精密氮化硅陶瓷軸承球表面改性研究項目摘要

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%，對表面加工損傷及微型氣隙有彌補作用；可明顯縮小動靜摩擦系數(shù)差異，有利于減小陶瓷軸承的起動摩擦力矩；可延長磨損壽命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潤滑不足時的工作可靠性。97年在國家科委資助下，本項研究及陶瓷軸承相關(guān)技術(shù)研究成果正在進行小批量中期試制，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)境對表面改性劑的選擇和設(shè)計，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理，如吸附或化學反應(yīng)的類型，作用力或鍵合力的強弱，熱力學性質(zhì)的變化等，進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可以看出，在以化學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。表面改性劑的研究內(nèi)容涉及種類、結(jié)構(gòu)、功能及其與各種顆粒表面基團的作用機理或作用模型等，包括表面改性劑的分子結(jié)構(gòu)、分子量、有機烴鏈長度、活性基團與改性產(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現(xiàn)改性目標的重要環(huán)節(jié)。涉及表面改性工藝與設(shè)備的主要研究內(nèi)容包括：改性工藝流程和T藝條件、設(shè)備類型與操作條件、影響因素以及表面改性工藝與設(shè)備的有機聯(lián)系等。

表面改性過程的控制與產(chǎn)品檢測技術(shù)

這一研究領(lǐng)域涉及表面改性過程中各操作因素（如溫度、濃度、酸度、時間、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)類型、表面包覆量、包覆率、包膜厚度、表面包覆層的化學組成、晶體結(jié)構(gòu)、電性能、光性能、熱性能等的檢測方法等，也包括建立控制參數(shù)與指標之間的對應(yīng)關(guān)系，以及過程的計算機仿真和自動控制等。 2100433B

表面改性設(shè)備可分為干法和濕法兩類。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，高速加熱混合機，渦流磨及PSC型粉體表面改性機等。常見的濕法表面改性設(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性質(zhì)的方法，如表面有機包覆、液相化學沉淀包覆、氣相物理沉積，機械力化學、層狀結(jié)構(gòu)粉體插層等都可稱為表面改性方法。二十一世紀初工業(yè)上無機粉體表面改性常用的方法主要有表面有機包覆、沉淀反應(yīng)包覆、機械力化學及復合法等。

表面有機包覆改性是最常用的無機粉體表面改性方法。這是一種利用有機表面改性劑分子中的官能團在顆粒表面吸附或化學反應(yīng)對顆粒表面進行改性的方法。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、有機絡(luò)合物、磷酸酯等)、高級脂肪酸及其鹽、高級胺鹽、硅油或硅樹脂、有機低聚物及不飽和有機酸、水溶性高分子等。

沉淀反應(yīng)包覆是利用化學沉淀反應(yīng)將表面改性物沉淀包覆在被改性顆粒表面，是一種“無機/無機包覆”或“無機納米/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等無機物的改性，就是通過沉淀反應(yīng)實現(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。

機械力化學改性是利用粉體超細粉碎及其它強烈機械力作用有目的地激活顆粒表面，使其結(jié)構(gòu)復雜或表面無定形化，增強它與有機物或其他無機物的反應(yīng)活性。機械化學作用可以提高顆粒表面的吸附和反應(yīng)活性，增強其與有機基質(zhì)或有機表面改性劑的使用。以機械力化學原理為基礎(chǔ)發(fā)展起來的機械融合技術(shù)，是一種對無機顆粒進行復合處理或表面改性，如表面復合、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)或存在可交換陽離子等特性,通過離子交換反應(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說具有層狀晶體結(jié)構(gòu)，如石墨、蒙脫土、蛭石、高嶺土等。

復合改性是指綜合采用多種方法（物理、化學和機械等）改變顆粒的表面性質(zhì)以滿足應(yīng)用的需要的改性方法。應(yīng)用的復合改性方法主要有有機物理/化學包覆、機械力化學/有機包覆、無機沉淀反應(yīng)/有機包覆等。