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对工艺的感悟 精选

已有 6906 次阅读 2009-9-21 21:05 |个人分类:科研|系统分类:科研笔记| 感悟, 工艺, 压强

 
    记得14年前(1995年9月)刚转方向来做固体氧化物燃料电池的时候,由于工作需要,我曾经看过一本书《电子陶瓷工艺》,里面看到的一些成型工艺,有的印象很深刻,后来陆续在用,也在不断加深对工艺的感悟。例如干压法,就是一种蛮简单的方法,几乎所有的从事陶瓷材料、凝聚态物理或者固体化学的实验室都用的简单陶瓷工艺,但有的时候大家总是没法压出来合格的样品,有的时候会把模具弄坏,有的时候甚至会陷于困惑之中。今天上午,我的一个学生就陷于困惑了,她因为两个师兄告诉她的样品处理程序不同而开始无所适从。于是,我向他们说出了我对干压工艺的一些感悟,现在再细化一下,写在下面,算是做个系统化的表述,也好供以后的学生们参考。
   利用干压法,有时可以很容易地直接用粉体压制成陶瓷坯体片,有时却不能,为什么?其原因就在于干压成型的坯体,实际是靠着固体颗粒之间微弱的范德瓦尔斯力结合在一起的,这个力和具体的样品以及界面情况下有关,在多数情况下很小,所以刚压制成的坯体片就很脆弱,极容易破坏。要想让颗粒之间结合得更紧密,除了想办法让其表面的“活性”更高、直接增大范德瓦尔斯力外,就是加入一些粘结剂、靠粘结剂把颗粒粘在一起了。粘结剂通常都是用比较纯的有机物聚合物类的试剂,在后续的烧结过程中可以很容易地被烧掉,所以只要粘结剂里面没有太多无机元素成分(灰分),最终就不会影响样品的主要成分。但粘结剂的使用需要注意,一个是要适量,在一个就是要尽量和样品的粉末混合均匀。粘结剂太多自然会把“干粉”变成“湿粉”,在压制时甚至沿着模具缝隙流出来,粘结剂太多烧掉后还可能会在原来的位置留下孔洞,降低样品的致密度,太少了强度不好很容易理解。此外,用粘结剂的粉体需要先充分研磨,尽量通过研磨混合均匀,此外还得进行一个叫做造粒的过程,即把混合了粘结剂的粉体压制成块,然后再磨碎,如此反复几次,获得有比较好的流动性的粉体(由初级粉粒粘接在一起的接近球形的颗粒)。然后再用这种经过造粒的粉体去干压成型,可以获得最佳性能的坯体。这个造粒的过程其实很重要,因为它可以让粘结剂在粉体中分布得更均匀,而且尽量布展在颗粒的表面上发挥粘接作用而不是聚在颗粒之间成为造孔剂。这个过程看似重复繁琐,其实非常重要,因为它直接决定了你压制出的坯体的均匀性和强度。
    在造粒的压制过程中,随着压力的增大,具有一定流动性的有机粘结剂会在外界载荷的作用下发生变形和流动,而这种流动就是沿着固相颗粒之间的间隙进行的,这样粘结剂会和更多的颗粒接触,粘附有粘结剂的颗粒表面也会增大,但是,这种流动不是无限制地进行的,流动会遇到阻力,阻力随着颗粒间隙的缩小而迅速增大,当阻力大到驱动压力水平时,流动就停止了。所以,仅仅一次造粒还不足以让粘结剂和颗粒充分接触,可能还需要反复数次(2~3次),尽管在很多时候,一次造粒的效果已经好到我们能够接受的水平了。
    这就是造粒的目的和基本原理,说清楚了大家有中学的物理基础就不难理解,但是,如果不说?你自己能感悟多少呢?再有就是干压的时候用的载荷问题,也是个用中学物理知识就能理解的。
    我曾经2次看到过被压坏的模具,都是因为载荷加得过大所致,原因也相同,都是用惯了比较大的模具(截面积大),用小模具的时候不知道把压力适当减小。原理也很简单,就是压强的定义式:P=F/A,截面积小了,要得到差不多的压强,载荷必须相应地减小。顺便说一下,很多人的文章和论文里面对干压成型压强的描述有问题,说8MPa压成是不大可能的,8MPa只是油压表的表压,是油缸里的压强而不是模具内样品处的压强,那么样品处的压强是多大呢?如果忽略掉各种中间的损耗和阻力,可能出现的样品压强估算用Ps=(A1/A2)*P1,A1是油缸的截面积,A2是模具内的样品处的截面积,P1是油缸的油压,当然由于实际样品是颗粒物质,并非理想的流体,所以样品处的平均压强要比这个估算的Ps低得多,而且样品中各个位置的压强还不相等。
    
     最重要的感悟:其实我们平时所用的知识和经验中,都有许多值得我们去思考和领悟的东西,这些东西虽然可以通过学习的渠道获得(其实往往是灌输的方式加以传授),但这种“知其然不知其所以然”的学习效果远不如自己悟出道理好。所以,我个人认为,无论何时何地,悟性都很重要,只会认真读书、虚心求教而没有自主的思考是不够的。(——这一段是最新的“感悟”)
(最近没腾出空来写新的博文,这篇博文最早是发在自己的QQ空间里,随后转至我在sina的博客,遗憾的是均没有多大的点击率,稍加改写,发到科学网。)


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