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碳化硅粉体湿法研磨中机械力化学效应研究

作者:admin日期:2020-07-30阅读
碳化硅是一种重要的人工合成无机非金属材料,由于具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀、耐磨耗等特点,因此在航空航天、机械工业等各个领域被广泛应用[1,2]。制备不同性能的碳化硅陶瓷需要不同特性的碳化硅粉体,机械粉碎法是目前制备碳化硅粉体的常用方法[3,4]。机械力化学是指物体在受到机械力作用时,固体形态、晶体结构变化,表面活性提高,产生物理-化学变化的一种效应[5]。机械力化学作为专门研究机械能和化学能相互转换的新兴交叉学科,目前已成为材料、冶金及化工等领域研究的热点,近年来被广泛用于粉体表面改性、材料强化和超细粉体制备等领域[6-8]。
碳化硅的机械粉碎不仅是传统意义上物质的粉碎细化,同时伴随复杂的能量转化过程。本实验采用湿式机械研磨法制备超细碳化硅粉体,就研磨过程中的机械力化学效应进行研究,以期为碳化硅粉体实际生产提供理论依据。
1实验
实验原料为绿碳化硅颗粒,碳化硅含量为95.94%,粒度小于3mm。粉碎设备采用WSK-40湿法超细粉碎机,主轴转速880r/min,功率11kW,磨筒容积40L。粒度测定采用MS-2000型激光粒度分析仪。物相分析采用D/MAX2500型X射线衍射仪。形貌检测采用JSM-5610LV型扫描电子显微镜。
按1:8的料浆比向磨筒内加入一定量的碳化硅颗粒与蒸馏水,为控制磨筒内部温度采用循环研磨,研磨时间为15h,研磨介质,采用氧化锆球。收集不同累积研磨时间下的粉体悬浮液,烘干取样。对样品的粒度、物相及形貌等进行检测,根据测试结果分析湿法超细研磨过程中碳化硅粉体的机械力化学效应。
研究研磨过程中碳化硅粉体晶粒尺寸(D)及显微应变(ε)的变化时,取主要晶面进行计算,半高宽采用积分半高宽,半高宽与晶格变形的关系可用Hall公式表示:
碳化硅粉体湿法研磨中机械力化学效应研究
式中,β为仪器宽化校正后的半高宽(rad);θ为布拉格衍射角(rad);λ为X射线波长(nm),本试验中为0.15418nm;D为晶粒尺寸(nm);ε为显微应变。βcosθ/λ和sinθ/λ呈直线关系,根据实测谱线的真实宽度β以及对应的峰值θ,可做出βcosθ/λ~sinθ/λ的直线。可由该直线的斜率和截距半定量求得晶粒尺寸和显微应变[9]。
2结果和讨论
2.1粒度分析
主机开启后输入功率推动搅拌器高速回转,带动物料在筒内作不规则多维循环及自转运动,自身重力及螺旋回转产生的挤压力使物料相互冲击和摩擦,以致粉碎。目前已建立的常用的材料粉碎模型有3种,分别是体积粉碎模型、表面粉碎模型和均一粉碎模型[10]。根据实验原料、实验设备及实验产物分析,本实验中碳化硅物料的粉碎以表面粉碎模型为主,其余为辅。
研磨所得碳化硅粉体的粒度随累积研磨时间的变化如图1所示。可以看出,粉体粒度随研磨时间的累积逐渐减小。研磨初期粒度减小较快,中位径D50由1h的4.00μm下降到6h的2.56μm。研磨时间累积到6h以上时,粉体粒径减小程度明显变缓,至15h时D50为1.73μm。该现象表明,研磨初期机械能可有效传递到碳化硅颗粒,使其粉碎,但随研磨时间的延长,机械能对碳化硅粉体的细化作用下降,粉碎效率降低。
2.2机械力化学效应
2.2.1晶体结构分析
取碳化硅原料及不同累积研磨时间下的碳化硅粉体样品进行XRD检测,结果如图2所示。由于测试样品的取样质量和测试条件都保持一致,因此不同样品XRD图谱中的衍射峰强度可直接进行比较。不同累积时间下碳化硅粉体主要晶面的衍射强度及半高宽数值见表1。
由图2和表1可见,随着研磨时间的延长,主要晶面衍射强度不断减小,表明晶体结构不断向无定形化发展。机械粉碎过程中,物料和磨筒内壁以及物料之间相互撞击,当冲击应力超过物料的弹性极限时,物料便发生塑性变形和破坏。塑性变形导致晶体内部产生大量位错,进而使晶体结构发生改变、破坏致使物料不断粉碎,粉体表面积增大,表面贮存能量提高,形成机械力化学活化点[11]。
2.2.2晶粒尺寸与显微应变
由形变固体衍射线宽化理论可知,衍射线的半峰宽化与晶格尺寸成反比,与晶格应变成正比[12]。取主要晶面进行计算,得到不同累积研磨时间下粉体的晶粒尺寸和显微应变,如图3和图4所示。图3显示,碳化硅粉体晶粒尺寸随研磨时间的增加不断减小,但减小程度不断降低。从图4可以看出,显微应变随研磨时间的累积不断增加,但研磨后期增加程度变小。研磨初期,在冲击力和剪切力的作用下粉体颗粒细化,同时粉体颗粒发生强烈的塑性变形,塑性变形导致晶体内部产生位错,促进晶界滑移,因此晶粒尺寸降低,显微应变增加。之后,由于粉体表面活性增加,发生团聚,一部分机械能分散于打开团聚,同时晶体内位错密度趋于饱和,因此晶粒尺寸减小程度降低,显微应变增加程度也降低。
碳化硅粉体湿法研磨中机械力化学效应研究
碳化硅粉体湿法研磨中机械力化学效应研究
2.3形貌分析
为进一步分析湿法研磨过程中碳化硅粉体的机械力化学效应,观测不同累积研磨时间下粉体的形貌,观测结果如图5所示。可以看出,随研磨时间的增加,碳化硅粉体颗粒形貌由较大、不均匀、不规则向细小、均匀、规则化转化,且团聚倾向增大。研磨过程中粉体不断细化,粒子表面能增大,表面活性增强,因此发生团聚。随着研磨时间的累积,粉体粒度逐渐减小,粉体表面活性不断增强,团聚现象越加明显。同时由于颗粒晶体内离子键断裂产生不饱和键,带电结构单元增加,粉体产生明显的机械力化学效应。结合粒度分析结果可以得出,湿法研磨初期,机械能致力于粉体粒度的减小,研磨后期则主要用于克服表面能引起的粉体团聚。
碳化硅粉体湿法研磨中机械力化学效应研究
碳化硅粉体湿法研磨中机械力化学效应研究
3结论
1)随着累积研磨时间的增加,碳化硅粉体粒径逐渐减小,但减小程度不断降低。由于粉体的表面积增大,粉体表面贮存能量,形成机械力化学活化点。
2)机械力化学作用使粉体的晶体结构趋于无定形化。随着累积研磨时间的延长,粉体晶粒尺寸不断减小,显微应变不断增加,但后期两者变化的程度均变小。
3)碳化硅粉体颗粒形貌随研磨时间的增加由较大、不均匀、不规则向细小、均匀、规则化转化。研磨初期机械能可有效粉碎碳化硅颗粒,后期主要用于克服由表面能引起的粉体团聚。