等离子球磨机的研制及其振动平台试验

目的实现球磨室在常压下的大面积介质阻挡放电等离子体,开发出商用等离子球磨机。方法通过在不同弹簧和平台质量条件下,利用振动传感器测试平台的振幅(峰峰值)和加速度(有效值)数值,对比确定最优配置和机械振动参数。结果当振动平台振幅接近球磨室内径时,获得高振幅和高加速度的磨球,显著缩短了气体放电间距,实现了球磨室在常压下的大面积介质阻挡放电等离子体。所设计的单筒等离子振动球磨机,其振动平台可选用φ7 mm、φ8 mm两组弹簧,根据平台质量的不同,选择不同类型的激振块组合,可以在30 Hz转速以上实现平台振幅峰峰值达到或者接近球磨罐内径值,同时拥有10g以上的加速度有效值。结论本试验综合机械振动学、高压绝缘放电和材料加工技术,所研制的等离子体球磨机实现了机械能和等离子体能在球磨过程中的协同作用,显著提高了粉末活性,降低了化合物合成反应激活能,从而显著提高了所制备材料的性能。

等离子球磨技术在材料制备中的应用

具有大规模量产潜力的高能球磨技术自诞生以来,引起了人们极大的兴趣。但是,传统的高能球磨依靠单一的机械能输入,存在效率低、能耗高、粉末污染等问题。在球磨过程中引入其他能量场实现的外场辅助球磨对解决上述问题具有重要意义。与传统高能球磨相比,外场辅助球磨具有两大应用优势:(1)球磨时间明显缩短;(2)可以合成特殊化合物。目前常用的外能量场包括超声波、磁场、温度场、电场和等离子体。利用介质阻挡放电,将大面积的冷场等离子体引入球磨过程所发展的等离子球磨技术可以实现球磨效率、球磨产能和工艺可控性三方面的提升。当前等离子球磨技术应用已涉及诸多材料体系,但是由于冷场等离子体的复杂性和非热平衡特性,等离子体、等离子体-机械力耦合对材料合金化特点和反应机制的影响仍是重点研究内容。近年来,研究人员针对不同的材料体系发挥等离子球磨效能的工作取得了一定的进展。本文主要介绍等离子球磨技术的基本原理、特点及其在多种材料制备中的应用,重点分析等离子球磨所制备的材料的特殊结构、优异性能及其组织结构形成机制。针对当前的研究进展,本文还总结了等离子球磨技术的发展前景和面临的挑战,旨在为等离子球磨制备高性能材料提供参考。

等离子球磨技术在制备WC-Co硬质合金中的应用

本文简述了高强韧WC-Co硬质合金的发展方向,介绍了等离子球磨新技术的基本原理和方法,总结了近年来基于等离子球磨技术的"碳化烧结一步法"在制备高性能WC-Co硬质合金中的进展。等离子球磨制备硬质合金表现出3点优势:(1)显著提高了W与C反应的活性,极大地降低了WC的合成温度,有望采用"碳化烧结一步法"制备WC-Co硬质合金,简化制备工艺流程,实现节能降耗;(2)等离子球磨有利于形成板状结构的WC晶粒,并且能够较方便地控制WC的形态,为设计和调控WC-Co硬质合金的组织创造了很大的空间;(3)利用等离子球磨方法制备WC-Co硬质合金适于普通烧结的规模生产技术,所得到的材料具有优异的强韧力学性能。

等离子体辅助球磨活化Al2O3合成AlN

利用介质阻挡放电等离子体辅助球磨和普通球磨分别对Al2O3粉末进行活化,研究等离子体辅助球磨活化Al2O3合成Al N的碳热还原反应机制。结果表明:等离子体辅助球磨40 h的Al2O3粉末,在N2气氛中于1400℃下保温4 h可以完成碳热还原反应,全部转化为Al N。经等离子体辅助球磨后,Al2O3的碳热还原反应符合气相反应机制,等离子体辅助球磨活化大大降低Al2O3的后续反应温度,辅助球磨40 h后的Al2O3合成Al N的反应激活能下降到371.5 k J/mol。等离子体的协同效应促使辅助球磨中Al2O3晶体产生更严重的晶格畸变,这是激活Al2O3并促进碳热还原反应的一个重要因素。

等离子体辅助球磨制备表面修饰纳米TiO_2的摩擦学性能分析

以季铵盐和月桂酸钠为过程处理剂,利用等离子体辅助球磨制备表面修饰纳米TiO_2粉体,并测试其摩擦学性能.结果表明:在等离子体的热爆效应及脉冲电子轰击效应的协同作用下,辅助球磨11 h制备的表面修饰纳米TiO_2粉体粒径在20 nm左右,晶型发生由锐钛矿型向金红石型的转变.等离子体辅助球磨使得纳米TiO_2获得了良好的亲油疏水表面特性,在40CA船用润滑油中表现出稳定的分散性.由于纳米TiO_2粉体的"微轴承"作用,复合润滑油的摩擦系数降低,摩擦副的磨损失重量减少.纳米TiO_2粉体在摩擦过程中容易吸附沉积在摩擦副表面并修补磨痕,使得复合润滑油具备良好的减摩及自修复性能.

等离子体辅助球磨活化对Al_2O_3+C合成AlN固-固反应的影响机制

利用介质阻挡放电等离子体辅助球磨和普通球磨分别对Al_2O_3+C混合物料进行活化,研究等离子体辅助球磨活化后Al_2O_3+C合成AlN的碳热还原反应机制。结果表明,等离子体辅助球磨30h的Al_2O_3+C,在N2气氛中1 400℃下保温4h,Al_2O_3即可全部转化为AlN,Al_2O_3+C的碳热还原反应符合固-固反应机制。相对于球磨活化单一的Al_2O_3粉末,等离子体辅助球磨Al_2O_3+C混合粉末可以缩短10h的球磨活化时间,这主要是由于在等离子体与球磨的协同作用下,有利于Al_2O_3与C形成适于固-固反应的均匀互溶的精细复合结构,使得反应扩散通道增加,平均扩散路径缩短,这在动力学方面大大促进了Al_2O_3+C的碳热还原反应,并促使反应按照固-固机制进行。

球磨时间对放电等离子烧结合成Ti_3SiC_2纯度的影响

本文采用原料配比为3Ti/Si/2C/0.2Al(摩尔比)的单质混合粉体为原料,进行机械合金化(MA)和随后的放电等离子烧结(SPS),以制备高纯Ti3SiC2陶瓷,研究了球磨时间对放电等离子烧结制备Ti3SiC2的影响。结果表明,机械合金化混合粉体后,粉体颗粒明显细化。球磨10h,单质混合粉体会发生化学反应,生成TiC,Ti3SiC2混合粉体。继续球磨至20h,生成物混合粉体会显著细化。球磨时间对SPS烧结合成Ti3SiC2有显著的影响。球磨10h,即反应刚刚完毕,最有利于SPS合成致密高纯的Ti3SiC2,球磨时间较短(5h),对Ti3SiC2陶瓷的烧结促进作用不显著,而反应后继续延长球磨时间至20h,会降低烧结体中Ti3SiC2的纯度。采用球磨10h的粉体为原料,经850℃放电等离子烧结可获得纯度高达96%(质量分数,下同)的Ti3SiC2疏松块体,烧结温度提高到1100℃,可获得纯度为99.3%、相对密度高达98.9%的TiSiC致密块体。

介质阻挡放电等离子体辅助球磨对纳米TiO2粉体的表面改性

为了改善纳米TiO2粉体在润滑油中的分散稳定性,分别以硬脂酸、油酸、季铵盐+月桂酸钠作为表面修饰剂,通过介质阻挡放电等离子体辅助球磨11 h后制备了表面改性的纳米TiO2粉体。采用SEM、FT-IR、XPS、XRD、TG-DSC、亲油化度等对样品进行分析。结果表明:经球磨制备的TiO2粉体粒径在50~200 nm之间,相比原始颗粒晶粒尺寸减小了12%~68%,晶格畸变显著增加;修饰剂中的亲油基团-CH2和-CH3原位修饰在TiO2表面,有机物中的羧酸根和TiO2表面的羟基发生化学反应形成了稳定的共价化学键,使纳米TiO2粉体的亲油化度值明显提高,极大改善了纳米TiO2在润滑油中的分散稳定性。在等离子体辅助球磨过程中,等离子体的快速加热效应是促进TiO2粉体细化、提高粉体活性并影响其表面改性的主要原因之一。

等离子体辅助球磨对Al+C_4H_4N_4合成超细AlN的影响机制

对铝(Al)和二氨基马来腈(C_4H_4N_4)的混合物分别进行等离子体辅助球磨和普通球磨,研究等离子体辅助球磨活化对合成AlN的作用机制。结果表明:相对于普通球磨,等离子体辅助球磨更有利于Al粉的晶粒细化和晶格畸变,并有利于形成Al-C_4H_4N_4纳米级的复合结构。辅助球磨中的等离子体促进C_4H_4N_4的脱胺,使C_4H_4N_4分解出更多的游离含N基团,加速与活化的Al合成AlN,辅助球磨14 h后AlN的转化率达到91%,远高于普通球磨合成AlN的产率83%。等离子体辅助球磨8 h的Al+C_4H_4N_4前驱体发生氮化反应的激活能为353.46 kJ/mol,在Ar中于800℃保温1 h可以通过固-固反应机制全部转化为超细AlN,而普通球磨8 h的前驱体反应激活能高达441.21 kJ/mol,Al需熔化后才能进行氮化反应,导致部分C_4H_4N_4先行受热分解蒸发,AlN产率仅为86%。辅助球磨促进AlN合成的主要原因是等离子体放电的高频脉冲轰击和瞬态"电火花"对粉体产生协同球磨作用。

等离子体辅助球磨制备表面修饰片状纳米Cu粉及摩擦学性能

以硬脂酸为过程处理剂,采用等离子体辅助球磨制备表面修饰片状纳米Cu粉,并测试其摩擦学性能。结果表明:在等离子体的快速加热及电致塑性效应协同作用下,Cu粉呈现出超塑性而发生剧烈形变,辅助球磨5h制备的片状纳米Cu粉一次颗粒厚度在20nm左右。等离子体辅助球磨使片状纳米Cu粉体表面吸附并化学键合了非极性基团,Cu粉获得亲油疏水表面特性,在40CA船用润滑油中具有良好的分散性。片状纳米Cu粉严重的变形使其具有极高的活性,在摩擦过程中容易吸附铺展在摩擦副表面,使复合油有更好的抗磨性能。在高载荷、高转速工况下,片状纳米Cu粉显示出良好的减摩自修复效果,有效提高了润滑油的极压抗磨性能。

磺酸钙/油酸改性碳基二硫化钼的制备及在乳化油中的摩擦学性能

为了研究MoS_(2)/C复合粉体的改性及其对乳化油润滑性能的影响,以膨胀石墨和MoS_(2)为原料、油酸和高碱值磺酸钙为修饰剂,通过等离子体辅助球磨原位完成粉体的制备及改性,利用扫描电镜、透射电镜、拉曼光谱及红外光谱仪对粉体进行表征。结果表明:等离子体辅助球磨20 h后,在等离子体的热爆协同作用下,膨胀石墨被不断剪切剥离形成了近石墨烯片层结构,部分MoS_(2)被细化为20 nm左右的鳞片状,部分MoS_(2)由于热爆飞溅到石墨层上并冷凝形成石墨烯包覆的球状结构,这些MoS_(2)微粒均匀附着在碳基石墨片层上;同时,在辅助球磨过程中,油酸中的羧基与膨胀石墨和磺酸钙的羟基基团发生酯化反应,完成对粉体的表面改性,粉体具有较大的亲油化度值,并可抑制MoS_(2)/C的氧化。将制备的改性MoS_(2)/C添加在乳化油中进行摩擦学性能测试,发现改性后的MoS_(2)/C沉积吸附在表面磨痕上,同时在摩擦副表面生成一层硫酸/磺酸盐化学膜,有效抑制了水分对MoS_(2)/C减摩自修复性能的影响,使乳化油保持良好的润滑性能。

表面修饰硼酸钾作为船用气缸润滑油添加剂的高温摩擦学性能

以月桂酸钠和十六烷基三甲基溴化铵为复配型修饰剂,采用等离子体辅助球磨法制备表面修饰硼酸钾润滑添加剂,通过扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)及同步热分析仪(DSC-TG)对添加剂进行表征分析,研究其在低碱值船用气缸油中的高温摩擦学性能,并讨论其减摩自修复机制。结果表明:在等离子体热效应和钢球机械研磨的耦合作用下,等离子体辅助球磨10 h的硼酸钾粉体和修饰剂被微区熔融并快速细化,获得的一次颗粒平均粒径在100~300 nm之间。通过修饰剂中离子对的化学作用,硼酸钾粉体表面吸附并化学键合—CH_(2),—CH_(3)有机分子基团,实现粉体的亲油化改性,并保障在FEOCY 54低碱值船用气缸油中的分散性。在摩擦过程中,硼酸钾微粒在电荷作用下不断吸附沉积到摩擦表面,在金属接触区域形成滚动润滑及抗磨沉积膜,同时摩擦表面与硼酸钾粉体发生摩擦化学反应生成Fe_(2)O_(3),Fe_(3)O_(4),B_(2)O_(3)极具减摩抗磨作用的边界润滑膜,明显提高船用气缸油的高温摩擦学性能。

低压烧结温度对一步法制备超细晶WC-Co基硬质合金组织及性能的影响

采用等离子球磨技术制得W-C-10Co-0.9VC-0.3Cr_3C_2纳米复合粉体,并利用单向模压成型法将其压制成生坯,再经低压烧结一步法制备成硬质合金。研究表明,等离子球磨3h所获得的复合粉体呈片层状形貌,并且成分分布均匀。在1 380℃及1 400℃烧结时,由于等离子球磨的特殊作用,VC、Cr_3C_2对WC晶粒长大抑制作用突显。1 380℃烧结制备的硬质合金,致密度为99.2%,WC平均晶粒尺寸为250nm,硬度和横向断裂强度分别为92.3HRA和2 443 MPa,具有最佳的WC晶粒尺寸与致密度配合,以及最佳的综合力学性能。

金属磨损自修复纳米颗粒的研究进展

纳米颗粒作为润滑油添加剂用于金属磨损自修复得到了广泛研究。文章概述了常用的纳米材料在自修复方面的试验研究情况,分析了纳米材料的自修复机理。针对目前制备纳米添加剂存在的一些关键问题,重点介绍了等离子体辅助球磨技术。通过选择与润滑油适配的表面修饰剂,等离子体辅助球磨可以实现微粒细化与表面改性的同步完成。由于等离子体辅助球磨制备的纳米颗粒具有大批量、高活性、分散性好的特点,该技术在船舶动力装置的维修与再制造领域将有广阔的应用前景。

节能变压器用非晶合金的改性研究

采用分段机械球磨-放电等离子烧结法,进行了节能变压器用新型非晶合金Fe77Si9B13Ce0.5Nb0.2Cr0.3,并进行了XRD、SEM分析和软磁性能、力学性能和耐腐蚀性能的测试。结果表明,与现有非晶合金Fe78Si9B13相比,该新型非晶合金的软磁性能、力学性能和耐腐蚀性能均得到明显改善,其中初始磁导率和饱和磁感应强度分别增加了70%、32%,20℃时试样的抗拉强度和伸长率分别增加36%、4.4%,腐蚀电位正移268 m V。

Bimodal-grained Ti fabricated by high-energy ball milling and spark plasma sintering

Bimodal-grained Ti containing coarse and fine grains was fabricated by high-energy ball milling and spark plasma sintering (SPS). The microstructure and mechanical properties of the compacts sintered by Ti powders ball-milled for different time were studied. Experimental results indicated that when the ball-milling time increased, the microstructure of sintered Ti was firstly changed from coarse-grained to bimodal-grained structure, subsequently transformed to a homogeneous fine-grained structure. Compared with coarse-grained Ti and fine-grained Ti, bimodal-grained Ti exhibited balanced strength and ductility. The sample sintered from Ti powders ball-milled for 10 h consisting of 65.3% (volume fraction) fine-grained region (average grain size 1 μm) and 34.7% coarse-grained region (grain size > 5 μm) exhibited a compress strength of 1028 MPa as well as a plastic strain to failure of 22%.

碳化烧结一步法制备WC-10Co硬质合金的摩擦磨损性能

以W、C、Co、VC、Cr_(3)C_(2)为原料,按照WC-10Co-0.9VC-0.3Cr_(3)C_(2)进行配料,采用等离子球磨和碳化烧结一步法制备了WC-10Co硬质合金。试验结果表明,WC-10Co硬质合金平均晶粒度为0.25μm,致密度为99.2%,硬度为92.3 HRA。WC-10Co硬质合金摩擦系数随着载荷的增加而减小,平均摩擦系数在0.48~0.57之间。与商用YG8硬质合金相比,通过碳化烧结一步法制备的WC-10Co合金具有更短的“跑和期”,更低的摩擦系数以及更高的耐磨损性能。模拟结果表明,碳化烧结一步法所制备的WC-10Co合金亚表层受磨球影响引起的Hamilton最大接触应力为1 563.9 MPa,远低于商用YG8硬质合金的1 847.1 MPa。

纳米偏硼酸钙/还原石墨烯润滑添加剂的制备及摩擦学性能

为了研究表面改性纳米偏硼酸钙/还原石墨烯润滑添加剂的合成方法,以偏硼酸钙、还原石墨烯为原料,油酸为修饰剂,利用等离子体辅助球磨制备纳米偏硼酸钙/还原石墨烯复合粉体,并测试其摩擦学性能。采用扫描电镜、透射电镜、X射线衍射仪和红外光谱仪对纳米偏硼酸钙/还原石墨烯复合粉体进行形貌观察;采用形状测量激光显微镜、扫描电镜对摩擦副表面进行测试;采用MOAⅡ油液分析光谱仪对摩擦油样进行检测。结果表明:在钢球机械研磨和等离子体热效应的耦合作用下,等离子体辅助球磨10 h的偏硼酸钙与还原石墨烯继续球磨10 h后,被细化为10 nm左右的颗粒状,并均匀地负载于还原石墨烯上。等离子体快速加热使得偏硼酸钙粉体表面发生热爆,部分偏硼酸钙飞溅在还原石墨烯上,并随即被其包裹为球状复合结构。等离子体辅助球磨10 h为偏硼酸钙表面引入羧基基团,并在后续球磨中与还原石墨烯表面的羟基发生酯化反应,原位完成油酸对偏硼酸钙和还原石墨烯的表面改性,使得纳米偏硼酸钙/还原石墨烯复合粉体在5W-40型机油中具有良好的分散性。在摩擦过程中,比表面积大的还原石墨烯不断吸附在摩擦表面,同时被还原石墨烯包裹为球状的纳米偏硼酸钙粒子,使摩擦副表面产生多活动中心的滚动摩擦,从而有效改进复合油的减摩抗磨性能。

W粉粒径和烧结温度对一步法制备WC-10%Co硬质合金组织性能的影响

等离子球磨“碳化烧结一步法”制备WC-Co硬质合金有利于板状晶WC的形成和形态控制。本文进一步研究了等离子球磨W-C-Co复合粉末的组织演变,着重考察原始W粉粒径和烧结温度对WC-10%Co硬质合金组织、性能的影响。结果表明,等离子球磨使W颗粒显著呈片状,并增加其中位错等缺陷,提高粉末中的变形储能,同时增加了W/C反应界面,均有利于WC板状晶的生成;随着原始W粉粒径增加,等离子球磨所制备的层片状聚集体的片径越大,其生成的板状WC晶粒也越大,板状WC晶粒的定向排列程度也越高;随着烧结温度增加,WC晶粒的长径比和板状WC晶粒的定向排列程度有所提高。当原始W粉粒径为2.5μm、烧结温度1440℃时,所制备的WC-10%Co硬质合金样品垂直于压制方向截面的横向断裂强度、硬度和断裂韧性分别为3542 MPa、14.896 GPa、16.73 MPa·m^(1/2);平行于压制方向截面的硬度和断裂韧性为13.975 GPa、15.06 MPa·mm^(1/2)。