馬 越，歐亮龍，馮 穎

（1. 洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2. 國(guó)家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng)471039；3.河南高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471039）

利用離心沉降法測(cè)定氮化硅粉末粒度分布

馬 越1，3，歐亮龍2，馮 穎1，3

（1. 洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2. 國(guó)家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng)471039；3.河南高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng)471039）

采用BT-1500型離心沉降式粒度分布儀測(cè)定氮化硅粉末粒徑大小及粒度分布，考察了樣品濃度、分散介質(zhì)和分散劑等因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。結(jié)果證實(shí)了離心沉降法在氮化硅粉體粒度測(cè)量上的可行性和準(zhǔn)確性，有助于氮化硅材料的工藝制訂及性能評(píng)價(jià)分析。

粒度分布；離心沉降；氮化硅粉末

1　前言

氮化硅作為一種重要的陶瓷材料，具有耐磨損、高溫抗氧化、抗熱沖擊、高硬度等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油化工、軍事國(guó)防等諸多領(lǐng)域。其中，氮化硅材料在軸承上的應(yīng)用非常豐富，可制成陶瓷球、滾子、套圈，作為高速軸承、高溫軸承、真空用軸承以及耐腐蝕用軸承等產(chǎn)品，能夠滿足在特殊情況和環(huán)境下工作，是一種極具潛力的軸承用材。粒度及粒度分布作為材料重要的物理特性參數(shù)，對(duì)氮化硅材料生產(chǎn)加工、燒結(jié)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響，因此，粉末的粒度測(cè)定是保證產(chǎn)品質(zhì)量及研發(fā)的重要手段。

離心沉降法根據(jù)Stokes定律進(jìn)行測(cè)定［1-2］，其原理為在離心力場(chǎng)內(nèi)，由于懸浮液中粒子直徑大小不同，向外擴(kuò)散速度不同，光透量大小會(huì)受顆粒數(shù)量影響，顆粒的沉降速度與其粒徑的平方成正比，即粒徑大的沉降速度快，粒徑小的沉降速度慢。在測(cè)試過(guò)程中懸浮液濃度逐漸變化，透過(guò)懸浮液的光逐漸增強(qiáng)。氮化硅粉末粒度小，表面能高，顆粒容易團(tuán)聚，不易充分分散，對(duì)粒度測(cè)試的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。由此，探討影響氮化硅粉末粒度分布測(cè)定的因素尤為重要。本文采用BT-1500型離心沉降粒度分析儀對(duì)氮化硅粉末進(jìn)行粒度分析，以Stokes定律和Lambert-Beer定律為基礎(chǔ)，以重力沉降和離心沉降為手段，能夠快速準(zhǔn)確地尋找到氮化硅粉末粒度分析的最佳條件，對(duì)準(zhǔn)確選擇使用氮化硅提供了有效的實(shí)驗(yàn)依據(jù)［3-5］。

2　實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)方法

稱取適量氮化硅粉末放入裝有去離子水的500 ml燒杯中，加入一定量的（NaPO3）6作為分散劑，超聲波分散5 min，將分散好的懸浮液用攪拌器充分?jǐn)嚢?0s，然后用注射器從懸浮液中由上往下移動(dòng)邊連續(xù)取樣，立即注入比色池中，采用BT-1500型離心沉降粒度分析儀測(cè)定樣品的粒度分布。

3　結(jié)果與討論

3.1分散介質(zhì)對(duì)粒度測(cè)量的影響

制備分散均勻的懸浮液，首先要考慮分散介質(zhì)的選擇，最常用的分散介質(zhì)有H2O、H2O+C3H8O3、C2H5OH、C2H5OH+C3H8O3等。 氮化硅粉末密度輕，且粒徑小于1 μm，可選擇具有良好浸潤(rùn)作用的蒸餾水、乙醇等液體作為沉降介質(zhì)。選用三種分散介質(zhì)對(duì)同一氮化硅樣品在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)圖1。由表1可知，乙醇的浸潤(rùn)作用大于水，乙醇介質(zhì)下測(cè)得的中位粒徑相對(duì)偏小， 但分別以乙醇、水及50%水+50%乙醇作為分散介質(zhì)進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，含乙醇相分散結(jié)果不穩(wěn)定，重復(fù)性相對(duì)較差，因此選取水為分散介質(zhì)。

圖1　不同分散介質(zhì)下測(cè)得氮化硅粒徑累積百分含量

表1　三種分散介質(zhì)測(cè)得的氮化硅粉末中位粒徑D50

3.2分散劑對(duì)粒度測(cè)量的影響

分散劑通過(guò)吸附在固體顆粒表面，產(chǎn)生電荷排斥或空間位阻效應(yīng)，降低沉降介質(zhì)與樣品之間的界面張力，從而提高顆粒表面的潤(rùn)濕作用，既可以加快分解團(tuán)聚顆粒，又能阻止單個(gè)顆粒再次團(tuán)聚。針對(duì)氮化硅粉末，選擇了焦磷酸鈉、六偏磷酸鈉、聚丙烯酸三種分散劑進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2　不同分散劑下測(cè)得氮化硅粒徑累積百分含量

表2　三種分散劑下測(cè)得的Si3N4粉末的中位粒徑D50

焦磷酸鈉和六偏磷酸鈉為無(wú)機(jī)分散劑，在水中發(fā)生電離，產(chǎn)生的陰離子基團(tuán)能夠吸附在氮化硅顆粒表面，利用靜電穩(wěn)定機(jī)制阻止顆粒團(tuán)聚。聚丙烯酸屬陰離子型高分子聚合物，在水中電離的陰離子基團(tuán)吸附在顆粒表面的同時(shí)，形成一層高分子保護(hù)膜，大大降低了顆粒表面積，減小表面能，使懸浮液更加均勻穩(wěn)定。由表1和圖2也可以看出，聚丙烯酸作為分散劑測(cè)得的D50偏低，但整體結(jié)果相差不大，且兩種無(wú)機(jī)分散劑穩(wěn)定性較好，更易于生產(chǎn)過(guò)程中即時(shí)檢測(cè)，因此實(shí)驗(yàn)時(shí)優(yōu)先選擇無(wú)機(jī)分散劑。

3.3樣品濃度對(duì)粒度測(cè)量的影響

粒度分布儀普遍是通過(guò)測(cè)定少量樣品的粒度分布來(lái)表征大量粉體粒度分布狀態(tài)，因此取樣起著關(guān)鍵作用。一般實(shí)驗(yàn)室取樣縮分有勺取法、圓錐四分法和分樣器法三種。同時(shí)，樣品濃度也是考察條件之一，濃度若太低，測(cè)得結(jié)果不具代表性，準(zhǔn)確性差，濃度太高則超出儀器測(cè)試量程，不能正常運(yùn)行。本試驗(yàn)采用小勺多點(diǎn)取樣法，通過(guò)改變樣品濃度，測(cè)定氮化硅粉末粒徑分布效果，見(jiàn)圖3。

由圖3可以看出，當(dāng)樣品濃度不超過(guò)1.78x10-4mol /l時(shí)，粒度D50為0.38 μm。隨著密度增大，粒度D50也隨之增加。由于樣品濃度的增加，懸浮液體系的濃度增大，降低了顆粒間斥力，而更傾向于團(tuán)聚，粒度反而增大。

圖3　樣品濃度對(duì)樣品粒徑測(cè)定的影響

3.4粒度重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

重復(fù)性對(duì)于檢驗(yàn)粒度分布測(cè)定裝置的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性至關(guān)重要。在同一條件下對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次重復(fù)測(cè)定，測(cè)試條件為：超聲分散5min，水為分散介質(zhì)，六偏磷酸鈉作為分散劑，結(jié)果見(jiàn)圖4。

由圖4可以看出，三次實(shí)驗(yàn)測(cè)得的粒度分布趨勢(shì)基本重合，經(jīng)過(guò)計(jì)算，其D50的RSD值為1.75%，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)所選用的儀器重復(fù)性良好。

圖4　BT-1500型離心沉降式粒度分布儀的重復(fù)性

3.5與激光粒度儀進(jìn)行比較

粉末粒度的檢測(cè)方法除離心沉降法外，常用的還有激光粒度檢測(cè)方法。激光粒度儀是根據(jù)光的散射現(xiàn)象對(duì)樣品顆粒大小進(jìn)行測(cè)量，具有測(cè)量速度快、精度高、重現(xiàn)性好、操作方便等特點(diǎn)［6］。采用美國(guó)布魯克海文90plus型激光粒度儀（粒度范圍1nm-6μm）對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得結(jié)果為0.386μm，與離心沉降法0.38μm比較，結(jié)果基本一致。由于粒度分析對(duì)于不同測(cè)量方法，其原理不同，因此，不能直接橫向?qū)Ρ?，只能進(jìn)行等效比較。

4　結(jié)論

與國(guó)內(nèi)外普遍采用的激光衍射散射法、庫(kù)爾特粒度儀法、比表面積法相比，離心沉降法測(cè)定氮化硅粉體粒度及分布，檢測(cè)范圍廣、效率高，并能夠提供粒徑分布數(shù)值及分布圖。通過(guò)對(duì)超細(xì)氮化硅粉末粒度進(jìn)行測(cè)試，以及考察分散介質(zhì)、分散劑、樣品濃度對(duì)粒度測(cè)量的影響，并與激光粒度法進(jìn)行了比較，證實(shí)了離心沉降法在氮化硅粉體粒度測(cè)量上的可行性，為準(zhǔn)確使用氮化硅提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

［1］ 孫秀.離心沉降法測(cè)定細(xì)鎢粉的粒度和粒度分布［J］.稀有金屬與硬質(zhì)合金，1991， （03） ：27-32.

［2］ 陳玉英.離心沉降式粒度分布分析儀的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代儀器使用與維修，1997， （06） ：36-39.

［3］ 常芳.MgO粉末粒度分布測(cè)定 ［J］.中國(guó)粉體技術(shù)，2006，（01） ：33-35.

［4］ 趙金偉，袁敏，鄭建明，等.離心沉降光透法測(cè)定納米TiO2粉體粒徑［J］.分析儀器，2011， （03） ：48-51.

［5］ 譚立新，余志明，蔡一湘.島津離心粒度分析儀測(cè)量模式的比較［J］.中國(guó)粉體技術(shù)，2009， （04） ：69-71.

［6］ 郝立偉，肖簡(jiǎn)正，洪小虎.激光粒度分布儀檢測(cè)細(xì)碳化鎢粉方法［J］.中國(guó)鎢業(yè)，2010， （04）：47-50.

（編輯：鐘 媛）

Measuring particle size distribution for Si3N4powder by centrifugal sedimentation method

Ma Yue1，3， Ou Lianglong2，F(xiàn)eng Ying1，3

（1. Luoyang Bearing Science and Technology Co.， Ltd.， Luoyang 471039， China；2. The State Center of Bearing Quality Supervision and Inspection， Luoyang 471039， China；3.Henan Key Laboratory of High Performance Bearing Technology，Luoyang 471039， China）

This paper uses centrifugal sedimentation size distribution analyzer BT-1500 to measure the particle size and distribution of silicon nitride powder. The infuence of sample concentration ， dispersion medium and dispersant on test results are investigated. The results confrme the centrifugal sedimentation method is the feasible and accurate measurement of silicon nitride， which will help us to make craft and evaluate properties of sillicon nitride.

particle size distribution； centrifugal sedimentation； Si3N4powder

TH89，TB44

B

1672-4852（2016）01-0031-03

2016-03-22.

馬 越（1988-），女，助理工程師.國(guó)家重大科技專項(xiàng)：高速精密數(shù)控機(jī)床軸承系列產(chǎn)品升級(jí)及產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)（2012ZX04004011）