في تحضير مسحوق السيراميك، يُعدّ التحكم في حجم الجسيمات عاملاً أساسياً يؤثر على أداء المسحوق وجودة المنتجات الخزفية النهائية. واستناداً إلى مبادئ العملية والأبحاث الحديثة، يمكن تحقيق التحكم الدقيق من خلال الجوانب الخمسة التالية:
1. تحسين معلمات عملية التحضير
التحكم الميكانيكي في الطحن
وقت وفعالية طحن الكرات: يجب أن يوازن وقت طحن الكرات بين تحسين الجسيمات ومخاطر التكتل. على سبيل المثال، عند تحضير سيراميك قائم على (Bi,Na)TiO₃، أدى تمديد مدة طحن الكرات من 8 إلى 24 ساعة إلى خفض D50 من 3.2 ميكرومتر إلى 0.8 ميكرومتر. ومع ذلك، بعد 20 ساعة، تسببت زيادة طاقة السطح في تكتل ثانوي (مثلاً، مجموعات أكبر من 1.5 ميكرومتر رُصدت عبر المجهر الإلكتروني الماسح).
تصنيف العملية: يمكن فصل الجسيمات الخشنة باستخدام التصنيف الهوائي أو الرطب (مثل الترسيب بالطرد المركزي). على سبيل المثال، أدى التصنيف بالطرد المركزي لمسحوق الألومينا إلى خفض كثافة D90 من 15 ميكرومتر إلى أقل من 5 ميكرومتر، مما عزز كثافة التلبيد.
التحكم في التركيب الكيميائي
الطريقة الحرارية المائية/الحرارية الذائبة: يؤثر نوع المادة الأولية ووسط التفاعل بشكل مباشر على حجم الحبيبات. باستخدام ثاني أكسيد التيتانيوم كمادة أولية، يُنتج ضبط الرقم الهيدروجيني بين 8 و9 جزيئات كروية بأحجام تتراوح بين 50 و100 نانومتر، بينما يؤدي الرقم الهيدروجيني الأكبر من 10 إلى هياكل تشبه القضبان (نسبة العرض إلى الارتفاع > 5).
طريقة السول-جل: يلعب معدل التحلل المائي، الذي يُنظّم بواسطة محفزات (مثل حمض النيتريك)، دورًا حاسمًا. ينتج عن التحلل المائي البطيء (معدل إسقاط 0.5 مل/ساعة) جسيمات موحدة بأحجام تتراوح بين 20 و50 نانومتر، مما يُجنّب التحلل المائي السريع انتشارًا واسعًا (10-200 نانومتر).
2. المواد المضافة وتعديل السطح
اختيار المشتت
يمكن أن يؤدي إضافة كبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS) بنسبة 0.5wt% إلى مسحوق الألومينا إلى تقليل لزوجة الملاط من 1200mPa·s إلى 400mPa·s، مما يؤدي إلى قمع التكتلات الصلبة.
يساعد البولي فينيل بيروليدون (PVP) المستخدم في مساحيق الزركونيا على الحفاظ على انتشار 30-80 نانومتر من خلال العائق الفراغي.
التكليس بمساعدة المواد القابلة للاحتراق
تقترح براءة الاختراع CN103833377A إضافة 5
جسيمات السليلوز -10% (200-400 شبكة) أثناء تخليق مسحوق كيميائي رطب. بعد التكليس، يكون الرماد المتبقي أقل من 0.1%، وينخفض حجم جسيمات أكسيد الزركونيوم المتكتل والمستقر بأكسيد اليورانيوم من 2
ميكرومتر إلى 0.8 ميكرومتر، بينما تزداد المساحة السطحية النوعية من 8 متر مربع
/جم إلى 25م²/جم.
3. تصميم توزيع حجم الجسيمات
تحسين التوزيع المتعدد الوسائط
يؤدي خلط الجسيمات الخشنة (1-5 ميكرومتر) والجسيمات الدقيقة (0.1-1 ميكرومتر) بنسبة حجم 7:3 إلى زيادة الكثافة الخضراء لأجسام Al₂O₃ من 2.1 جم/سم³ إلى 2.6 جم/سم³ ويقلل من انكماش التلبيد بمقدار 3%.
بالنسبة لسيراميك كربيد السيليكون، يعمل توزيع الحجم على ثلاثة مستويات (0.5 ميكرومتر: 1 ميكرومتر: 3 ميكرومتر = 2: 5: 3) على تعزيز قوة الانحناء من 350 ميجا باسكال إلى 480 ميجا باسكال.
استراتيجية التحكم في الامتداد
يُنصح بنطاق حجم جسيمات (D90/D10) ≤5. بالنسبة لسيراميك BNBT الكهرضغطي الخالي من الرصاص، أدى تقليل النطاق من 8 إلى 3 إلى زيادة ثابت العزل الكهربائي من 1200 إلى 1800، ومعامل الكهرضغطية d33 من 125 بيكو كولوم/نيوتن إلى 160 بيكو كولوم/نيوتن.
4. تكييف عملية التلبيد
مطابقة درجة الحرارة والوقت
بالنسبة للمساحيق فائقة الدقة (<100 نانومتر)، تُستخدم طريقة التلبيد على مرحلتين: تسخين سريع إلى 1200 درجة مئوية (مثلاً، للألومينا) مع تثبيت لمدة 10 دقائق، يليه تبريد بطيء إلى 1000 درجة مئوية مع تثبيت لمدة ساعتين. هذا يُقلل من معدل نمو الحبيبات بمقدار 70% ويُثبّط الحبيبات غير الطبيعية (>5 ميكرومتر).
التكثيف بمساعدة الضغط
تؤدي عملية الضغط المتساوي الضغط الساخن (HIP) عند 150 ميجا باسكال و1600 درجة مئوية لمساحيق نيتريد السيليكون إلى زيادة الكثافة النسبية من 92% إلى 99.5% وتحسين معامل ويبل من 12 إلى 20.
5. المراقبة والتحكم في ردود الفعل
تكنولوجيا المراقبة عبر الإنترنت
تراقب أجهزة تحليل حجم الجسيمات بالليزر (مثل BT-9300S) تقلبات D50 في الوقت الفعلي. باستخدام خوارزميات PID لضبط مطحنة الكرات يمكن أن تقلل السرعة (300-800 دورة في الدقيقة) من انحراف D50 من دفعة إلى دفعة من مساحيق ZrO₂ من ±0.5 ميكرومتر إلى ±0.1 ميكرومتر.
تحليل مصدر العيب
تحليل المجهر الإلكتروني الماسح/حيود الأشعة السينية (SEM/XRD) المُدمج للشقوق المُلبَّدة: في حال وجود جسيمات خشنة (>2 ميكرومتر) حول الشقوق، يلزم تحسين عملية التصنيف. في حال وجود مراحل ذوبان منخفضة عند حدود الحبيبات، يجب التحقق من شوائب المادة الخام (على سبيل المثال، يجب أن يكون محتوى الصوديوم أقل من 50 جزء في المليون).
مقارنة الحالات النموذجية
| المعلمة | مسحوق الألومينا (السيراميك الإلكتروني) | مسحوق كربيد السيليكون (السيراميك الهيكلي) |
| الهدف D50 | 0.5 ميكرومتر | 1.2 ميكرومتر |
| المشتت | كبريتات دوديسيل الصوديوم | بولي أكريلات الأمونيوم |
| درجة حرارة التلبيد | 1600 درجة مئوية/ساعتين | 2100 درجة مئوية/ساعة واحدة |
| الكثافة النهائية | 3.92 جم/سم³ (99.8%) | 3.15 جم/سم³ (98.5%) |
خاتمة
يجب دمج التحكم في حجم الجسيمات في جميع مراحل العملية، بدءًا من اختيار المواد الخام وصولًا إلى التحضير والتشكيل والتلبيد. وينبغي اختيار استراتيجيات مناسبة لمختلف التطبيقات، مثل استخدام مساحيق موحدة فائقة الدقة للسيراميك الإلكتروني أو التعزيز التدريجي للسيراميك الإنشائي. وفي الوقت نفسه، تُمكّن المراقبة عبر الإنترنت من التحسين الديناميكي لضمان جودة ثابتة.
مسحوق ملحمي نقدم حلولاً دقيقة لمسحوق السيراميك، مدعومة بتكنولوجيا أوروبية أساسية. من التحكم الدقيق إلى التصميم متعدد الوسائط، نساعد عملاءنا على تحسين أداء المنتج وثباته. تعاون معنا لتطوير موادك إلى مستوى أعلى.
