精密氮化硅陶瓷軸承球表面改性研究

為提高氮化硅陶瓷球的加工精度和綜合性能，采取了三條研究路線：特種研磨工藝，表面沉積致密超硬涂層后拋光處理，以及真空除氣高壓注入納米材料。研究表明：兩種表面改性技術(shù)可略微提高陶瓷球的極限破碎載荷20-30%，對(duì)表面加工損傷及微型氣隙有彌補(bǔ)作用；可明顯縮小動(dòng)靜摩擦系數(shù)差異，有利于減小陶瓷軸承的起動(dòng)摩擦力矩；可延長(zhǎng)磨損壽命1.5-1.8倍，其中，真空除氣高壓注入改性后可降低摩擦系數(shù)，有利于提高高速陶瓷軸承瞬時(shí)潤(rùn)滑不足時(shí)的工作可靠性。97年在國(guó)家科委資助下，本項(xiàng)研究及陶瓷軸承相關(guān)技術(shù)研究成果正在進(jìn)行小批量中期試制，目前已能提供小批量超精密軸承用氮化硅球，即G5級(jí)陶瓷球。

原理和方法

改性原理和方法是粉體表面改性的基礎(chǔ)。主要包括：

①根據(jù)顆粒表面性質(zhì)和改性后粉體的應(yīng)用環(huán)境對(duì)表面改性劑的選擇和設(shè)計(jì)，以及顆粒表面、界面性質(zhì)與應(yīng)用性能的關(guān)系；

②顆粒表面或界面與表面改性劑的作用機(jī)理，如吸附或化學(xué)反應(yīng)的類(lèi)型，作用力或鍵合力的強(qiáng)弱，熱力學(xué)性質(zhì)的變化等，進(jìn)而建立改性劑在顆粒表面的作用模型；③表面改性方法的基本原理或理論基礎(chǔ)。

表面改性劑

從表面改性的涵義和目標(biāo)可以看出，在以化學(xué)助劑為改性劑的粉體表面改性中，表面改性劑在顆粒表面的作用是顆粒表面、界面性質(zhì)以及粉體應(yīng)用特性發(fā)生改變的基礎(chǔ)。因此，表面改性劑的選用十分重要。表面改性劑的研究?jī)?nèi)容涉及種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、功能及其與各種顆粒表面基團(tuán)的作用機(jī)理或作用模型等，包括表面改性劑的分子結(jié)構(gòu)、分子量、有機(jī)烴鏈長(zhǎng)度、活性基團(tuán)與改性產(chǎn)物性能之間的關(guān)系，改性劑用量、使用方法及新型、特效表面改性劑的設(shè)計(jì)與合成技術(shù)等。

改性工藝與設(shè)備

表面改性設(shè)備是完成粉體表面改性的保障，改性工藝則是依托改性設(shè)備，并按照改性方法和改性劑等條件實(shí)現(xiàn)改性目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。涉及表面改性工藝與設(shè)備的主要研究?jī)?nèi)容包括：改性工藝流程和T藝條件、設(shè)備類(lèi)型與操作條件、影響因素以及表面改性工藝與設(shè)備的有機(jī)聯(lián)系等。

表面改性過(guò)程的控制與產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù)

這一研究領(lǐng)域涉及表面改性過(guò)程中各操作因素（如溫度、濃度、酸度、時(shí)間、改性劑用量）和結(jié)果因素（改性物表面包覆量、包覆率或包膜厚度）等參數(shù)的調(diào)控與監(jiān)控技術(shù)，包括改性產(chǎn)物的濕潤(rùn)性、分散性、粒度分布特性、表面形貌、表面能、表面改性劑的吸附或反應(yīng)類(lèi)型、表面包覆量、包覆率、包膜厚度、表面包覆層的化學(xué)組成、晶體結(jié)構(gòu)、電性能、光性能、熱性能等的檢測(cè)方法等，也包括建立控制參數(shù)與指標(biāo)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以及過(guò)程的計(jì)算機(jī)仿真和自動(dòng)控制等。 2100433B

表面改性設(shè)備可分為干法和濕法兩類(lèi)。非金屬礦粉常用的干法表面改性設(shè)備是SLG型連續(xù)粉體表面改性機(jī)，高速加熱混合機(jī)，渦流磨及PSC型粉體表面改性機(jī)等。常見(jiàn)的濕法表面改性設(shè)備為可控溫反應(yīng)罐和反應(yīng)釜。

表面改性方法很多。能夠改變粉體表面或界面物理化學(xué)性質(zhì)的方法，如表面有機(jī)包覆、液相化學(xué)沉淀包覆、氣相物理沉積，機(jī)械力化學(xué)、層狀結(jié)構(gòu)粉體插層等都可稱(chēng)為表面改性方法。二十一世紀(jì)初工業(yè)上無(wú)機(jī)粉體表面改性常用的方法主要有表面有機(jī)包覆、沉淀反應(yīng)包覆、機(jī)械力化學(xué)及復(fù)合法等。

表面有機(jī)包覆改性是最常用的無(wú)機(jī)粉體表面改性方法。這是一種利用有機(jī)表面改性劑分子中的官能團(tuán)在顆粒表面吸附或化學(xué)反應(yīng)對(duì)顆粒表面進(jìn)行改性的方法。所用表面改性劑主要有偶聯(lián)劑(硅烷、鈦酸酯、鋁酸酯、鋯鋁酸酯、有機(jī)絡(luò)合物、磷酸酯等)、高級(jí)脂肪酸及其鹽、高級(jí)胺鹽、硅油或硅樹(shù)脂、有機(jī)低聚物及不飽和有機(jī)酸、水溶性高分子等。

沉淀反應(yīng)包覆是利用化學(xué)沉淀反應(yīng)將表面改性物沉淀包覆在被改性顆粒表面，是一種“無(wú)機(jī)/無(wú)機(jī)包覆”或“無(wú)機(jī)納米/微米粉體包覆”的粉體表面改性方法或粒子表面修飾方法。粉體表面包覆納米TiO₂、ZnO、CaCO₃等無(wú)機(jī)物的改性，就是通過(guò)沉淀反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，如云母粉表面包覆TiO₂制備珠光云母；鈦白粉表面包覆SiO₂和Al₂O₃以及硅藻土和煅燒高嶺土表面包覆納米TiO₂和ZnO；硅灰石粉體表面包覆納米碳酸鈣和納米硅酸鋁。

機(jī)械力化學(xué)改性是利用粉體超細(xì)粉碎及其它強(qiáng)烈機(jī)械力作用有目的地激活顆粒表面，使其結(jié)構(gòu)復(fù)雜或表面無(wú)定形化，增強(qiáng)它與有機(jī)物或其他無(wú)機(jī)物的反應(yīng)活性。機(jī)械化學(xué)作用可以提高顆粒表面的吸附和反應(yīng)活性，增強(qiáng)其與有機(jī)基質(zhì)或有機(jī)表面改性劑的使用。以機(jī)械力化學(xué)原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的機(jī)械融合技術(shù)，是一種對(duì)無(wú)機(jī)顆粒進(jìn)行復(fù)合處理或表面改性，如表面復(fù)合、包覆、分散的方法。

插層改性是指利用層狀結(jié)構(gòu)的粉體顆粒晶體層之間結(jié)合力較弱(如分子鍵或范德華鍵)或存在可交換陽(yáng)離子等特性,通過(guò)離子交換反應(yīng)或特性吸附改變粉體性質(zhì)的方法。因此，用于插層改性的粉體一般來(lái)說(shuō)具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，如石墨、蒙脫土、蛭石、高嶺土等。

復(fù)合改性是指綜合采用多種方法（物理、化學(xué)和機(jī)械等）改變顆粒的表面性質(zhì)以滿(mǎn)足應(yīng)用的需要的改性方法。應(yīng)用的復(fù)合改性方法主要有有機(jī)物理/化學(xué)包覆、機(jī)械力化學(xué)/有機(jī)包覆、無(wú)機(jī)沉淀反應(yīng)/有機(jī)包覆等。