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格瑞德曼:行星式球磨仪在机械合金化和纳米材料制备领域的应用

在科研领域,行星式球磨仪有着非常广泛的应用,它可以对软性、硬性、脆性及纤维性样品进行研磨(干磨或湿磨)及混合处理,在很多实验室,行星式球磨仪通常也被用来研磨土壤、矿石、陶瓷、煤炭、水泥熔渣、肥料、木炭等样品,但基于其特殊的工作原理,行星式球磨仪可发挥的作用远不止磨碎这么简单,今天我们一起探讨下行星式球磨仪在机械合金化领域、纳米材料领域的应用。

说起机械合金化和纳米材料的制备,还是要从行星式球磨仪特殊的工作原理说起,究竟它有哪些不同之处,可以被用在这些高端材料的制备领域。

行星式球磨仪的工作原理

因为从动轮就像行星一样绕着主动轮转动,因此得名“行星式球磨仪”。当仪器启动时,电机带动公共的太阳轮转动,而位于太阳轮上的研磨罐则围绕自身的轴作自转运动,研磨罐自转的方向与太阳轮的方向相反。研磨球与研磨罐一起运转时,受到自转偏向力的叠加影响,在这种影响下,研磨球释放出大量的动能,样品不断受到研磨球的撞击,同时与研磨内壁产生大量摩擦,从而被高度粉碎。

01 球磨仪在机械合金化领域的应用

近年来,机械合金化的发展非常迅猛,它被广泛的应用于材料科学、化工、生物、制药等领域,作为材料科学研究重要工具,特别应用于机械式合金材料制备和纳米超细粉末的制备。

​我们先了解一下,何为机械合金化?

为什么它可以和行星式球磨仪联系在一起?

机械合金化(Mechanical Alloying,简称MA)是指金属或合金粉末在高能球磨机中通过粉末颗粒与研磨球之间长时间激烈地冲击、碰撞,使粉末颗粒反复产生冷焊、断裂,导致粉末颗粒中原子扩散,从而获得合金化粉末的一种粉末制备技术。

该项技术最早是美国国际镍公司的本杰明等人于1969年前后研制成功的一种新的制粉技术。这种工艺最初被称之为”球磨混合”,但是INCO(国际镍公司)的专利代理律师Mr.Ewan C. MacQueen在第一个专利申请中将此种工艺称之为”机械合金化”(Mechanical Alloying)。接着80年代初又在机械合金化过程中发现了非晶化现象,然后发现了准晶、难熔金属化合物、稀土硬磁合金等新材料。

1990年,Schlup等人发表了机械合金化制备纳米晶材料的报道,使该技术更加引人注目。到目前为止,用机械合金化技术已成功制备出纳米晶纯金属、不互溶体系固溶体纳米晶、纳米非晶、纳米金属间化合物及纳米金属、陶瓷复合材料等。

这种机械合金化粉末并非像金属或合金熔铸后形成的合金材料那样,各组元之间充分达到原子间结合,形成均匀的固溶体或化合物。在大多数情况下,在有限的研磨时间内仅仅使各组元在那些相接触的点、线和面上达到或趋近原子级距离,并且最终得到的只是各组元分布十分均匀的混合物或复合物。

当球磨时间非常长时,在某些体系中也可通过固态扩散,使各组元达到原子间结合而形成合金或化合物。所以近年来该种方法被广泛的应用于制备各种高性能材料,包括弥散强化合金、金属间化合物、磁性材料、储氢合金、纳米晶合金、纳米晶陶瓷、纳米复合材料等。

行星式球磨仪在机械化学的应用

行星式球磨仪的机械加工效果非常适合机械化学合成。机械撞击力提供了化学反应所需的活化能,使得复杂的反应能在无溶剂的条件下进行,反应类型多种多样,从氧化卤代反应和 Diels-Alder 双烯合成反应,到糖苷合成或简单的区域选择反应,机械化学可以实现用传统方法很难做到的反应,例如废弃物的脱卤素处理(DMCR)。一开始大颗粒可以用此方法制备,随着结构缺陷,例如晶格的错位,间隙和应力的增加,原子扩散速度也会快速增长,最终形成缝隙导致物性变脆,颗粒更容易破碎,研磨罐中的摩擦会产生高温,促进了扩散作用。

格瑞德曼BM系列行星式球磨仪可提供机械合金所必须的能量输出,可以制备熔融和浇注无法制备的样品,并选择任意比例的混合。在运行过程中,行星式球磨仪除了可以设定高速运行外,在环境气氛或惰性气体环境下,所提供的研磨罐还可配备安全紧固装置和通气盖。

研磨仪的影响因素

球磨仪的研磨时间、转速、研磨介质、球配比、转速、充填率、过程控制剂、分散剂,甚至气体环境和研磨温度等因素都会对机械合金的制备结果产生影响。而机械合金化这项制备技术,需要更高的能量输入和更好的气氛保护,以确保准确的温度监控。

除了上述提到的影响研磨结果的因素外,与样品直接接触的研磨罐的材质也是影响研磨结果的重要因素。如机械合金化,通常会选择碳化钨材质的研磨罐,因其硬度比较高,密度比较大,相对而言,它是作为能量输入的最佳材质之一,也是机械合金化在多数情况下必备的材质。

02 行星式球磨仪在纳米技术的应用

纳米技术:小颗粒的大作用

纳米技术,是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术。纳米技术研究的内容涉及现代科技的广阔领域, 如材料科学、制药学、食品、颜料或半导体技术。纳米粒子体积小,表面增大,物质的性能就会发生突变,出现特殊性能。如:相比大颗粒,纳米颗粒更难粉碎;纳米效应还广泛用于商业应用,如著名的纳米材料莲花效应,这种纳米颗粒放到纤维中,能做成防尘防水的布料。

纳米粒子是如何产生的 ? 

可以有:行星式球磨仪的机械方法、化学方法 以及蒸发凝聚三种制备方法。

如何使用球磨仪来做纳米研磨?

行星式球磨仪可将大颗粒尺寸研磨至纳米范围,由于同体积颗粒突增的表面积,小颗粒静电电荷相互吸引,胶体研磨可以得到纳米颗粒,因为颗粒在液体中分散抵消表面张力利于研磨。根据样品材料不同,水和酒精都可以作为分散介质,在某些情况下,需通过加入缓冲剂来中和表面电荷或加入大分子长链结构形成位阻效应。为了达到理想的研磨效果,我们可将0.5到 3 mm 直径可选的研磨球填充至研磨罐体积的 60%  ,这样可以使摩擦力最大化,填充大约为研磨罐体积1/3容量的样品,并添加一些合适的分散剂(例如水、异丙醇、缓冲液),使样品呈糊状均匀分散并达到纳米研磨的理想条件。

“格瑞德曼”的行星式球磨仪可将样品研磨至纳米级别,所提供的研磨罐和研磨球都是耐磨性最好的氧化锆材质,除此之外,不锈钢、玛瑙、刚玉、碳化钨材质的研磨罐和研磨球可满足实验中的多样化需求。

影响研磨结果的因素:

研磨设备、转速、研磨时间、介质、球料比、充填率、气氛、过程控制剂、分散剂、研磨温度。

03 行星式球磨仪的使用经验

​预粉碎

根据样品初始细度和最终出样细度的要求,有必要进行一次预粉碎过程。干法研磨通常使用 >3 mm 直径的研磨球,球料和剩余空间保持1:1:1 的比例,得到的样品可以用来做下一步的纳米研磨。

我们建议您选择和研磨罐材质相同的研磨球,以避免不必要的元素污染

●如果对出样细度有非常高的要求,推荐使用二次研磨,配合 0.1 到 0.5mm 直径的研磨球,特别是在第一次研磨使用的研磨球大小是 2 – 3mm 直径时更有必要。

注:

1、研磨球的直径必须至少是进样尺寸的 3 倍。

2、为了更好的分离样品和研磨球,可以使用筛网(筛网孔径需小于研磨球 20% 至 50%)和接收盘来更好的分离样品。

●如果样品在湿磨时溶胀,需要加入更多的分散剂来保持研磨球和样品混合均匀,如果样品极易溶胀,建议在研磨之前对其进行稀释。

注:

1、由于研磨时会产生热量,研磨罐的温度可高达 150°C,所以在拿取研磨罐的时候一定要小心。

2、需要特别注意研磨罐内的压力,因此,推荐使用 BM系列带有安全阀门和通气盖的研磨罐。

04 不同平台的球磨仪

行星式球磨仪特殊的工作原理,使得转速比对能量输入的大小、研磨效果有直接影响,而在实际的应用中,根据使用要求和期望的处理量,可选择1、2或4个研磨平台的研磨仪,也可以根据使用要求实现1:1到1:-3.5定制化设计。

一台高效、稳定可靠的行星式球磨仪可以让科研工作事半功倍!

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