粉体技术在无机材料领域的应用2

粉体技术在无机材料领域的应用

2011年冬

摘要：以玻璃、水泥、陶瓷为主的传统无机材料已经满足不了时代的需求，新兴的粉体技术给无机材料的应用注入了新的活力。本文主要总结了粉体技术对传统无机材料性能的改善以及在矿物加工方面的影响，特别是纳米粉体拓宽了无机材料在能源、环保、催化方面的应用。

关键词：矿物加工水泥粉体精细陶瓷纳米粉体

引言：粉体技术是随着近代科技的发展而发展起来的一门新兴科学技术，它是物理、化学、化工、机械、冶金、材料、生物、信息控制等学科的交叉学科。无机材料的应用历史也很久远，传统的无机材料仍有用武之地，但生产过程中的污染及优良性能的单一这些缺点显而易见。对于任何一项技术或工业过程，其经济性和实用性是决定其存在的根本因素。对于无机材料，将粉体的制备工艺、微观结构、宏观物性、工业化生产和应用技术等有机的结合起来，作为系统工程对粉体的制备过程机理进行深入的研究，增强对微粒的形状、分布、粒度、性能等指标的控制技术，并不断完善粉体的性能测试、表征手段，都从而促进粉体技术在无机材料领域的发展。

1.矿物加工

矿物经粉碎分级后直接用于农业、化工、造纸、塑料、橡胶、涂料等产品中。造纸涂布级高岭土希望在超细粉碎的同时保持片状矿物的特性，提高粉料的涂布遮盖能力。在粉碎工艺上尽量选择剥片原理的粉碎方式和设备，从粉碎机理上来说，强化外力能加强对高岭土的强力剪切。同样是造纸涂布级的超细膜重质碳酸钙，其原始结晶多为立方多面体，为了达到超细粉碎的目的，则需要强化矿物颗粒的体积粉碎和表面的研磨。

复合材料增强用的硅灰石在粉碎时应尽量保持它原始的针状结晶状态，是产品成为天然的短纤维增强材料。强力冲击式粉碎机能够在矿物颗粒内部短时间内形成较强的内应力，使颗粒内部沿着解理面形成裂纹，逐渐扩大直至最后分离形成细小的针状颗粒。

云母由于它的多层结构多被用作电介质材料和珠光颜料，粉碎加工过程中应尽可能保证所得颗粒的径厚比一定。作为珠光颜料的云母粉体，其表面不能有太多的划伤，否则会影响其光学效果。在粉体设备的选择上应尽量选用高压射流式粉碎机，利用颗粒内部层间的膨胀压力而将将颗粒剥离，达到预期的粉碎效果。

重质碳酸钙是由方解石或大理石经粉碎分级而成，它的硬度较低，加工过程中要求有较高的白度。众多的粉碎设备中没几乎都可以用于重质碳酸钙的生产。由于其单位重量售价低，因此比轻质碳酸钙用量大，关键是如何无污染、低成本地达到加工目的是设备和工艺选择的重要问题。目前常用的雷蒙磨和球磨机或振动磨与分级机结合的冲击加超细研磨的方式。这种方式得到的粉体中细粉含量较高，常用于一些聚合物的填充从而得到优异性能的复合材料。

锆英砂的主要成分为硅酸锆，原料中常含有铁、钛等杂质。它的性质稳定，耐研磨，其微粉作为陶瓷行业釉料的乳浊剂，具有遮盖力强，乳浊效果好等特点。然而，锆英砂的超细粉碎过程是一个耗能大、设备磨碎严重、产品易污染的复杂过程。为实现低成本生产、必须综合分析加工工艺，优化设备组合，在能耗和其

他消耗尽可能低的条件下产生高质量硅酸锆粉体。为了高细度，尽可能采用搅拌研磨的方式。为了保证产品的纯度，还需要配合酸洗等提纯措施。

2.水泥粉体

水泥是常用的建筑材料，在生产过程中需要对原料和成品进行两次研磨粉碎。随着对混凝土制品强度要求的提高，水泥的细度也在逐渐增加。原料细度的提高有利于改善原料各组分的混合均匀度。降低游离氧化钙的含量。水泥熟料的硬度较大，而细粉含量的高低在一定程度上决定了混凝土早期强度的高低。水泥的粒度分布对混凝土在不同龄期的强度有着决定性的影响。为了改善混凝土强度降低水化热和减小收缩，近年来磨细矿渣、磨细粉煤灰等混凝土掺合料的用量逐年增加。这类产品的生产设备主要是大型的球磨机振动磨、高效分级机等。

有人利用SEM、XRD、TG-DTA、IR、激光粒度仪、微量热仪、比表面积及孔隙度分析仪等现代分析测试手段研究了微纳粉体对硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥物理力学性能的影响及机理。在此基础上，进一步探讨了超微细矿渣、超微细粉煤灰对水泥物理力学性能的影响，探讨了利用矿渣、粉煤灰、石灰石制备绿色高性能复合超细矿粉的适宜配方和适宜的生产工艺。他们的研究结果表明：纳米SiO2和硅灰对水泥的强度都有较大幅度的提高，在3天以后，掺纳米SiO2的水泥试样强度明显高于掺硅的。这主要是由于纳米SiO2的粒径比硅灰的粒径小，纳米SiO2具有更大的表面能，纳米SiO2中[SiO4]4-离子团聚合程度低，导致了纳米SiO2的火山灰活性比硅灰的火山灰活性要高得多。掺有纳米SiO2的水泥试样中熟料矿物水化反应程度更高，CSH凝胶数量增长更快，结晶态Ca(OH)2含量更低。从而使掺有纳米SiO2的水泥浆体内比表面积和总孔体积。

3.精细陶瓷

精细陶瓷的应用目前,国外精细陶瓷主要被发达国家所垄断,特别是日本、美国和西欧等发达国家的精细陶瓷生产量和应用量是全世界最大的。日本和美国精细陶瓷产量约占全世界市场份额的80%以上.我国精细陶瓷的起步较晚,但改革开放以来,一些外资和中外合资精细陶瓷生产企业的逐渐发展壮大,促使我国的精细陶瓷产业已初具规模,但与日本和美国等发达国家相比,尚属起步阶段.目前,我国精细陶瓷的生产规模仍较小,由于缺乏行业的统计资料,还难于定量描述.但从其结构和功能来区分,我国精细陶瓷的发展趋势仍与国外精细陶瓷的发展趋势基本一致,主要是以电子陶瓷为主.精细陶瓷主要应用于电子、通信、化工、冶金、机械、汽车制造、能源、航空航天等空间技术装备以及国民经济各部门。

陶瓷工业的原料制备过程中需要对物料进行粉磨和混合。为了后续的挤压成型，多采用湿法的批次粉磨工艺。主要粉磨设备为批次球磨机。原料取决于浆料的粉磨效果好坏，直接影响着泥坯的流变性和成型烧结质量。研磨过程中要避免金属物的污染。所使用的衬板多为燧石、橡胶或聚氨酯等非金属材料。研磨介质采用球石或陶瓷磨球。

在精细陶瓷生产过程中、原料超细研磨更为需要。无论是功能陶瓷还是结构陶瓷。都是多种原料固相反应的产物。若原料粉碎得越细，多种原料的混合度就越高，固相反应也就越均匀彻底，产品性能也就越好。达到纳米级的陶瓷微纳米陶瓷，通过其小尺寸效应，希望克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。若能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术难题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。在制备纳米粉体