在科研領(lǐng)域，行星式球磨儀有著非常廣泛的應(yīng)用，它可以對(duì)軟性、硬性、脆性及纖維性樣品進(jìn)行研磨（干磨或濕磨）及混合處理，在很多實(shí)驗(yàn)室，行星式球磨儀通常也被用來(lái)研磨土壤、礦石、陶瓷、煤炭、水泥熔渣、肥料、木炭等樣品，但基于其特殊的工作原理，行星式球磨儀可發(fā)揮的作用遠(yuǎn)不止磨碎這么簡(jiǎn)單，今天我們一起探討下行星式球磨儀在機(jī)械合金化領(lǐng)域、納米材料領(lǐng)域的應(yīng)用。
說(shuō)起機(jī)械合金化和納米材料的制備，還是要從行星式球磨儀特殊的工作原理說(shuō)起，究竟它有哪些不同之處，可以被用在這些高端材料的制備領(lǐng)域。
行星式球磨儀的工作原理
因?yàn)閺膭?dòng)輪就像行星一樣繞著主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，因此得名“行星式球磨儀”。當(dāng)儀器啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)公共的太陽(yáng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，而位于太陽(yáng)輪上的研磨罐則圍繞自身的軸作自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，研磨罐自轉(zhuǎn)的方向與太陽(yáng)輪的方向相反。研磨球與研磨罐一起運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，受到自轉(zhuǎn)偏向力的疊加影響，在這種影響下，研磨球釋放出大量的動(dòng)能，樣品不斷受到研磨球的撞擊，同時(shí)與研磨內(nèi)壁產(chǎn)生大量摩擦，從而被高度粉碎。
01球磨儀在機(jī)械合金化領(lǐng)域的應(yīng)用
近年來(lái)，機(jī)械合金化的發(fā)展非常迅猛，它被廣泛的應(yīng)用于材料科學(xué)、化工、生物、制藥等領(lǐng)域，作為材料科學(xué)研究重要工具，特別應(yīng)用于機(jī)械式合金材料制備和納米超細(xì)粉末的制備。
我們先了解一下，何為機(jī)械合金化？
為什么它可以和行星式球磨儀聯(lián)系在一起？
機(jī)械合金化(Mechanical Alloying，簡(jiǎn)稱MA)是指金屬或合金粉末在高能球磨機(jī)中通過(guò)粉末顆粒與研磨球之間長(zhǎng)時(shí)間激烈地沖擊、碰撞，使粉末顆粒反復(fù)產(chǎn)生冷焊、斷裂，導(dǎo)致粉末顆粒中原子擴(kuò)散，從而獲得合金化粉末的一種粉末制備技術(shù)。
該項(xiàng)技術(shù)最早是美國(guó)國(guó)際鎳公司的本杰明等人于1969年前后研制成功的一種新的制粉技術(shù)。這種工藝最初被稱之為"球磨混合"，但是INCO(國(guó)際鎳公司)的專利代理律師Mr.Ewan C. MacQueen在第一個(gè)專利申請(qǐng)中將此種工藝稱之為"機(jī)械合金化"(Mechanical Alloying)。接著80年代初又在機(jī)械合金化過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了非晶化現(xiàn)象，然后發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶、難熔金屬化合物、稀土硬磁合金等新材料。
1990年，Schlup等人發(fā)表了機(jī)械合金化制備納米晶材料的報(bào)道，使該技術(shù)更加引人注目。到目前為止，用機(jī)械合金化技術(shù)已成功制備出納米晶純金屬、不互溶體系固溶體納米晶、納米非晶、納米金屬間化合物及納米金屬、陶瓷復(fù)合材料等。
這種機(jī)械合金化粉末并非像金屬或合金熔鑄后形成的合金材料那樣，各組元之間充分達(dá)到原子間結(jié)合，形成均勻的固溶體或化合物。在大多數(shù)情況下，在有限的研磨時(shí)間內(nèi)僅僅使各組元在那些相接觸的點(diǎn)、線和面上達(dá)到或趨近原子級(jí)距離，并且最終得到的只是各組元分布十分均勻的混合物或復(fù)合物。
當(dāng)球磨時(shí)間非常長(zhǎng)時(shí)，在某些體系中也可通過(guò)固態(tài)擴(kuò)散，使各組元達(dá)到原子間結(jié)合而形成合金或化合物。所以近年來(lái)該種方法被廣泛的應(yīng)用于制備各種高性能材料，包括彌散強(qiáng)化合金、金屬間化合物、磁性材料、儲(chǔ)氫合金、納米晶合金、納米晶陶瓷、納米復(fù)合材料等。
行星式球磨儀在機(jī)械化學(xué)的應(yīng)用
行星式球磨儀的機(jī)械加工效果非常適合機(jī)械化學(xué)合成。機(jī)械撞擊力提供了化學(xué)反應(yīng)所需的活化能，使得復(fù)雜的反應(yīng)能在無(wú)溶劑的條件下進(jìn)行，反應(yīng)類型多種多樣，從氧化鹵代反應(yīng)和 Diels-Alder 雙烯合成反應(yīng)，到糖苷合成或簡(jiǎn)單的區(qū)域選擇反應(yīng)，機(jī)械化學(xué)可以實(shí)現(xiàn)用傳統(tǒng)方法很難做到的反應(yīng)，例如廢棄物的脫鹵素處理（DMCR）。一開(kāi)始大顆粒可以用此方法制備，隨著結(jié)構(gòu)缺陷，例如晶格的錯(cuò)位，間隙和應(yīng)力的增加，原子擴(kuò)散速度也會(huì)快速增長(zhǎng)，最終形成縫隙導(dǎo)致物性變脆，顆粒更容易破碎，研磨罐中的摩擦?xí)a(chǎn)生高溫，促進(jìn)了擴(kuò)散作用。
格瑞德曼BM系列行星式球磨儀可提供機(jī)械合金所必須的能量輸出，可以制備熔融和澆注無(wú)法制備的樣品，并選擇任意比例的混合。在運(yùn)行過(guò)程中，行星式球磨儀除了可以設(shè)定高速運(yùn)行外，在環(huán)境氣氛或惰性氣體環(huán)境下，所提供的研磨罐還可配備安全緊固裝置和通氣蓋。
研磨儀的影響因素
球磨儀的研磨時(shí)間、轉(zhuǎn)速、研磨介質(zhì)、球配比、轉(zhuǎn)速、充填率、過(guò)程控制劑、分散劑，甚至氣體環(huán)境和研磨溫度等因素都會(huì)對(duì)機(jī)械合金的制備結(jié)果產(chǎn)生影響。而機(jī)械合金化這項(xiàng)制備技術(shù)，需要更高的能量輸入和更好的氣氛保護(hù)，以確保準(zhǔn)確的溫度監(jiān)控。
除了上述提到的影響研磨結(jié)果的因素外，與樣品直接接觸的研磨罐的材質(zhì)也是影響研磨結(jié)果的重要因素。如機(jī)械合金化，通常會(huì)選擇碳化鎢材質(zhì)的研磨罐，因其硬度比較高，密度比較大，相對(duì)而言，它是作為能量輸入的最佳材質(zhì)之一，也是機(jī)械合金化在多數(shù)情況下必備的材質(zhì)。
02行星式球磨儀在納米技術(shù)的應(yīng)用
納米技術(shù)：小顆粒的大作用
納米技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在1納米至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)。納米技術(shù)研究的內(nèi)容涉及現(xiàn)代科技的廣闊領(lǐng)域, 如材料科學(xué)、制藥學(xué)、食品、顏料或半導(dǎo)體技術(shù)。納米粒子體積小，表面增大，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。如：相比大顆粒，納米顆粒更難粉碎；納米效應(yīng)還廣泛用于商業(yè)應(yīng)用，如著名的納米材料蓮花效應(yīng)，這種納米顆粒放到纖維中，能做成防塵防水的布料。
納米粒子是如何產(chǎn)生的 ?
可以有：行星式球磨儀的機(jī)械方法、化學(xué)方法 以及蒸發(fā)凝聚三種制備方法。
如何使用球磨儀來(lái)做納米研磨
行星式球磨儀可將大顆粒尺寸研磨至納米范圍，由于同體積顆粒突增的表面積，小顆粒靜電電荷相互吸引，膠體研磨可以得到納米顆粒，因?yàn)轭w粒在液體中分散抵消表面張力利于研磨。根據(jù)樣品材料不同，水和酒精都可以作為分散介質(zhì)，在某些情況下，需通過(guò)加入緩沖劑來(lái)中和表面電荷或加入大分子長(zhǎng)鏈結(jié)構(gòu)形成位阻效應(yīng)。為了達(dá)到理想的研磨效果，我們可將0.5到 3 mm 直徑可選的研磨球填充至研磨罐體積的 60% ，這樣可以使摩擦力最大化，填充大約為研磨罐體積1/3容量的樣品,并添加一些合適的分散劑（例如水、異丙醇、緩沖液），使樣品呈糊狀均勻分散并達(dá)到納米研磨的理想條件。
“格瑞德曼”的行星式球磨儀可將樣品研磨至納米級(jí)別，所提供的研磨罐和研磨球都是耐磨性最好的氧化鋯材質(zhì),除此之外，不銹鋼、瑪瑙、剛玉、碳化鎢材質(zhì)的研磨罐和研磨球可滿足實(shí)驗(yàn)中的多樣化需求。
影響研磨結(jié)果的因素：
研磨設(shè)備、轉(zhuǎn)速、研磨時(shí)間、介質(zhì)、球料比、充填率、氣氛、過(guò)程控制劑、分散劑、研磨溫度。
03行星式球磨儀的使用經(jīng)驗(yàn)
預(yù)粉碎
根據(jù)樣品初始細(xì)度和最終出樣細(xì)度的要求，有必要進(jìn)行一次預(yù)粉碎過(guò)程。干法研磨通常使用 >3 mm 直徑的研磨球，球料和剩余空間保持1:1:1 的比例，得到的樣品可以用來(lái)做下一步的納米研磨。
我們建議您選擇和研磨罐材質(zhì)相同的研磨球，以避免不必要的元素污染！
●如果對(duì)出樣細(xì)度有非常高的要求，推薦使用二次研磨，配合 0.1 到 0.5mm 直徑的研磨球，特別是在第一次研磨使用的研磨球大小是 2 - 3mm 直徑時(shí)更有必要。
注：
1、研磨球的直徑必須至少是進(jìn)樣尺寸的 3 倍。
2、為了更好的分離樣品和研磨球，可以使用篩網(wǎng)（篩網(wǎng)孔徑需小于研磨球 20% 至 50%）和接收盤來(lái)更好的分離樣品。
●如果樣品在濕磨時(shí)溶脹，需要加入更多的分散劑來(lái)保持研磨球和樣品混合均勻，如果樣品極易溶脹，建議在研磨之前對(duì)其進(jìn)行稀釋。
注：
1、由于研磨時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，研磨罐的溫度可高達(dá) 150°C，所以在拿取研磨罐的時(shí)候一定要小心。
2、需要特別注意研磨罐內(nèi)的壓力，因此，推薦使用 BM系列帶有安全閥門和通氣蓋的研磨罐。
04不同平臺(tái)的球磨儀
行星式球磨儀特殊的工作原理，使得轉(zhuǎn)速比對(duì)能量輸入的大小、研磨效果有直接影響，而在實(shí)際的應(yīng)用中，根據(jù)使用要求和期望的處理量，可選擇1、2或4個(gè)研磨平臺(tái)的研磨儀，也可以根據(jù)使用要求實(shí)現(xiàn)1:1到1：-3.5定制化設(shè)計(jì)。
一臺(tái)高效、穩(wěn)定可靠的行星式球磨儀可以讓科研工作事半功倍！
選擇格瑞德曼，讓您的制樣更簡(jiǎn)單，更高效！
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