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一种高能球磨结合喷雾干燥技术制备超细碳化硼造粒粉的方法与流程

来源：花匠小妙招时间：2025-02-25 17:15

本发明涉及粉体材料的制备方法，具体涉及一种高能球磨结合喷雾干燥技术制备超细碳化硼造粒粉的方法。

背景技术：

碳化硼具有较高的b-c共价键和较低的自扩散系数。极强的共价键赋予了碳化硼陶瓷优异的性能，如：超高的硬度和耐磨性、高熔点等。但是同时又降低了其烧结性能，增加了烧结致密化的难度。

无压烧结法能以相对较低的成本制备大尺寸、外形复杂的各种产品，适合大批量生产，具有工业化前景。但碳化硼共价键极强，自扩散系数很低、晶界移动困难，无压烧结致密化不易，如常规碳化硼粒料采用无压烧结只能达到80％左右的致密度。碳化硼粉体的粒径大小、粒度分布以及流动性等参数会直接影响到粉体的成型密度和烧结性能，可通过减小粉末粒度来帮助烧结，但粉体过细，如细至亚微米级或纳米级，则粉体颗粒的比表面积较大，比表面能高，非常容易团聚，粉体颗粒的流动性很差，分散性也不好。采用湿法混料-喷雾造粒的工艺可以避免浆料中各个组分的再次团聚以及沉降，得到的浆料分散稳定性好，而且喷雾干燥所得的造粒颗粒形状为球形，粒度分布级配合理，流动性能良好，将粉末喷雾造粒后压制得到的素坯致密度以及均匀性大大提高，有利于碳化硼陶瓷的无压烧结。

现有的喷雾造粒技术一般采用一定晶粒尺度的陶瓷原料，添加各种功能添加剂、有机溶剂如乙醇后，通过普通湿法球磨来实现陶瓷粉体与添加剂的均匀分散，再喷雾干燥造粒。采用有机溶剂喷雾干燥，不但成本高且存在安全问题，发展水基体系浆料的喷雾造粒技术已成为陶瓷浆料喷雾造粒的必然趋势，但应用于碳化硼陶瓷中还需要进一步完善相关技术。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种高能球磨结合喷雾干燥技术制备超细碳化硼造粒粉的方法，以去离子水为溶剂，所得超细碳化硼造粒粉流动性大大提高，成型性能好，得到素坯的晶粒尺度大幅减小、均匀性及致密性提高，适宜制造高致密度高性能的碳化硼陶瓷。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案是：

提供一种高能球磨结合喷雾干燥技术制备超细碳化硼造粒粉的方法，其步骤如下：

1)配料：将各原料按照以下质量百分比配料：碳化硼微粉45～51％，去离子水38～45％，润滑剂a0.9～1％，润滑剂b0.45～0.51％，分散剂0.45～0.51％，粘结剂a2.3～2.6％，粘结剂b0.45～0.51％，粘结剂c4.5～5.1％，消泡剂0.04～0.07％；

2)制浆：将去离子水、润滑剂a、润滑剂b、分散剂、粘结剂a、粘结剂b置于聚四氟乙烯球磨罐中，加入球磨球置于行星球磨机上进行球磨混料，然后将碳化硼微粉加入球磨罐中，继续球磨0.5h，再将粘结剂c加入球磨罐中球磨12～18h，最后将消泡剂加入球磨罐中球磨10min得到浆料；

3)喷雾干燥造粒：将步骤2)所得浆料用喷雾干燥造粒仪进行干燥造粒，得到超细碳化硼造粒粉。

按上述方案，步骤1)所述碳化硼微粉的中位粒径d50为2.5～3.5μm。

按上述方案，步骤1)所述润滑剂a为聚氧乙烯类润滑剂；所述润滑剂b为甘油；所述分散剂为氨醇类分散剂；所述粘结剂a为聚乙烯醇类粘结剂；所述粘结剂b为环糊精；所述粘结剂c为水溶性酚醛树脂；所述消泡剂为丙二醇。

按上述方案，步骤2)所述球磨混料的工艺为：球磨球采用碳化硼球，球料比为3～4:1，球磨转速为300r/min，球磨时间为0.5h。

按上述方案，步骤3)所述喷雾干燥造粒的工艺条件为：喷雾干燥造粒仪入口温度为175～185℃，出口温度为90～105℃，泵速为8％，空气流量为45～60m3/h。

本发明还包括根据上述方法制备的超细碳化硼造粒粉，所述超细碳化硼造粒粉为规则球形，中位粒径d50为50～130μm，超细碳化硼造粒粉由大小均一的碳化硼粉末颗粒堆积而成，碳化硼粉末颗粒的中位粒径d50为0.8～1.2μm。

高能湿法球磨不仅可以均匀分散陶瓷粉体与添加剂，还可以同时细化陶瓷颗粒粒径，获得晶粒细化的均匀分散体系。喷雾造粒是对粉体进行流态化处理后喷雾干燥，将混合好的浆料直接喷雾到热空气中，在非常短的时间内干燥，得到形状规则的球状粉粒。对陶瓷浆料应用喷雾造粒工艺，可以避免各组份的再团聚和沉降分离，保持了浆料原有的均匀性；同时浆料雾化均匀，得到的粉体粒度分布均匀，流动性好，适合连续自动成型，提高效率，减少粉尘，缩短人手工接触粉体的时间，而且有利于提高素坯的密度、均匀性和烧结性能。

本发明的有益效果在于：本发明采用湿法高能球磨结合喷雾造粒工艺，将平均粒径2.5～3.5μm的商业碳化硼粉末球磨细化造粒，得到呈规则球状、表面规整光滑的超细碳化硼造粒粉，不同工艺条件下，造粒粉的d50大致介于50～130μm之间，造粒粉由大小均一、近似球形的碳化硼粉末颗粒堆积而成，碳化硼粉末颗粒的中位粒径d50为0.8～1.2μm。造粒粉体松装密度0.72～0.84g/cm3，休止角在20～26°；将造粒粉在40～50mpa的成型压力下干压成形，然后在200mpa下冷等静压后，得到的素坯密度在1.4～1.9g/cm3，与碳化硼原微粉相比，松装密度提高50％以上，休止角也大幅度减小，素坯的相对密度最高达到59％。综上可知，经过喷雾造粒处理粉体的工艺性能得到明显改善，得到素坯密度高，适宜制备高致密度高性能的碳化硼陶瓷。

附图说明

图1为实施例1所制备的超细碳化硼造粒粉的sem图；

图2为实施例2所制备的超细碳化硼造粒粉的sem图；

图3为实施例3所制备的超细碳化硼造粒粉的sem图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

本发明实施例所用润滑剂a为武汉美琪林新材料有限公司生产的聚氧乙烯改性制剂mq9002；所用分散剂为武汉美琪林新材料有限公司生产的氨醇复合物mq5088；所用粘结剂a为武汉美琪林新材料有限公司生产的改性聚乙烯醇制品mq35。

实施例1

将各原料按照以下质量百分比配料：碳化硼微粉20g(d50：2.5～3.5μm)，去离子水20g，润滑剂a0.4g，甘油0.2g，分散剂0.2g，粘结剂a1g，环糊精0.2g，水溶性酚醛树脂2g，丙二醇0.02g；

将去离子水、润滑剂a、甘油、分散剂、粘结剂a、环糊精置于聚四氟乙烯球磨罐中，加入碳化硼球置于行星球磨机上进行球磨混料，球料比为3:1，球磨转速为300r/min，球磨0.5h，然后将碳化硼微粉加入球磨罐中，继续球磨0.5h，再将水溶性酚醛树脂加入球磨罐中球磨12h，最后将丙二醇加入球磨罐中球磨10min得到浆料；所得浆料用喷雾干燥造粒仪进行干燥造粒，设置喷雾干燥造粒仪进口温度180℃，出口温度90～105℃，泵速为8％，空气流量为45～60m3/h，冷却收集造粒粉，过300目筛，得到超细碳化硼造粒粉。

经测试，本实施例所得的浆料的粘度为20mpa·s，浆料中碳化硼颗粒的zeta电位为-68mv，说明所得浆料的粘度低、分散稳定性好，测得浆料中碳化硼颗粒的中位粒径介于0.8～1.2μm之间。本实施例所得造粒粉的扫描电镜图如图1所示，可见粉体呈规则球状，造粒粉表面规整光滑，造粒粉颗粒的粒径分布较大，尺寸直径介于30～150μm。造粒粉体松填充密度为0.72g/cm3，休止角为22°，将造粒粉在43mpa下进行干压成型，然后在200mpa下进行冷等静压成型后，测得素坯的密度为1.43g/cm3(碳化硼微粉密度为2.52g/cm3)，相对密度为57％。

实施例2

将各原料按照以下质量百分比配料：碳化硼微粉20g(d50：2.5～3.5μm)，去离子水18g，润滑剂a0.4g，甘油0.2g，分散剂0.2g，粘结剂a1g，环糊精0.2g，水溶性酚醛树脂2g，丙二醇0.02g；

将去离子水、润滑剂a、甘油、分散剂、粘结剂a、环糊精置于聚四氟乙烯球磨罐中，加入碳化硼球置于行星球磨机上进行球磨混料，球料比为4:1，球磨转速为300r/min，球磨0.5h，然后将碳化硼微粉加入球磨罐中，继续球磨0.5h，再将水溶性酚醛树脂加入球磨罐中球磨18h，最后将丙二醇加入球磨罐中球磨10min得到浆料；所得浆料用喷雾干燥造粒仪进行干燥造粒，设置喷雾干燥造粒仪进口温度175℃，出口温度90～105℃，泵速为8％，空气流量为45～60m3/h，冷却收集造粒粉，过300目筛，得到超细碳化硼造粒粉。

经测试，本实施例所得的浆料的粘度为25mpa·s，浆料中碳化硼颗粒的zeta电位为-65mv，说明所得浆料的粘度低、分散稳定性好，测得浆料中碳化硼颗粒的中位粒径介于0.8～1.0μm之间。所得造粒粉扫描电镜图如图2所示，可见粉体呈规则球状，造粒粉表面规整光滑，造粒粉颗粒的粒径分布较大，尺寸直径介于50～150μm。造粒粉体松填充密度为0.8g/cm3，休止角为20°，将造粒粉在43mpa下进行干压成型，然后在200mpa下进行冷等静压成型后，测得素坯的密度为1.45g/cm3，相对密度为58％。

实施例3

将各原料按照以下质量百分比配料：碳化硼微粉20g(d50：2.5～3.5μm)，去离子水15g，润滑剂a0.4g，甘油0.2g，分散剂0.2g，粘结剂a1g，环糊精0.2g，水溶性酚醛树脂2g，丙二醇0.02g；

将去离子水、润滑剂a、甘油、分散剂、粘结剂a、环糊精置于聚四氟乙烯球磨罐中，加入碳化硼球置于行星球磨机上进行球磨混料，球料比为4:1，球磨转速为300r/min，球磨0.5h，然后将碳化硼微粉加入球磨罐中，继续球磨0.5h，再将水溶性酚醛树脂加入球磨罐中球磨18h，最后将丙二醇加入球磨罐中球磨10min得到浆料；所得浆料用喷雾干燥造粒仪进行干燥造粒，设置喷雾干燥造粒仪进口温度185℃，出口温度90～105℃，泵速为8％，空气流量为45～60m3/h，冷却收集造粒粉，过300目筛，得到超细碳化硼造粒粉。

经测试，本实施例所得的浆料的粘度为28mpa·s，浆料中碳化硼颗粒的zeta电位为-62mv，说明所得浆料的粘度低、分散稳定性好，测得浆料中碳化硼颗粒的中位粒径介于0.8～1.0μm之间。所得造粒粉扫描电镜图如图3所示，可见粉体呈规则球状，造粒粉表面规整光滑，造粒粉颗粒的粒径分布较大，尺寸直径介于50～150μm。造粒粉体松填充密度为0.84g/cm3，休止角为20°，将造粒粉在43mpa下进行干压成型，然后在200mpa下进行冷等静压成型后，测得素坯的密度为1.48g/cm3，相对密度为59％。