При приготовлении керамического порошка контроль размера частиц является ключевым фактором, который влияет как на производительность порошка, так и на конечное качество керамических изделий. На основе принципов процесса и последних исследований точный контроль может быть достигнут посредством следующих пяти аспектов:
1. Оптимизация параметров процесса приготовления
Механическое управление фрезерованием
Время и эффективность шаровой мельницы: время шаровой мельницы должно уравновешивать риски измельчения частиц и агломерации. Например, при приготовлении керамики на основе (Bi,Na)TiO₃ увеличение времени шаровой мельницы с 8 до 24 часов уменьшило D50 с 3,2 мкм до 0,8 мкм. Однако после 20 часов увеличение поверхностной энергии вызвало вторичную агломерацию (например, кластеры >1,5 мкм, наблюдаемые с помощью СЭМ).
Процесс классификации: Крупные частицы можно отделить с помощью воздушной классификации или влажной классификации (например, центробежной седиментации). Например, центробежная классификация порошка оксида алюминия позволила снизить значение D90 с 15 мкм до менее 5 мкм, что повысило плотность спекания.
Контроль химического синтеза
Гидротермальный/сольвотермальный метод: тип прекурсора и реакционная среда напрямую влияют на размер зерна. Использование TiO₂ в качестве прекурсора, контролируя pH в диапазоне 8–9, дает сферические частицы размером 50–100 нм, тогда как pH >10 приводит к стержнеобразным структурам (соотношение сторон >5).
Метод золь-гель: Скорость гидролиза, регулируемая катализаторами (например, азотной кислотой), играет решающую роль. Медленный гидролиз (скорость капли 0,5 мл/ч) приводит к однородным частицам размером 20–50 нм, избегая широкого распределения (10–200 нм) от быстрого гидролиза.
2. Добавки и модификация поверхности
Выбор диспергатора
Добавление додецилсульфата натрия (ДСН) в количестве 0,5 мас.% при 1ТП3Т к порошку оксида алюминия позволяет снизить вязкость суспензии с 1200 мПа·с до 400 мПа·с, подавляя образование твердых агломератов.
Поливинилпирролидон (ПВП), используемый для порошков циркония, помогает поддерживать дисперсию размером 30–80 нм за счет стерических препятствий.
Прокаливание с использованием горючего
Патент CN103833377A предлагает добавить 5
–10% частицы целлюлозы (200–400 меш) во время мокрого химического порошкового синтеза. После прокалки остаточная зола составляет <0,1%, а агломерированный размер частиц ZrO₂, стабилизированный Y₂O₃, уменьшается с 2
мкм до 0,8 мкм, а удельная площадь поверхности увеличивается с 8 м²
/г до 25м²/г.
3. Проектирование распределения размеров частиц
Оптимизация мультимодальной дистрибуции
Смешивание крупных частиц (1–5 мкм) и мелких частиц (0,1–1 мкм) в объемном соотношении 7:3 увеличивает плотность сырых тел Al₂O₃ с 2,1 г/см³ до 2,6 г/см³ и снижает усадку при спекании на 3%.
Для керамики на основе карбида кремния трехуровневое распределение размеров (0,5 мкм:1 мкм:3 мкм = 2:5:3) повышает прочность на изгиб с 350 МПа до 480 МПа.
Стратегия контроля диапазона
Рекомендуется диапазон размеров частиц (D90/D10) ≤5. Для бессвинцовой пьезоэлектрической керамики BNBT уменьшение диапазона с 8 до 3 увеличило диэлектрическую проницаемость с 1200 до 1800 и пьезоэлектрический коэффициент d33 с 125 пКл/Н до 160 пКл/Н.
4. Адаптация процесса спекания
Соответствие температуры и времени
Для ультратонких порошков (<100 нм) применяется двухэтапный метод спекания: быстрый нагрев до 1200°C (например, для оксида алюминия) с выдержкой 10 минут, затем медленное охлаждение до 1000°C с выдержкой 2 часа. Это снижает скорость роста зерен на 70% и подавляет аномальные зерна (>5 мкм).
Уплотнение под давлением
Горячее изостатическое прессование (ГИП) при 150 МПа и 1600 °C для порошков нитрида кремния увеличивает относительную плотность с 92% до 99,5% и улучшает модуль Вейбулла с 12 до 20.
5. Мониторинг и контроль обратной связи
Технология онлайн-мониторинга
Лазерные анализаторы размера частиц (например, BT-9300S) отслеживают колебания D50 в режиме реального времени. Использование алгоритмов ПИД-регулирования для регулировки скорости шаровой мельницы (300–800 об/мин) может уменьшить отклонение D50 порошков ZrO₂ от партии к партии с ±0,5 мкм до ±0,1 мкм.
Анализ источника дефекта
Комбинированный анализ SEM/XRD спеченных трещин: если вокруг трещин обнаружены крупные частицы (>2 мкм), процесс классификации нуждается в оптимизации. Если на границах зерен обнаружены легкоплавкие фазы, необходимо проверить примеси в сырье (например, содержание Na⁺ должно быть <50 ppm).
Сравнение типичных случаев
| Параметр | Порошок оксида алюминия (электронная керамика) | Порошок карбида кремния (конструкционная керамика) |
| Цель D50 | 0,5 мкм | 1,2 мкм |
| Диспергатор | Додецилсульфат натрия | Полиакрилат аммония |
| Температура спекания | 1600℃/2ч | 2100℃/1ч |
| Конечная плотность | 3,92 г/см³ (99,8%) | 3,15 г/см³ (98,5%) |
Заключение
Контроль размера частиц должен быть интегрирован на протяжении всего процесса — от выбора сырья до подготовки, формования и спекания. Подходящие стратегии должны быть выбраны для различных применений, таких как ультратонкие однородные порошки для электронной керамики или ступенчатое улучшение для структурной керамики. Между тем, онлайн-мониторинг обеспечивает динамическую оптимизацию для постоянного качества.
Эпический порошок поставляет точные керамические порошковые решения на основе европейской базовой технологии. От сверхтонкого контроля до мультимодального проектирования мы помогаем клиентам повышать производительность и однородность продукции. Сотрудничайте с нами, чтобы вывести свои материалы на новый уровень.
