大明化學(xué)氧化鋁球尺寸與密度的調(diào)控工藝對其在納米研磨中性能的影響機(jī)制研究

一、引言

二、氧化鋁球尺寸與密度調(diào)控工藝

（一）尺寸調(diào)控工藝

1. 原料粒度控制

• 大明化學(xué)在生產(chǎn)氧化鋁球時，首先注重原料氧化鋁粉體的粒度選擇。較細(xì)的原料粉體有利于形成較小尺寸的氧化鋁球坯體。例如，通過篩選或研磨等預(yù)處理手段，將初始氧化鋁粉體的粒度控制在合適范圍。如果要制備小尺寸氧化鋁球，可選用平均粒徑在 1 - 5μm 的粉體原料，這為后續(xù)燒結(jié)成型后獲得較小尺寸的氧化鋁球奠定基礎(chǔ)。因?yàn)檩^小的原料粒度在燒結(jié)過程中更容易均勻收縮，從而形成尺寸較為均一的小球體28。

2. 成型工藝優(yōu)化

• 干壓成型：在干壓成型過程中，通過調(diào)整模具的尺寸和壓力，可以直接控制氧化鋁球的尺寸。對于較小尺寸的氧化鋁球，采用高精度的小型模具，并精確控制壓制壓力。壓力過小，球坯體可能密度不均勻且強(qiáng)度不足；壓力過大，則可能導(dǎo)致球坯體出現(xiàn)裂紋等缺陷。例如，在壓制直徑為 1 - 3mm 的氧化鋁球時，合適的壓力范圍可能在 10 - 30MPa 之間，通過多次試驗(yàn)確定最佳壓力值，以保證球的尺寸精度和質(zhì)量28。

• 噴霧造粒成型：該工藝通過將氧化鋁漿料霧化成微小液滴，在熱空氣流中迅速干燥成球形顆粒。通過調(diào)整噴霧參數(shù)，如噴嘴孔徑、霧化壓力、進(jìn)料速度以及熱空氣溫度和流速等，可以控制形成的球形顆粒的尺寸。較小的噴嘴孔徑、較高的霧化壓力和合適的進(jìn)料速度，有利于形成較小尺寸的球形顆粒，進(jìn)而在后續(xù)燒結(jié)后得到尺寸較小的氧化鋁球。例如，當(dāng)噴嘴孔徑為 0.5 - 1mm，霧化壓力為 0.3 - 0.5MPa 時，可獲得較為理想的小尺寸球形顆粒前驅(qū)體31。

3. 燒結(jié)工藝調(diào)整

• 燒結(jié)溫度和時間對氧化鋁球的尺寸有顯著影響。在較低的燒結(jié)溫度下，氧化鋁顆粒的擴(kuò)散速度較慢，球坯體的收縮程度較小，有助于保持較小的尺寸。然而，過低的溫度可能導(dǎo)致燒結(jié)不全，球的密度和強(qiáng)度不足。例如，對于某些小尺寸氧化鋁球，將燒結(jié)溫度控制在 1500 - 1600℃，保溫時間 2 - 4 小時，既能保證球的尺寸穩(wěn)定，又能實(shí)現(xiàn)較好的燒結(jié)效果。相反，較高的燒結(jié)溫度和較長的保溫時間會使氧化鋁顆粒充分?jǐn)U散和重排，導(dǎo)致球的尺寸增大。因此，根據(jù)目標(biāo)尺寸精確控制燒結(jié)溫度和時間是關(guān)鍵28。

（二）密度調(diào)控工藝

1. 原料配方優(yōu)化

• 添加劑的使用：大明化學(xué)在氧化鋁原料中添加適量的添加劑來調(diào)控密度。例如，添加 TiO?可以促進(jìn)氧化鋁的致密化。TiO?在燒結(jié)過程中會與氧化鋁形成固溶體，降低氧化鋁的晶界能，促進(jìn)原子擴(kuò)散，從而提高燒結(jié)密度。當(dāng) TiO?添加量為 0.2 - 0.6wt% 時，可顯著提高氧化鋁球的密度。然而，過多的 TiO?添加量可能導(dǎo)致晶粒異常生長，反而降低密度。同時，引入 CaO - Al?O? - SiO?（CAS）等添加劑，能抑制異常晶粒生長，進(jìn)一步優(yōu)化密度。例如，當(dāng) CAS 添加量為 0.5 - 4.0wt% 時，可使氧化鋁球的微觀結(jié)構(gòu)更加均勻，密度得到有效提升28。

• 原料純度與粒度分布：高純度的氧化鋁原料能減少雜質(zhì)對燒結(jié)的阻礙，有利于提高密度。此外，合理的粒度分布也至關(guān)重要。采用顆粒級配的方法，將不同粒徑的氧化鋁粉體混合，使小顆粒填充在大顆粒的間隙中，在燒結(jié)過程中更容易實(shí)現(xiàn)致密化。例如，將 5 - 25wt% 的納米氧化鋁添加到微米氧化鋁粉體中，可明顯促進(jìn)其致密化，提高氧化鋁球的密度28。

2. 成型工藝對密度的影響

• 等靜壓成型：冷等靜壓成型可以使氧化鋁球坯體在各個方向上受到均勻的壓力，從而提高坯體的密度和均勻性。通過控制等靜壓的壓力和保壓時間，可以精確調(diào)控坯體的初始密度。較高的等靜壓壓力，如 100 - 300MPa，能使坯體中的顆粒更加緊密排列，為后續(xù)燒結(jié)獲得高密度的氧化鋁球奠定基礎(chǔ)。保壓時間一般在 1 - 5 分鐘，合適的保壓時間能確保壓力充分傳遞，使坯體密度均勻29。

• 真空輔助成型：在成型過程中引入真空環(huán)境，能有效排除坯體中的氣體，減少氣孔的形成，從而提高坯體密度。例如，在干壓成型或注射成型過程中，采用真空輔助裝置，將模具內(nèi)的空氣抽出，使坯體在較低的氣體含量下成型。這樣在燒結(jié)后，氧化鋁球的氣孔率降低，密度得到提高。

3. 燒結(jié)工藝對密度的作用

• 燒結(jié)氣氛：不同的燒結(jié)氣氛對氧化鋁球的密度有影響。在氫氣或真空燒結(jié)氣氛下，有利于去除氧化鋁中的雜質(zhì)和氣孔，促進(jìn)致密化。例如，在真空燒結(jié)時，氧分壓降低，有利于氧化鋁中氧空位的形成，加速原子擴(kuò)散，從而提高密度。相比之下，在空氣中燒結(jié)，可能會因?yàn)檠鯕馀c氧化鋁表面的反應(yīng)，形成一些不利于致密化的氧化層，導(dǎo)致密度略有降低。

• 燒結(jié)制度：采用合適的燒結(jié)升溫制度對密度提升至關(guān)重要。慢燒升溫制度有助于樣品的致密化，因?yàn)榫徛郎乜梢允寡趸X顆粒有足夠的時間進(jìn)行擴(kuò)散和重排，減少內(nèi)部應(yīng)力和氣孔的殘留。例如，在 1 - 5℃/min 的升溫速率下，逐漸升溫至燒結(jié)溫度，然后保溫一定時間，能使氧化鋁球的密度得到較好的提升。而快速升溫可能導(dǎo)致樣品內(nèi)部和外部受熱不均，表層致密化優(yōu)先，使內(nèi)部氣孔難以排出，阻礙致密化過程28。

三、尺寸與密度對納米研磨性能的影響機(jī)制

（一）尺寸對納米研磨性能的影響

1. 研磨效率

• 小尺寸的氧化鋁球在納米研磨中具有較高的比表面積與體積比。這意味著在相同的研磨體系中，小尺寸氧化鋁球與被研磨物料的接觸面積更大，能夠更有效地傳遞研磨能量，從而提高研磨效率。例如，在研磨納米級別的粉體時，直徑為 1 - 3mm 的氧化鋁球相比于 5 - 10mm 的氧化鋁球，能在更短的時間內(nèi)將粉體顆粒細(xì)化到目標(biāo)粒徑。因?yàn)檩^小的球可以更緊密地填充在物料顆粒之間，增加了碰撞和摩擦的機(jī)會，加速了物料的破碎和細(xì)化過程4。

2. 研磨均勻性

• 小尺寸氧化鋁球在研磨過程中更容易在物料體系中實(shí)現(xiàn)均勻分布。它們在研磨設(shè)備的運(yùn)動過程中，能夠更均勻地與物料接觸，避免出現(xiàn)局部研磨過度或不足的情況。例如，在攪拌磨中，小尺寸氧化鋁球能夠隨著攪拌槳的轉(zhuǎn)動更均勻地分散在物料漿液中，使物料在各個部位都能得到相似程度的研磨，從而提高研磨的均勻性。這對于制備粒徑分布窄的納米材料至關(guān)重要，能有效減少大顆粒團(tuán)聚體的產(chǎn)生，保證納米材料的質(zhì)量穩(wěn)定性4。

3. 對設(shè)備磨損的影響

• 小尺寸氧化鋁球由于質(zhì)量相對較小，在研磨過程中對研磨設(shè)備內(nèi)壁和攪拌部件等的沖擊力相對較小，從而能降低設(shè)備的磨損程度。例如，在長時間的納米研磨過程中，使用小尺寸氧化鋁球作為研磨介質(zhì)的研磨設(shè)備，其內(nèi)壁的磨損痕跡明顯小于使用大尺寸氧化鋁球的設(shè)備。這不僅延長了設(shè)備的使用壽命，還能減少因設(shè)備磨損產(chǎn)生的雜質(zhì)混入物料中，保證了納米材料的純度1。

（二）密度對納米研磨性能的影響

1. 研磨強(qiáng)度與耐磨性

• 高密度的氧化鋁球具有較高的硬度和強(qiáng)度，在納米研磨過程中能夠承受更大的壓力和摩擦力，不易破碎和磨損。例如，在研磨高硬度的納米材料時，如碳化硅納米粉體，密度較高的氧化鋁球能夠保持較好的形狀和尺寸穩(wěn)定性，持續(xù)有效地對物料進(jìn)行研磨。而低密度的氧化鋁球可能在研磨過程中因強(qiáng)度不足而破碎，導(dǎo)致研磨介質(zhì)的損耗增加，影響研磨效果和成本1。

2. 能量傳遞效率

• 密度較高的氧化鋁球在研磨過程中能夠更有效地傳遞研磨能量。由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，在與物料碰撞和摩擦?xí)r，能將更多的機(jī)械能傳遞給物料顆粒，促使物料顆粒更快地破碎和細(xì)化。例如，在球磨機(jī)中，高密度氧化鋁球在高速旋轉(zhuǎn)過程中與物料碰撞，其較高的密度使得碰撞產(chǎn)生的能量更集中地作用于物料顆粒，相比低密度氧化鋁球，能更高效地將物料顆粒研磨至納米級別4。

3. 對研磨產(chǎn)物質(zhì)量的影響

• 高密度氧化鋁球在研磨過程中不易產(chǎn)生磨損碎屑，這有助于保證納米研磨產(chǎn)物的純度。在制備高純度納米材料時，如電子級納米氧化鋁粉體，低密度氧化鋁球的磨損可能會引入雜質(zhì)，影響產(chǎn)品的電學(xué)性能和光學(xué)性能等。而高密度氧化鋁球能有效避免這種情況，保證納米材料的質(zhì)量和性能33。

四、結(jié)論