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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。在此基礎上減少了球磨時間發(fā)現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的多晶體,由于它的生產工藝與陶瓷的生產工藝相似(原料粉碎、成型、高溫燒結)因而得名。
壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的信息功能陶瓷材料-壓電效應,壓電陶瓷除具有壓電性外,還具有介電性、彈性等,已被廣泛應用于醫(yī)學成像、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的方法制造的,而燒結過程主要是沿領料表面或晶界的團相擴散物質的遷移過程。因此界面和表面的大小起著至關重要的作用。就是說粉末的粒徑是描述粉末的重要參數。因為粉末粒徑越小。表面積越大,或說粒度越小。單位質量粉末的表面積越大。燒結時進行的團相擴散物質遷移的界面越多。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,為預燒進行完全的固相反應準備條件,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)的燒結工藝中,粒徑較細的粉料容易燒結成晶向致密的塊體,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、介電常數等壓電陶瓷性能測試結果會加穩(wěn)定。
2壓電陶瓷混料磨細實驗
2.1實驗設備
①主要的實驗設備:行星式球磨機如圖1所示。②其他實驗設備: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)與粉料在球磨罐內高速翻滾,對粉料產生剪切、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盤上裝有四個球磨罐,當轉盤轉動時,球磨罐在繞轉盤公轉的同時有圍繞自身軸心自轉,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品比較如立式球磨機如圖
2所示,雖然立式球磨機結構簡單,價格低,但由于其只具備自轉功能不具備公轉功能,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生光散射信號,光電探測器陣列將光散射信號轉換成電信號,這些信號通過USB方式傳輸到電腦中,用專門的粒度測試軟件,依據Mie散射理論對散射信號進行處理,就可以得到該
樣品的粒度分布結果。
2.2實驗問題探究 
①如何通過改變磨球的質量配比,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量配比,縮短混料磨料的工作時間,提高生產效率
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量配比使其能加工跟多質量的粉料,提高生產效率
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,并設定好球磨時間、球磨頻率、球磨轉速等參數,待球磨機運行后做好相應記錄。
④出料(濕料):球磨機運行結束后,將球磨罐內的磨球和粉料沖洗分開,粉料沖入搪瓷盆內。
⑤測試:使用激光粒度分布儀對搪瓷盆內的粉料進行粒度測試。
⑥總結:對測試結果進行分析并得出結論。 
⑦粉料處理:實驗結束后,對實驗用粉料進行預燒
合成處理,燒制成燒結墊料。3實驗結果及分析
3.1粉料粒度實驗結果 
實驗結果如表1所示。

3.2粉料粒度實驗結果分析 
①通過一輪實驗發(fā)現當球磨頻率、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)現當球磨頻率相同且氧化鋯珠配比質量也相同時,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,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。在此基礎上減少了球磨時間發(fā)現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,磨球增加50%Φ3mm氧化鋯珠磨出的粉料粒徑的測試結果略于磨球增加50%Φ5mm氧化鋯珠磨出的粉料粒徑的測試結果。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。