超細粉末具有一系列獨特的物理化學性能，引起了世界各國科學家的高度關注。IBM公司首席科學家J.amstrong曾指出：“正像70年代微電子技術產生了信息革命一樣，超細粉末科學技術將成為下一個信息時代的核心。”因此，近二十年來，超細粉末的開發、研究、生產成為世界各國競爭的熱點。超細粉碎技術是實現粉末超細化的一種非常重要的工藝手段。該工藝易于實現產業化，具有極高的商業價值。陶瓷研磨珠（Φ0.1～Φ3.0）的產生是由于現代超細粉碎和分散技術的發展而產生的，與傳統玻璃珠相比，具有極高的研磨效率和耐磨性；與金屬珠相比，具有很高的耐磨性，且不會污染被磨物料。
各種氧化物陶瓷珠性能見表1。SiC、Si3N4、BN和B4C等非氧化物陶瓷珠由于應用范圍較窄，售價高，本文沒有闡述。
1.陶瓷珠性能及技術要點
1.1 Y-TZP珠
Y-TZP珠是目前市面上性能最好的研磨介質之一。具有高強度、高韌性、耐沖擊，能適用各種砂磨機。密度達6.0g/cm3，研磨效率高，特別適用于高粘度物料的研磨與分散。耐磨性極佳，是玻璃珠的30～50倍，硅酸鋯珠的5～6倍。制備高性能Y-TZP珠核心技術是：其一，制備高活性團聚狀態可控納米ZrO2-Y2O3復合粉末；其二，嚴格控制生坯成球工藝，確保生坯結構均勻、致密、不分層。目前國內外用于生產Y-TZP珠的粉末基本上是采用化學共沉淀方法來制備的，通過控制沉淀和干燥過程來優化粉末的性能。該制粉工藝成本較低，易于批量生產，粉末性能較好，能滿足生產研磨珠及一般結構件的要求。若采用溶膠－凝膠、水熱及共沸蒸溜方法制備的ZrO2-Y2O3粉末，Y-TZP珠性能更優，但成本很高。
1.2 Ce-TZP珠
Ce-TZP陶瓷是以CeO2為穩定劑的四方氧化鋯多晶材料。Ce-TZP珠具有高的密度、耐磨及良好的抗沖擊性能，能應用于多種砂磨機；與Y-TZP珠相比，由于采用工業ZrO2粉體和CeO2為原料，成本較低，是一種極具市場前景的高性能研磨介質。Ce-TZP珠由于Ｃe4+原因，呈淺黃色，市面上Ce-TZP珠有多種顏色，這是由于原材料雜質所致?？桃馓砑幽撤N色劑而希望達到某種顏色是不可取的，有可能破壞材料的結構，惡化了材料的性能。
1.3 ZTA珠
ZrO2增韌Al2O3(ZTA)陶瓷是一種重要的ZTC材料，在現代工業和科學技術上占有重要地位。就所使用原材料不同，有四種工藝方案：其一，采用超細（0.1-0.3um）高純（99.99%）α-Al2O3和化學法制備的高性能ZrO2(Y2O3)粉末；其二，采用超細高純α-Al2O3和工業ZrO2、Y2O3粉末；其三，采用工業α-Al2O3和ZrO2(Y2O3)；其四，采用工業α-Al2O3、ZrO2和Y2O3粉末。不同原材料方案所制備的ZTA陶瓷性能和成本差異是很大的，采用超細高純α-Al2O3成本與Y-TZP相近。ZTA珠硬度高、比重較大，特別適合于諸如Al2O3、石英和莫來石等硬質物料的研磨與分散。
1.4 電熔硅酸鋯珠
該種陶瓷珠是由硅酸鋯經過電熔處理制成，其內部結構是ZrO2晶相呈迭瓦狀緊密排列在SiO2玻璃相中，結構均勻、耐磨、比重適中，廣泛用于TiO2、重鈣、硅酸鋯、油漆油墨等物料研磨與分散。生產電熔硅酸鋯珠的核心技術是高溫熔體成球工藝，嚴防出現開放性縮孔，盡量避免內部封閉氣孔。
1.5 燒結硅酸鋯珠
采用常規陶瓷高溫燒結工藝，通過原料超細（d50≤0.8um）研磨、優化配方等系列工藝手段，制備的燒結硅酸鋯珠各項性能完全可和電熔硅酸鋯珠相媲美。該珠的晶相由鋯英石、ZrO2及少量玻璃相組成，晶粒細小、強度高，根據用戶需求，比重在3.6-4.5范圍可調。目前燒結硅酸鋯珠市場售價較低，性價比非常突出，市場前景廣闊。
1.6 復合珠
復合珠主要是采用Al2O3和ZrSiO4高溫燒結反應，實現粒子原位增韌增強，合成耐磨鋯剛玉或鋯莫來石陶瓷。反應原理為：
2ZrSiO4+3Al2O3→2ZrO2+3Al2O3·2SiO2
復合珠特點是：成本相對較低；耐磨，抗沖擊強度高，能適用多種砂磨機；根據需要，通過改變原料配比，比重可在3.0～4.0范圍可調。
1.7 Al2O3珠
Al2O3陶瓷研磨介質是應用最早、應用最廣的陶瓷磨介之一，特別適合各種硬質物料超細研磨與分散。Al2O3陶瓷耐磨性及力學性能與晶粒大小密切相關，如圖1、圖2所示。筆者早在1994年曾將國產的Al2O3瓷球和日本的Al2O3瓷球進行對比，盡管兩者的化學成份、體積密度、吸水率都非常相近，但日本瓷球的耐磨性能要高4～6倍，經電鏡分析，發現兩者主要差別是晶粒大小不同，國產瓷球的晶粒尺寸為6～12um，而日本瓷球只有2～4um。近十年來，我國在控制煅燒α-Al2O3粉末原晶大小、Al2O3粉末超細（d50≤0.8um）加工及低溫燒結Al2O3陶瓷等方面取得了重大進展，為工業化生產高性能Al2O3珠奠定了基礎。
1.8 莫來石珠
莫來石珠具有較高的耐磨性，價格低，廣泛用于重鈣、滑石、高嶺土、石英等非金屬礦物質原料的超細研磨與分散，也可用于金屬礦的精選。生產該研磨珠的主要原料是優質高嶺土和工業α-Al2O3粉，選用MgO、CαO、BaO、等堿土金屬氧化物作礦化劑，嚴格控制原料中K2O、Na2O等堿金屬氧化物雜質含量。
2.陶瓷珠的成型工藝筒介
滾動成球工藝（俗稱“滾雪球”工藝）主要包括“球種制備、球均勻長大、表面拋光和分級”等工藝過程，是一種高效成球技術，可用于各種磨介成型。該工藝技術核心是如何保證球長大過程中水份均勻一致，嚴防出現分層或包球。成球過程所加的水應充分霧化，根據加粉量和粉料吸水能力調節加水量。根據粉料表面特性，水中可通過添加PVA、CMC及有關保水劑來改善成球性能。該工藝設備投入少，易于實現規?；a。通過嚴格控制成型各種工藝參數，生坯相對密度可達45%—62%（不同細度粉料有所差異），而且氣孔結構均勻，可和等靜壓成型工藝相媲美。
2.1 滾動成球工藝
滾動成球工藝（俗稱“滾雪球”工藝）主要包括“球種制備、球均勻長大、表面拋光和分級”等工藝過程，是一種高效成球技術，可用于各種磨介成型。該工藝技術核心是如何保證球長大過程中水份均勻一致，嚴防出現分層或包球。成球過程所加的水應充分霧化，根據加粉量和粉料吸水能力調節加水量。根據粉料表面特性，水中可通過添加PVA、CMC及有關保水劑來改善成球性能。該工藝設備投入少，易于實現規?；a。通過嚴格控制成型各種工藝參數，生坯相對密度可達45%—62%（不同細度粉料有所差異），而且氣孔結構均勻，可和等靜壓成型工藝相媲美。
2.2 毛細管滴淀成型工藝
毛細管滴淀成型工藝是一種全新陶瓷成型技術，其原理如圖3所示。原料按配比經研磨到達規定細度后，烘干，再按料：石蠟=8：2比例加熱制成蠟漿，蠟漿加入圖3罐體中，并加熱恒溫在80℃左右，經真空排除蠟漿中空氣，然后調節壓力以控制液滴滴淀速度，液滴在沉降過程中形成球型，由于石蠟和冷凍的雙重作用凝結成球。更換不同大小的毛細管可制備不同粒度的珠子。
圖三 毛細管滴淀成型工藝圖
3.陶瓷珠的大小對研磨效果的影響
研磨設備從全球第一臺使用粒徑較大（Φ10左右）研磨介質的攪拌式球磨機（Attritor）誕生，發展到使用粒徑較小研磨珠的立式砂磨機、臥式砂磨機以及各種帶改良功能的超細研磨砂磨機，使用的研磨介質的粒徑愈來愈小。其原因是：在研磨設備輸入能量足夠大的前提下，研磨珠愈小，研磨效率愈高，物料研磨后細度愈細、分布愈窄；其二，砂磨機介質分離系統不斷改進，使用小尺寸的研磨珠成為可能，傳統砂磨機使用的縫隙環及靜態篩網很難分離小尺寸研磨珠，采用動態離心分離系統，允許使用的最小珠子為Φ0.2mm，不會發生堵塞及異常磨損。
攪拌磨、砂磨機粉碎原理是：通過輸入能量帶動攪拌器高速旋轉，使研磨珠產生強大的離心力，珠子和物料之間劇烈地碰撞、剪切與摩擦，物料迅速得以粉碎。以立式砂磨機為例，設分散盤直徑為Φ100，外沿線速度為10m/s，Φ2、Φ1、Φ0.6三種尺寸珠子所受離心力分別是其自身重力的51倍、102倍和170倍。線速度愈高，珠子所受離心力愈大；珠子愈小，所受離心力與其身重力比愈大。離心力愈大，珠子碰撞次數愈多，從而強化了物料粉碎。如圖4所示，小研磨珠比大珠具有更大的曲率半徑，在相同的作用力下在物料顆粒表面造成的局部應力更大，物料更易磨細。
研磨過程是通過研磨介質之間的擠壓、碰撞、剪切和磨擦完成的，任何一個物料顆粒只有在位于有效粉碎區域才能得以粉碎。一個直徑為2r的物料在兩個相互接觸半徑為R的研磨珠之間，才能粉碎，亦即當這兩個研磨介質的間距小于2r的這個范圍之間是粉碎區域，兩研磨介質之間的粉碎有效區域的體積為V＝2πr2(R+r/3)，整個磨機中的有效粉碎區域是兩個研磨珠之間有效粉碎體積與接觸點數量的積。因此使用小研磨珠時單位體積的有效粉碎區域成指數倍率增大（≈1/R2），在25.4mm3的范圍內，直徑為3mm的研磨珠，其接觸點為2900個，而直徑為0.8mm的研磨珠，其接觸點為180000個。因此，采用小尺寸的珠子能夠充分利用輸入的能量，以較低的能耗快速得到顆粒細、分布窄的物料。
4.選擇研磨珠的原則
4.1 化學原則
珠子運行過程中會有磨損，根據珠子的化學組成及損耗量確定采用何種珠子更為合適。除考慮低磨損外，物料系統所顧忌的化學元素是重點要考慮的因素，如研磨農藥、醫藥、食品、化妝品等，選用的珠子應不含各種重金屬。對于研磨一些非金屬礦物原料，可考慮成份相近的珠子，如用硅酸鋯珠或復合珠研磨硅酸鋯，用Al2O3珠研磨Al2O3粉。
4.2 珠子的主要性能指標
4.2.1 比重
珠子比得愈大，研磨效率愈高。高粘度的漿料應選用比重大的珠子，如研磨膠印油墨、和噴繪油墨，一般使用φ0.2～φ0.8的Y-TZP珠。
4.2.2 硬度
珠子的硬度應高于物料的硬度。筆者曾使用φ1.5的Y-TZP珠研磨α-Al2O3粉末，珠子損耗較大，研磨成本較高，后來分別改用Al2O3珠和ZTA珠，效果較好。此外硬度大的研磨珠對設備有關接觸部件磨損也較大，但可通過調節珠子的填充量、漿料的粘度、流量等參數進行優化。
4.2.3 耐磨性
盡量選用磨損較低的珠子，耐磨性除與材料本身性能有關，還取決于測式條件，陶瓷珠供應廠商提供的磨耗值，一般是在水介質中測得的珠子自磨磨耗值。若物料硬度低于研磨珠，這種自磨耗值與實際磨耗有較好的對應關系。建議使用珠子前摸擬實際工況條件測定磨耗，以便準確選用何種珠子。
4.2.4 強度
研磨珠成功應用首要條件是運行中不碎裂，這對高能量密度的砂磨機尤其重要，珠子的抗彎強度和韌性愈高，破碎可能性愈小。Y-TZP珠子是市面上強度最高的研磨介質。
4.3 珠子的大小
研磨珠的大小決定了珠子和物料的接觸點的多少，在有足夠能量輸入的前提下，珠子愈小，研磨效率愈高。但決定珠子的大小與設備介質分離系統有關，對于篩網分離系統，珠子的最小直徑是篩網縫隙的3倍；對于環式分離系統，最小直徑是環縫隙的4倍，目前動態離心分離系統，允許使用φ0.1～φ0.2超細研磨珠。物料入料粒度和研磨終端要求的粒度也是選擇珠子大小的重要依據。對于入料粒度大，終端料度要求又特別細（如0.5um），應選擇多段研磨工藝，前段研磨可選擇尺寸較大的珠子，終端可選擇尺寸較小的珠子。此外選擇窄分布的珠子有助于強化研磨效果。
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