利用机械力化学效应制备锆莫来石精选PPT.ppt
利用机械力化学效应制备锆莫来石第1页，此课件共12页哦 1 机械力化学效应概述 机械力化学技术（Mechanochemical Process,简称MCP）基本原理是利用机械能来诱发化学反应和诱导材料组织、结构和性能的变化，以此来制备新材料或对材料进行改性处理。被广泛用于制备超微及纳米粉末、纳米复合材料、弥散强化合金结构材料、金属精炼、矿物和废物处理、合成新相等。在机械粉碎过程中，由于机械力不断作用到陶瓷粉末颗粒上，从而使粉末产生大量变化：第一，陶瓷颗粒在机械力的作用下，粉碎生成新的表面，颗粒粒度减小，比表面积增大，活性增强。因为随着物料粒度的减小，规则的 晶 面 在 颗 粒 体 系 总 表 面 上 第2页，此课件共12页哦 健力不饱和的质点（原子、分子）占全部质点数的比例增多，在尖角、棱边处不饱和程度高的质点亦增多，从而大大提高了颗粒的表面活性；第二，陶瓷颗粒在机械力作用下，表面层发生晶格畸变，其中储存了部分能量，使表面能位升高，从而活性能降低，活性增强；第三，陶瓷颗粒在机械力作用下，表层结构发生破坏，并趋于无定形化，内部储存了大量的能量，使表面层能为升高，因而活化能更小，表面活性更强；第四，粉末系统输入能量的较大一部分还将转化为热能，使颗粒表面温度升高，者也很大程度地提高了颗粒表面活性。由于这些原因，颗粒表面处于亚稳高能活性状态，于是容易发生化学或无力化学变化。第3页，此课件共12页哦 2 球磨过程中的机械力化学效应 在陶瓷粉碎过程中，尤其是超细粉碎，机械力化学效应主要表现为3个方面：一是晶体结构的变化；二是物理化学性质的变化；三是诱发了机械力化学反应。晶体结构的变化。晶体结构的变化有如下几种：一是局部结晶晶格畸变，使晶格点阵中粒子排列部分失去周期性，形成晶格缺陷主要是位错形式的线性缺陷；二是晶格结构逐渐变形，几乎在所有具有层次结构的物质中都有发生；三是结晶颗粒表面的结晶构造受到强烈的破坏而形成非晶层，并随着粉碎的继续进行，非晶层变厚，最后导致整个结晶颗粒的无定形化；四是某些特殊晶型的晶体可以发生晶型转变。第4页，此课件共12页哦 物理化学性质的变化。材料在粉碎过程中，机械力还可以诱发颗粒一系列的物理化学性质的变化。如分散度、溶解度、溶解速率、吸附、离子交换和置换能力、密度、电性等变化。粉碎过程中，随着颗粒的细化其表面积增大，这一比表面积实际上表征着体系的分散度。经过一定时间的粉碎之后，颗粒表面出现不饱和的力场及带电的结构单元，使颗粒处于不稳定的高能状态。因此在比较弱的引力作用下，颗粒间就产生团聚，使颗粒变粗。即颗粒的细化过程与团聚过程是可逆的，当二者达到平衡时颗粒尺寸变化就不大了。机械力化学反应。这些反应包括气-固相间、液-固相间、固-固相间的机械化学反应。第5页，此课件共12页哦 3 高能球磨工艺 高能球磨的过程和最终产物与工艺条件有着密切的关系。其中一些重要的工艺条件有球磨介质、球料比、球磨气氛、过程控制和温升等。（1）球磨介质。常见的球磨介质有硬化钢、硬化铬钢、不锈钢等，在制备一些特殊材料时也会用到氧化锆、玛瑙、氮化硅等作为球磨介质。由于在高能球磨介质过程中磨球的相互剧烈撞击，故而磨球表面不可避免地会有部分材料脱落而进入研磨物料造成污染。所以须针对要制备的材料来选择相应何适的球磨介质。球磨介质的尺寸也会对球磨产物的最终组成造成一定影响。第6页，此课件共12页哦（2）表面活性剂（助磨剂）。表面活性剂能提高粉末物料在球磨介质中的分散性。超细粉末在球磨过程中，由于有较大的比表面积和比表面能，颗粒有相互聚集、自动降低表面能的趋势。根据DLVO理论球磨介质中加入表面活性剂并吸附于颗粒表面，降低了 体系的表面能，同时吸附导致颗粒表面带相同电荷，有利于粒子之间的静电排斥，防止超细粉末的二次团聚，提高超细粉末在球磨介质中的分散性。如聚乙二醇（PEG200、PEG4000、PEG6000）、油酸及柠檬酸。改善料浆的流变性质。减小料浆的粘度，是球磨机保持较高的球磨效率，进而降低球磨无聊的粒度和提高产品的细粒级含量。如DA（聚丙烯酸钠）。第7页，此课件共12页哦 强化破碎及提高球磨效率。物料在机械力的作用下，表面会形成许多裂纹，颗粒的破碎就是裂纹的产生和扩展的过程。球磨介质中加入表面活性剂后，表面活性剂就会沿着这些裂纹侵入并发生吸附，这必然会降低裂纹处物料颗粒质点间的凝聚力，阻止已经断裂的化学键重新聚合，从而降低了物料颗粒的机械强度，减少了裂纹扩展所需的外应力，加速了裂纹的扩展，起到了强化破碎的作用，进而提高了球磨效率。如六偏磷酸钠、氨基磷酸钠。表面钝化抑制超细粉末的氧化。球磨过程中超细粉末非常容易氧化，严重影响粉末的性能。而在球磨介质中添加表面活性剂后，表面活性剂吸附于颗粒表面，形成一层保护层，可以物料颗粒在超细磨的同时实现表面钝化，可以有效抑制超细粉末在球磨及后续处理过程中的氧化。起作用机理基本上形成两种学说一是“吸附降低硬度”理论；二是“料浆流变性调节”理论。（参考：王明.表面活性剂在超细硬质合金球磨工艺中的作用及研究进展）第8页，此课件共12页哦 （3）球料比。球料比决定了球磨过程中磨球对粉体所施加的机械撞击力是否足够引起晶粒的破碎和细化。一般来说，球料比越大，磨球碰撞的几率也越大，使得在单位时间和单位体积内粉末可吸收的机械能越多，相应地达到同等球墨效果的球磨时间也就越短。（4）球磨气氛。高能球磨过程中，粉末粒子急剧变小，产生大量的新鲜原子级表面。为了防止空气对粉体的污染，一般需要对球磨罐抽出真空并充入惰性保护气体。但有时为了特殊的目的，也需要在特殊的气体环境下研磨。（5）过程控制剂。在高能球磨过程中一般需要添加适量的过程控制剂（PCA如甲醛、苯等），以抑制反应物组元间的过分冷焊。PCA能够降低粉末颗粒发生断裂所需要的能量，更有利于粒子的细化，促进组织的细化过程。过程控制剂可以明显提高出粉率，改善合金粉末的均匀性。（6）球磨过程中的温升。温度的高低直接影响着固溶度的范围以及能付形成纳米晶、准晶和非晶等亚稳定化合物。一般情况下，在球磨过程中，高温条件下材料的平均应力降低，而颗粒尺寸则会变大，固溶度亦会随着球磨温度的升高而降低。（参考：肖军.高能球磨法及其在纳米晶磁性材料制备中的应用。第9页，此课件共12页哦 4 锆莫来石概述 在Al2O3 SiO2系中引入ZrO2能改善莫来石的组织结构，这就是含ZrO2的莫来石，通称锆莫来石。一般用电熔法制得。锆莫来石的化学组成范围很广，ZrO2含量7%40%，但最佳的比例为2Al2O3SiO2ZrO2，含量分别为Al2O3 52.7%，SiO2 15.6%，ZrO2 31.7%。改组成相当于Al2O3SiO2ZrO2中三元最低共熔点的组成（Al2O3 53%，SiO2 17%，ZrO2 30%），电熔法生产锆莫来石的主要原料是工业氧化铝和锆英石（ZrSiO4）,也可用烧结方法制得。第10页，此课件共12页哦 5 试验计划 5.1 原料化学成分分析及配料：用XRD测试a-Al2O3和锆英石的化学成分及含量，列出化学成分表；以Al2O3SiO2ZrO2化学计量为基础配料，称取nAl2O3=0.4mol,即mAl2O3=0.4mol 1.0.969g/mol=40.7876g，n ZrSiO4=0.2mol，即m ZrSiO4=0.2mol 183.306g/mol=36.6612g，所以m锆英石=36.6612g/a%(a%为锆英石中ZrSiO4的含量)。5.2 球磨实验：磨罐内衬为Al2O3，球磨球为Al2O3，球磨介质为去离子水；试验参数：球料比：20:1、30:1、40:1、50:1，转速：50r/min、100r/min、150r/min、200r/min。第11页，此课件共12页哦 第12页，此课件共12页哦
