徐婷婷，白國(guó)潤(rùn)，張小輝

干壓成型工藝參數(shù)對(duì)ZrO2干法制粒坯體孔隙率的影響

徐婷婷1，白國(guó)潤(rùn)2，張小輝2

(1. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 陶瓷美術(shù)學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2. 景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403)

為改善ZrO2陶瓷干法制粒坯體孔隙率偏高等問(wèn)題，探究干壓成型工藝參數(shù)對(duì)坯體孔隙率的影響。自主搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)ZrO2粉體進(jìn)行造粒，改變加壓壓力與保壓時(shí)間，制備坯體試樣。結(jié)合阿基米德法，分析孔隙率與體積密度、表觀密度和真實(shí)密度的關(guān)系，修正孔隙率計(jì)算模型。采用SEM圖對(duì)微觀形貌進(jìn)行表征，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。結(jié)果表明：加壓壓力與保壓時(shí)間對(duì)ZrO2坯體孔隙率有明顯影響。為制備孔隙率低的ZrO2陶瓷，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)加壓壓力為60 MPa，保壓時(shí)間為120 s時(shí)，制得孔隙率較低的ZrO2陶瓷坯體，孔隙率為6.41 %。

ZrO2陶瓷；干法制粒；干壓成型；坯體孔隙率

0 引 言

ZrO2陶瓷具有熔點(diǎn)高、硬度大、耐磨損和低熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，廣泛應(yīng)用于航空航天及生物醫(yī)學(xué)[3,4]等領(lǐng)域。但現(xiàn)有ZrO2陶瓷存在韌性不足、抗壓強(qiáng)度較低[5]等缺陷，一定程度上抑制了ZrO2陶瓷進(jìn)一步發(fā)展。ZrO2陶瓷制備工藝中，坯體孔隙率偏高是導(dǎo)致ZrO2陶瓷韌性不足的主要因素[6,7]，而干壓成型工藝參數(shù)在一定程度上影響坯體的孔隙率。通過(guò)優(yōu)化干壓成型工藝參數(shù)，降低坯體孔隙率，從而增強(qiáng)ZrO2陶瓷的性能。

改變干壓成型工藝參數(shù)，研究坯體性能變化，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞干壓成型工藝參數(shù)對(duì)材料性能的影響進(jìn)行了廣泛研究。譚援強(qiáng)等[8,9]建立氧化鉍陶瓷粉體干壓成型過(guò)程中的離散元模型，研究壓力、加壓速度、摩擦因素等工藝參數(shù)對(duì)成型坯體孔隙率的影響，并證實(shí)了壓力、加壓速度、摩擦因素等對(duì)坯體孔隙率都有明顯的影響；Salem S等[10]研究了成型壓力對(duì)陶瓷坯體尺寸穩(wěn)定性的影響，壓力對(duì)熱收縮及尺寸穩(wěn)定有較大影響，壓力的增加有利于減少微觀組織的缺陷；Ahmad Z A等[11]研究不同粘土在1200 ℃燒制溫度下的保濕過(guò)程和壓制壓力對(duì)其含水率的影響，并對(duì)其容重、二次收縮和吸水性能進(jìn)行評(píng)估；周健兒等[12]研究了成型壓力、PVA用量和厚度等工藝參數(shù)對(duì)氧化鋁載體滲透通量的影響規(guī)律，并制得了滲透通量穩(wěn)定、顯微結(jié)構(gòu)良好的氧化鋁載體。由上可知，干壓成型工藝參數(shù)是影響材料性能的重要因素，合理的工藝參數(shù)，在一定程度上能改善材料的性能。

基于以上對(duì)干壓成型工藝參數(shù)對(duì)材料性能的研究基礎(chǔ)，自主搭建ZrO2粉體干法制粒平臺(tái)，改變粉末壓片機(jī)加壓壓力、保壓時(shí)間，制備ZrO2坯體試樣。綜合阿基米德法，推導(dǎo)出ZrO2坯體孔隙率與其表觀密度、體積密度和真實(shí)密度的關(guān)系，修正ZrO2坯體孔隙率計(jì)算模型。采用SEM微觀形貌表征驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，分析干壓成型工藝參數(shù)對(duì)ZrO2陶瓷孔隙率的影響。該方法及結(jié)論對(duì)制備高性能ZrO2陶瓷具有一定的理論指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)裝置與原料

1.1 試樣制備平臺(tái)

本實(shí)驗(yàn)采用強(qiáng)逆流混合干法造粒機(jī)對(duì)ZrO2粉體進(jìn)行造粒。該造粒機(jī)主要由動(dòng)力系統(tǒng)、造粒系統(tǒng)和輔助造粒系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

(1) 動(dòng)力系統(tǒng)：電機(jī)Ⅰ帶動(dòng)造粒結(jié)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)；電機(jī)Ⅱ帶動(dòng)造粒室反向運(yùn)轉(zhuǎn)。

(2) 造粒系統(tǒng)：ZrO2粉體隨造粒室運(yùn)動(dòng)時(shí)，受反向運(yùn)轉(zhuǎn)造粒結(jié)構(gòu)的強(qiáng)剪切作用，ZrO2粉體不斷被造粒結(jié)構(gòu)帶至造粒室頂部，由離心力和重力作用掉落，受造粒系統(tǒng)的往復(fù)作用，實(shí)現(xiàn)造粒。

(3) 輔助造粒系統(tǒng)：由超聲波霧化噴嘴、內(nèi)壁刮板、升降系統(tǒng)和機(jī)架組成。超聲波霧化噴嘴將造粒添加劑溶?chē)姙⒅猎炝Ｊ覂?nèi)；內(nèi)壁刮板將粘附在造粒室內(nèi)壁的粉體刮落，繼續(xù)造粒；升降系統(tǒng)在放料與出料時(shí)控制造粒室密封蓋的升降；機(jī)架保持整個(gè)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)身穩(wěn)定性。ZrO2粉體在動(dòng)力系統(tǒng)、造粒系統(tǒng)和輔助造粒系統(tǒng)的反復(fù)作用下，不斷地上升、掉落、旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)造粒。

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

采用的主要原料為ZrO2粉體(Orient Zirconic)，平均粒徑為50 nm，純度為99.9 %。試樣制備所用添加劑主要有粘結(jié)劑聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol，PVA)，增強(qiáng)造粒效果的海藻酸鈉(Sodium alginate，SA)和起增塑效果的酞酸二丁酯(Dibutyl phthalate，DBP)。ZrO2造粒過(guò)程中，為保證顆粒質(zhì)量，造粒添加劑的含量為總質(zhì)量的1—5 %[13]，ZrO2粉體及各種添加劑的規(guī)格、含量、純度、作用及制造商如表1所示。

1-機(jī)架；2-造粒室；3-造粒結(jié)構(gòu)；4-超聲波霧化噴嘴；5-造粒室密封蓋；6-高速Ⅰ；7-內(nèi)壁刮板；8-升降系統(tǒng)；9-電機(jī)Ⅱ

表1 試樣原料表

1.3 試樣制備

圖2為試樣制備流程圖。

圖2 試樣制備流程圖

(1) 添加劑溶液的制備：將添加劑聚乙烯醇、海藻酸鈉、酞酸二丁酯按表1所示的質(zhì)量配比混合，與純凈水質(zhì)量比1:10進(jìn)行混合，加入后迅速采用電動(dòng)攪拌器攪拌15—20 min，待添加劑完全溶解后靜置5 min，添加劑溶液制備完成。

(2) ZrO2顆粒的制備：將ZrO2粉體添加至造粒室內(nèi)，蓋好造粒室密封蓋。啟動(dòng)設(shè)備，對(duì)ZrO2粉體進(jìn)行快速地?cái)嚢?，超聲波霧化噴嘴將制備好的造粒添加劑溶液均勻噴灑至造粒室內(nèi)，與正在造粒的ZrO2粉體充分混合。ZrO2粉體在造粒機(jī)各系統(tǒng)的反復(fù)作用下，實(shí)現(xiàn)造粒。

(3) 坯體試樣的制備：將制備的ZrO2顆粒通過(guò)干壓成型機(jī)進(jìn)行坯體試樣的制備，改變成型壓力和加壓時(shí)間，制備不同的坯體試樣，探究孔隙率的變化。

2 試樣孔隙率檢測(cè)與表征

2.1 坯體孔隙率檢測(cè)原理

(1) 試樣體積密度

采用圖11中的便攜式圖像檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)鈦合金銑削加工表面粗糙度研究表明，其精度可以與工業(yè)CCD相當(dāng)[18]。圖21表示便攜式系統(tǒng)獲得的不同Ra工件的表面紋理圖與灰度直方圖，可見(jiàn)其直觀特征明顯。

制備的ZrO2坯體試樣為規(guī)則的圓片狀，確定需要測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，依據(jù)公式(1)對(duì)ZrO2坯體試樣體積密度P進(jìn)行計(jì)算：

式中，m為坯體實(shí)驗(yàn)的干重；V為坯體試樣的總體積；為坯體試樣的直徑；為坯體試樣的高度。

(2) 試樣的表觀密度

根據(jù)密度計(jì)算公式，試樣表觀密度P計(jì)算原理如下：

根據(jù)阿基米德原理[14]，坯體試樣有效體積計(jì)算公式為：

得出試樣表觀密度P為：

式中，m為坯體實(shí)驗(yàn)的干重；m為坯體試樣的浮重；p為液體的密度。

根據(jù)孔隙率定義，推出孔隙率計(jì)算原理如下：

又由V=m/P，V=m/P，V=m/P，推出孔隙率與表觀密度、體積密度、真實(shí)密度關(guān)系如下：

由上可知，規(guī)則圓片狀坯體試樣的孔隙率可以通過(guò)其自身的體積密度、表觀密度和真實(shí)密度來(lái)表示。分析體積密度、表觀密度的計(jì)算公式，確定試驗(yàn)過(guò)程中需要測(cè)定的數(shù)據(jù)有：坯體試樣的干重、浮重，坯體試樣的直徑和高度。

2.2 坯體孔隙率檢測(cè)流程與表征

根據(jù)孔隙率求解方法，確定需要測(cè)量的數(shù)據(jù)。采用精度為0.02 mm的游標(biāo)卡尺測(cè)量圓片狀坯體試樣的直徑和厚度，在不同位置各測(cè)5次，取平均值作為最終數(shù)據(jù)；采用電子天平對(duì)坯體試樣的干重m進(jìn)行測(cè)量，精確至0.01 g；采用阿基米德原理，得坯體試樣浮重m確定所要參數(shù)。根據(jù)公式計(jì)算出坯體試樣孔隙率，SEM圖對(duì)ZrO2坯體表面微觀形貌進(jìn)行表征。比較分析各組坯體試樣表面氣孔的分布特點(diǎn)及形狀大小，通過(guò)氣孔的分布密度與氣孔的大小去近似表征ZrO2坯體試樣的孔隙率。

圖3 試樣檢測(cè)流程圖

3 結(jié)果與分析

3.1 加壓壓力對(duì)坯體孔隙率的影響

表2是加壓時(shí)間為90 s，改變加壓壓力，制得坯體各測(cè)量參數(shù)及孔隙率計(jì)算結(jié)果。加壓壓力為20 MPa時(shí)，孔隙率為14.18 %；當(dāng)壓力增加到40 MPa時(shí)，孔隙率有所下降，為10.35 %；加壓壓力為60 MPa時(shí)，坯體孔隙率為7.81 %；坯體加壓壓力增加到80 MPa，孔隙率為6.92 %；當(dāng)加壓壓力為100 MPa時(shí)，坯體孔隙率減小到6.62 %。保壓時(shí)間一定時(shí)，坯體試樣孔隙率大小隨壓力的增大而逐漸減小，且變化率逐漸降低。加壓壓力增大時(shí)，ZrO2顆粒與顆粒間開(kāi)始出現(xiàn)滑動(dòng)，顆粒開(kāi)始變形，堆積更加緊密，坯體試樣的壓實(shí)效果逐漸增強(qiáng)，坯體的孔隙率不斷減小，變化率逐漸降低。

表2 坯體孔隙率測(cè)量與計(jì)算結(jié)果

3.2 保壓時(shí)間對(duì)坯體孔隙率的影響

圖4是加壓壓力分別為20 MPa、40 MPa、60 MPa、80 MPa、100 MPa時(shí)，保壓時(shí)間與坯體孔隙率的關(guān)系圖。當(dāng)加壓壓力為20 MPa時(shí)，坯體孔隙率偏大，隨保壓時(shí)間的增加，孔隙率逐漸減小；保壓時(shí)間大于120 s后，孔隙率變化較小。坯體加壓壓力為40 MPa，保壓時(shí)間增加，孔隙率迅速減?。槐簳r(shí)間大于90 s后，孔隙率基本持平。加壓壓力增加到60 MPa，保壓時(shí)間小于90 s時(shí)，孔隙率受其影響較大，隨時(shí)間增加，孔隙率明顯降低；90 s后，孔隙率保持在7.20 %左右。壓力增加到80 MPa時(shí)，保壓時(shí)間對(duì)孔隙率的影響較小，孔隙率迅速穩(wěn)定在6.80 %左右。當(dāng)加壓壓力為100 MPa時(shí)，坯體孔隙率60 s達(dá)到穩(wěn)定；60 s后，基本不受保壓時(shí)間的影響，保持在6.00 %。加壓壓力一定時(shí)，孔隙率隨時(shí)間的增加逐漸減??；保壓時(shí)間過(guò)短，氣體不易排出，適當(dāng)延長(zhǎng)保壓時(shí)間，氣孔充分閉合，獲得較低的孔隙率。當(dāng)加壓壓力增加到一定值時(shí)，孔隙率能在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定。

圖4 保壓時(shí)間對(duì)坯體孔隙率的影響

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5是保壓時(shí)間為90 s時(shí)，改變加壓壓力，制備ZrO2坯體試樣的微觀形貌圖。比較各坯體試樣SEM圖可以看出，不同的加壓壓力，坯體中氣孔的分布及多少存在一定差異。加壓壓力為20 MPa時(shí)，明顯看出大氣孔，且數(shù)量較多，分布較廣；壓力增加到40 MPa時(shí)，坯體試樣中分布少許的大氣孔及數(shù)量較多分布較廣的小氣孔；加壓壓力為60 MPa時(shí)，存在少量的小氣孔且分布稀疏；當(dāng)加壓壓力增加到80 MPa時(shí)，氣孔有所減少，只剩下極少的小氣孔；繼續(xù)增加加壓壓力，至100 MPa時(shí)，坯體表面平整，氣孔小且極少。從分析坯體SEM圖中，比較各不同壓力下坯體試樣的微觀形貌。進(jìn)一步驗(yàn)證了當(dāng)保壓時(shí)間一定時(shí)，坯體試樣孔隙率大小隨壓力的增大而逐漸減小，且變化率逐漸降低。

圖5 不同壓力下試樣SEM圖

圖6是加壓壓力為60 MPa，改變保壓時(shí) 間，制備ZrO2坯體試樣的微觀形貌。保壓時(shí)間為30 s時(shí)，坯體存在明顯的大氣孔及數(shù)量較多 的小氣孔；保壓時(shí)間延長(zhǎng)至60 s，氣孔明顯的減少，且分布稀疏；時(shí)間增加到90 s時(shí)，坯體中存在少量的小氣孔；保壓時(shí)間為120 s時(shí)，坯體表面氣孔數(shù)量變化不大，顆粒間緊密結(jié)合，只存在些許小氣孔；當(dāng)保壓時(shí)間為150 s時(shí)，顆粒間堆積緊密，坯體僅有少量小氣孔分布。分析比較不同保壓時(shí)間下各坯體試樣的SEM圖，可以看出，加壓壓力一定時(shí)，隨保壓時(shí)間的增加，坯體氣 孔減少且較?。?0 s、120 s、150 s制備的坯體中氣孔數(shù)量及大小相差較小。進(jìn)一步地驗(yàn)證了當(dāng) 加壓壓力一定時(shí)，孔隙率隨時(shí)間的增加逐漸減小。當(dāng)保壓時(shí)間達(dá)到一定時(shí)間后，坯體孔隙率變化不大。

圖6 不同保壓時(shí)間試樣SEM圖

5 結(jié) 論

(1) 保壓時(shí)間一定時(shí)，孔隙率隨壓力的增大而逐漸減小。當(dāng)壓力增加到一定程度時(shí)，孔隙率變化不大；當(dāng)加壓壓力不變時(shí)，隨保壓時(shí)間的增加，孔隙率減小，到一定時(shí)間后，基本無(wú)變化。為制備孔隙率低的ZrO2陶瓷，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)加壓壓力為60 MPa，保壓時(shí)間為120 s時(shí)，制得孔隙率較低的ZrO2陶瓷坯體，孔隙率為6.41 %。

(2) 改變干壓成型工藝參數(shù)，探究其對(duì)ZrO2坯體孔隙率的影響。綜合阿基米德法，分析孔隙率與體積密度、表觀密度和真實(shí)密度的關(guān)系，修正孔隙率計(jì)算模型。采用SEM圖對(duì)微觀形貌進(jìn)行表征，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的正確。所用方法和結(jié)論對(duì)改善ZrO2陶瓷性能具有一定的理論意義。

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Effect of the Dry Pressing Process Parameters on Porosity of ZrO2Body Prepared by Dry Granulation

XU Tingting1, BAI Guorun2, ZHANG Xiaohui2

(1. School of Ceramic Art, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403,Jiangxi, China; 2. School of Mechanical and Electronic Engineering, Jingdezhen Ceramic Institute, Jingdezhen 333403,Jiangxi,China)

In order to address the problem of high porosity of ZrO2ceramic body prepared by dry granulation, and figure out the effect of dry pressing process parameters on the porosity of green body, an experimental platform was set up independently to granulate ZrO2particles. The samples of body were prepared with the pressure and well time changed. By means of Archimedes method, the relationship between porosity rate and bulk density, apparent density and real density are analyzed, the calculation model of porosity is revised, the micro-morphology were characterized with SEM images so as to verify the accuracy of the experimental results. The results indicated that pressure level and holding time have obvious effects on the porosity of ZrO2body. In order to prepare ZrO2ceramics with low porosity, the process parameters were optimized. When pressure was 60 MPa and holding time was 120 s, ZrO2ceramic body with low porosity was prepared, and the porosity is 6.41 %.

ZrO2ceramics; dry granulation; dry pressing; porosity of body

TQ174.75

A

1006-2874(2020)04-0014-06

10.13958/j.cnki.ztcg.2020.04.004

2019?10?22。

2019?10?26。

徐婷婷，女，本科。

2019?10?22.

2019?10?26.

XU Tingting, female, Undergraduates.

xtt2018@163.com