在高纯纳米氧化铝粉体的制备过程中，采取球磨机、砂磨机等湿法超细研磨设备是粉碎阶段的的首选设备，利用研磨介质在超细研磨设备中做不规则的高速搅拌运动，从而时粉体受到剪切、撞击、挤压作用而被粉碎，既可以避免化学法制备纳米粉体的高成本，也避免了一些传统机械法研磨细度难以达到纳米级粉体的不足。不过，在利用研磨设备粉体粉碎时，研磨介质的脆性断裂磨损不仅影响到研磨介质自身的寿命，还容易导致粉碎污染问题，因此为了降低研磨对氧化铝粉体纯度带来的影响，往往需要采用耐磨且高纯的氧化铝陶瓷研磨珠来进行研磨。本篇文章我们就来了解一下如何生产出高性能的氧化铝研磨珠？

来源：萍乡禾田

原料粉体的选择

氧化铝研磨珠是由压制坯体经高温烧制而成的，因此氧化铝粉体的性能（如纯度、粒度等）将直接影响成型和烧结性能。

1、纯度

一般来说，采用高纯度α-Al₂O₃粉末是制备性能优良的氧化铝研磨珠的重要前提条件。一方面，高纯α-氧化铝粉体制成的研磨珠可以降低烧结后由于有机杂质存在造成的不规则的孔洞以及无机杂质在高温阶段与陶瓷粉体起反应或残留在基体中形成微裂纹的可能，保证氧化铝研磨珠的致密性，从而使其具有较高的研磨效率以及耐磨性能。另一方面，即使研磨珠磨损形变，掉落的粉体也不会对高纯氧化铝粉体造成粉碎污染，保证产物的纯度。

2、粒度

从粉体粒度上来看，由于晶粒比较细小时，研磨珠的磨损机理主要是发生塑性变形和部分穿晶断裂，产生轻微磨损；而晶粒比较粗大时，磨损机理主要是发生晶界断裂，产生严重磨损。因此，在选择粉体粒度时，应尽可能使用颗粒尺寸小的α-Al₂O₃原料，以便减小陶瓷的晶粒度，提升研磨珠的耐磨性能。另外，小颗粒与大颗粒相比，颗粒比表面积相对大，颗粒之间的接触、堆积越紧密，不仅成品致密度更高，而且烧结时扩散路径也较短，烧结驱动力－表面能较大，可以降低陶瓷材料的烧结温度，改善制品的微观结构，提高材料的力学性能。

如何成型？

在成型阶段，需要保障研磨珠具有较好的球形度，如要研磨细小物料时，则还需要将其制备成较小的尺寸。通常研磨珠的球形度越好，研磨所得到产品的粒径分布越均匀。研磨球尺寸越小，在研磨过程中球与球的接触点就越多，物料被研磨的机会越多，能够将物料研磨得更细。目前，国内外的球形陶瓷研磨体的生产成型技术包括：滴定成型、等静压成型和滚动法成型等。

1、滴定成型

滴定法也称为外凝胶法，是一种能连续高效生产小粒径陶瓷微珠的方法。具体操作是将氧化铝粉料与混合胶混匀形成的浆料，加入到滴定成型设备中，先通过滴定预成型形成氧化铝陶瓷颗粒，形成的氧化铝陶瓷颗粒经过风冷定型后，依靠重力落入冷却液（油性介质）中收集并形成氧化锆陶瓷微珠生坯。由于该技术是依靠浆料液滴与油性分散介质不同的表面张力成球，所得到的球形度比传统滚动成型法好，且微珠内部均匀，致密度大，不需要加料喷胶处理，也无需模具，在小粒径陶瓷球生产中具有突出优势。但滴定成型对浆料的性能要求较高，需要兼顾高固相含量和低粘度，同时此方法还存在工艺和参数复杂，微珠表面油性介质的清洗等难点。

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2、等静压成型

等静压是在球形软模具中填充粉末，将软模具密封到冷等静压机的工作腔中，在各个方向上用均匀压力的液体介质压缩模具，脱模后得到球形素坯。该方法的优点是，利用等静压和均匀的高压可以使球形坯料均匀致密，提高生坯强度。不过存在缺设备成本高，需要人工充电才能脱模，难以实现自动化的缺点，此外由于模具的限制，在生产小粒径(φ≤15mm)的陶瓷球时，生产效率低下，制约了其在工业化的应用。

冷等静压操作过程

3、滚动成型

滚动成型法也是如今大规模生产小粒径研磨珠的主流技术，其原理类似于“滚雪球”，通过喷洒粘结剂液体以润湿球芯，再将干粉添加到潮湿球芯的外部，然后由滚动作用压实而形成的。由于球坯之间或球坯与制球机内壁之间的相互碰撞，挤压和滚动作用，可获得紧凑，均匀且圆润的球坯，具有设备工艺简单，生产效率高、可连续化生产毫米级研磨珠的优势，但与其他成型方法相比，滚制成型对粉末的要求更高，不仅要求粉体具有优秀的可塑性，而且还需要具有合适的粒径以及较好的流动性，同时滚动成型法对操作过程也有较高的要求，在操作时，需要控制好转速、斜角、直径、粘结剂水溶液的添加量和粉体的进料量的参数。

滚动成型原理

烧结时需注意什么？

在烧结阶段，高温会促使坯体内残余水分、有机粘结剂等的排除，同时坯体内晶粒逐渐长大，气孔排除、体积收缩、晶体长大、强度提高，从而形成具有预期显微结构的烧结体。

然而，微珠坯体内过高的烧结温度和过长的保温时间都会促进Al₂O₃晶体异常生长，这些过大的晶粒内往往还有大量的气孔难以再由晶粒内抵达晶界而排出，就会使陶瓷材料难以达到较高的密度，材料的许多性能恶化，特别是力学性能的下降，耐磨性也会减弱。因此需要调节合适的烧结温度，控制合适的保温时长。除此之外，还可添加烧结助剂或采用低温烧结技术进行烧结。

正常长大的晶粒

异常长大的晶粒

目前，高纯氧化铝陶瓷的烧结通常都选用MgO作为基本的烧结助剂进行添加，形成镁铝尖晶石新相，构建低共熔体系，不过MgO具有高温挥发性，会对氧化铝研磨珠的性能产生一定的影响，因此需要与其他烧结助剂复合搭配，协同促进烧结的作用的同时，弥补单一助剂对材料性能产生的不利影响。目前氧化铝陶瓷烧结所采用的比较常用的复合助剂包括CaO-MgO-SiO₂体系、MnO₂-TiO₂-MgO体系以及CuO-SiO₂体系，它们均能在显著降低烧结温度的同时，起到细化晶粒、稳定结构、改善材料力学性能等作用。

氧化铝和氧化镁反应生成镁铝尖晶石示意图

（来源：陈伟鹏.氧化镁—氧化铝原位合成镁铝尖晶石反应行为的研究[D].苏州大学.）

常规的高温烧结主要是以温度作为传质驱动力，以此增大原子迁移率，促进烧结。如想降低坯体的烧结温度，则必须通过结合电场、压力等不同的外场作用和温度共同驱动坯体的致密化，从而有效的降低烧结温度。随着对烧结机理研究的不断深入，热压烧结技术、微波烧结技术、放电等离子烧结技术、冷烧结等低温烧结技术已不断被开发出来，它们除了可降低烧结温度，得到致密度好、耐磨性好的氧化铝研磨珠外，还可减少能耗，适用于如今低碳环保的时代背景。

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后处理工艺少不了！

一般来说，氧化铝研磨珠需要有光滑、光亮的表面，一方面，表面光滑的研磨珠在研磨过程中能够更加顺畅地滚动或滑动，从而更有效地实现研磨作用，加快加工速度。另一方面，研磨珠表面的微观凹凸和尖锐边缘的较减少，能缓解研磨珠的磨损。为了让研磨球表面具有较高的平坦度，往往还需要对研磨球表面进行抛光处理，使其呈现镜面效果，实现更高的研磨效率并减少研磨球的磨损。

参考来源：

1、吉依民. 氧化锆陶瓷微珠滚制成型技术与性能研究[D].内蒙古科技大学.

2、秦麟卿,吴伯麟,谢济仁,等.耐磨氧化铝研磨球的生产和应用[J].武汉理工大学学报.

3、粉体圈《高纯氧化铝珠：低磨耗就是最好的武器！》

粉体圈Corange整理