結(jié)果。
2.2實驗問題探究 
①如何通過改變磨球的質(zhì)量配比，降低粉料粒徑，讓粉料細化 
②如何在保證粒徑大小為可接受范圍的前提下，通過改變磨球和水的質(zhì)量配比，縮短混料磨料的工作時間，提高生產(chǎn)效率
③如何在保證粒徑大小為可接受范圍的前提下，使用容積相同的球磨罐，通過改變磨球和水的質(zhì)量配比使其能加工跟多質(zhì)量的粉料，提高生產(chǎn)效率
2.3實驗過程
①烘原料：用100℃的烘箱烘烤原料Pb3O4、ZrO2、TiO26小時以上。
②配料：將Pb3O4、ZrO2、TiO2分別按272g、46g、36g加入球磨罐中，并加入一定量的水。
③混料磨料：將加完原料和水的球磨罐放置鎖緊于球磨機上，并設(shè)定好球磨時間、球磨頻率、球磨轉(zhuǎn)速等參數(shù)，待球磨機運行后做好相應(yīng)記錄。
④出料（濕料）：球磨機運行結(jié)束后，將球磨罐內(nèi)的磨球和粉料沖洗分開，粉料沖入搪瓷盆內(nèi)。
⑤測試：使用激光粒度分布儀對搪瓷盆內(nèi)的粉料進行粒度測試。
⑥總結(jié)：對測試結(jié)果進行分析并得出結(jié)論。 
⑦粉料處理：實驗結(jié)束后，對實驗用粉料進行預(yù)燒
合成處理，燒制成燒結(jié)墊料。3實驗結(jié)果及分析
3.1粉料粒度實驗結(jié)果 
實驗結(jié)果如表1所示。

3.2粉料粒度實驗結(jié)果分析 
①通過一輪實驗發(fā)現(xiàn)當球磨頻率、球磨時間相同時，比原工藝粉料磨球增加50%Φ3mm氧化鋯珠和比原工藝粉料磨球增加50%Φ5mm氧化鋯珠均使其粉料粒徑比原工藝粉料粒徑細化。
②通過二輪、三輪實驗發(fā)現(xiàn)當球磨頻率相同且氧化鋯珠配比質(zhì)量也相同時，逐漸減少球磨時間會使粉料粒徑逐漸。
③仔細比較兩種不同的氧化鋯珠配比所磨出粉料的粒徑會發(fā)現(xiàn)，比原工藝粉料磨球增加50%Φ3mm氧化鋯珠磨出的粉料粒徑，略于比原工藝粉料磨球增加50%Φ5mm氧化鋯珠磨出的粉料粒徑。
4結(jié)論 
本文研究了壓電陶瓷混料磨料工藝中粉料細化的控制要點及規(guī)律。首先研究了如何將粉料粒徑細化，磨球增加50%Φ3mm氧化鋯珠和磨球50%Φ5mm氧化鋯珠均使粉料粒徑比原工藝粉料粒徑細化。在此基礎(chǔ)上減少了球磨時間發(fā)現(xiàn)粉料粒度雖有所增加但D10、D50、D90的粉料粒徑仍小于原工藝的粉料粒徑。再仔細比對磨球增加50%Φ3mm氧化鋯珠和磨球增加50%Φ5mm氧化鋯珠兩種不同磨球配比方式磨出的粉料粒徑時發(fā)現(xiàn)，磨球增加50%Φ3mm氧化鋯珠磨出的粉料粒徑的測試結(jié)果略于磨球增加50%Φ5mm氧化鋯珠磨出的粉料粒徑的測試結(jié)果。因此在保證粉料粒徑穩(wěn)定性的前提下，使用比原工藝粉料磨球增加50%Φ3mm氧化鋯珠，并將磨料時間設(shè)定為4小時進行磨料也可以達到原工藝粉料細化的效果。這樣就將原工藝粉料的磨料時間減少了4個小時，大的節(jié)約了時間成本，提高了效率。