粉体材料制备技术-2

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1、8.粉体材料及其制备技术粉体材料及其制备技术 2009-12-12刘晓瑭1 2009-12-12刘晓瑭2 8.1 粉体材料概述粉体材料概述 在在 20 世纪世纪 80 年代之前，粉体材料的发展年代之前，粉体材料的发展 历史基本上就可以看成是陶瓷材料的发展历史。历史基本上就可以看成是陶瓷材料的发展历史。 陶瓷材料的几次重大的飞跃都是在粉体材料发陶瓷材料的几次重大的飞跃都是在粉体材料发 展的基础上实现的。展的基础上实现的。 2009-12-12刘晓瑭3 2009-12-12刘晓瑭4 我们的祖先早在 8000 年前就用泥土为原料塑造出各种形状的 器皿，然后在火中烧制成坚硬的陶器。 烧制陶器所用的原料

2、一般是含 Fe2O3较多的粘土，熔点低， 因此陶器的烧结温度不高。 陶瓷材料发展史上的第一次飞跃是由陶器向传统陶瓷的转变。 高铝质粘土和瓷土的应用以及为实现致密烧结所需的高温是 这次飞跃的主要因素。 陶瓷材料发展史上的第二次飞跃是 20 世纪初由传统陶瓷向先 进陶瓷的转变。 2009-12-12刘晓瑭5 20 世纪 90 年代初，陶瓷材料发生了第三次飞跃，其标志就 是纳米陶瓷的出现。 纳米尺度的粉体制备技术的发展是这次飞跃的推动力 目前，纳米材料的概念已经不仅仅局限于陶瓷材料和粉末冶 金材料，已经渗透到了现代科学研究和日常生活的许多领域， 对人类社会正产生着深远的影响。 这期间现代粉末冶金技术

3、基本形成。其标志是 1909 年电灯 钨丝的制成。 粉末冶金技术的出现导致了一系列粉末冶金制品、金属陶 瓷以及各种复合材料。 2009-12-12刘晓瑭6 以粉末的成型和烧结固化为主线的材料制备技术， 粉末制备是最重要的初始环节，它直接影响到原 料粉的品质和烧成材料的性质。 在大量的研究中形成了一个共识：材料晶粒越细， 材料的力学性能就越优越。因此，人们在陶瓷及 粉末冶金领域正不断地努力，力求制备出更细微 的粉末原料。 粉末材料除了作为烧结材料的原料外，还以填充 物的形式大量使用。 粉末材料还可以直接应用。 2009-12-12刘晓瑭7 粉体材料的应用领域举例 农业：粮食加工、化肥、粉剂农药、

4、饲料等 矿业：金属矿石的粉碎研磨、非金属矿的深加工等 冶金：粉末冶金、冶金原料处理等 印刷：油墨生产、复印用的碳粉等 医药：粉剂、中药精细化、喷雾施药 化工：涂料、油漆 能源：煤粉燃烧、固体火箭推进剂 机械：微粉磨料、铸造砂型等 材料： 8.2 粉体尺寸及其表征粉体尺寸及其表征 颗粒按尺寸大小分为以下几类：颗粒按尺寸大小分为以下几类： 2009-12-12刘晓瑭8 粗颗粒：150 500 m 中颗粒：44 150 m 细颗粒：10 44 m 极细颗粒：0.5 10 m 纳米颗粒： 0.1 m (100 nm) 2009-12-12刘晓瑭9 随着颗粒的逐渐细化，大量的内部原子 移至表面，也就是说

5、表面原子数在总原子数 中所占比例逐渐增大，因此颗粒表层结构对 材料性能的影响程度加剧，直至产生所谓的 纳米效应。 我们来做一个简单的分析。 2009-12-12刘晓瑭10 考虑一个边长为 1 cm 的立方体细化为边长为 5 m 的小立方体。细化前后的有关数据如下 显然，细化过程就是总面积增加的过程，同 时立方体的棱边数和顶角数也增加了。 2009-12-12刘晓瑭11 从材料结构角度考虑，无论何种大小的颗粒，从材料结构角度考虑，无论何种大小的颗粒， 都可以认为是由内部结构和表层结构组成。表都可以认为是由内部结构和表层结构组成。表 层结构与内部结构不同。表层结构集中在表层层结构与内部结构不同。表

6、层结构集中在表层 的几个原子范围内。的几个原子范围内。 按照结构决定材料性质这一基本准则，可以得按照结构决定材料性质这一基本准则，可以得 出结论：颗粒内部的性质与表层的性质是不同出结论：颗粒内部的性质与表层的性质是不同 的；当颗粒较大时，表层原子所占的比例较小，的；当颗粒较大时，表层原子所占的比例较小， 因而可以不考虑由此产生的影响。随着考虑的因而可以不考虑由此产生的影响。随着考虑的 不断细化，大量的内部原子移至表面，表层结不断细化，大量的内部原子移至表面，表层结 构对材料性质的影响就将成为主要因素。构对材料性质的影响就将成为主要因素。 2009-12-12刘晓瑭12 10 4 10 3 10

7、 2 颗粒细化的结果是粉体的比表面积和表面能都增大了颗粒细化的结果是粉体的比表面积和表面能都增大了 铜颗粒的粒径与比表面积、表面能的数据铜颗粒的粒径与比表面积、表面能的数据 随着颗粒尺寸的减小，比表随着颗粒尺寸的减小，比表 面积和表面能都增大了。面积和表面能都增大了。 2009-12-12刘晓瑭13 当细化到纳米尺度时，颗粒就会表现出一些当细化到纳米尺度时，颗粒就会表现出一些 异常的特性异常的特性 纳米金属的熔点比块体金属低得多。纳米金属的熔点比块体金属低得多。 金的熔点为金的熔点为 1337 K，2 nm 的金颗粒的熔点的金颗粒的熔点 600 K 纳米粉体在很宽的频谱范围内都呈现出黑体现纳米

8、粉体在很宽的频谱范围内都呈现出黑体现 象，不仅吸收可见光，对电磁波也完全吸收。象，不仅吸收可见光，对电磁波也完全吸收。 纳米粉体基本上都是黑色的纳米粉体基本上都是黑色的 纳米磁性粉体已经成为单磁畴结构，具有很高纳米磁性粉体已经成为单磁畴结构，具有很高 的矫顽力的矫顽力 纳米磁性金属的磁化率是普通金属的纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，饱和磁矩则是普倍，饱和磁矩则是普 通的二分之一。通的二分之一。 一些纳米颗粒的导电性能明显改善，甚至成为一些纳米颗粒的导电性能明显改善，甚至成为 高高 TC的超导体。的超导体。 2009-12-12刘晓瑭14 颗粒大小的表征颗粒大小的表征 颗粒大小和形状是粉

9、体材料最重要的物性表征量。颗粒大小和形状是粉体材料最重要的物性表征量。 颗粒的大小一般用粒径来表示。在分析粉体的粒颗粒的大小一般用粒径来表示。在分析粉体的粒 径时，应明确单颗粒粒径与颗粒聚集体径时，应明确单颗粒粒径与颗粒聚集体 (粉末粉末) 粒径的含义以及它们之间的区别粒径的含义以及它们之间的区别 单颗粒粒径：针对一个颗粒按照某一规定的准则而获取的一个单颗粒粒径：针对一个颗粒按照某一规定的准则而获取的一个 特定的数值特定的数值 粉末粒径：许多粉末颗粒采用一定的测量方法而得到的具有统粉末粒径：许多粉末颗粒采用一定的测量方法而得到的具有统 计学意义的一组值，包括统计平均值和统计分布计学意义的一组值

10、，包括统计平均值和统计分布 2009-12-12刘晓瑭15 单颗粒的粒径单颗粒的粒径 球形颗粒的大小用球形颗粒的大小用 一个直径数值就可一个直径数值就可 以表示以表示 圆柱形颗粒的大小圆柱形颗粒的大小 则需要两个参数描则需要两个参数描 述：直径和高度。述：直径和高度。 实际应用的颗 粒的形状往往 都是不规则的 如何表示这如何表示这 样的不规则样的不规则 形状颗粒的形状颗粒的 大小？大小？ 2009-12-12刘晓瑭16 关于不规则形状单颗粒粒径的表示 方法已经提出来很多种。其中应用 较多的是所谓的颗粒当量径。 颗粒当量径：将颗粒以某种等量关 系转化为球形，相应得到的球的直 径称为颗粒的当量径。

11、 2009-12-12刘晓瑭17 颗粒当量径的定义及计算公式颗粒当量径的定义及计算公式 1. 等体积球当量径：与颗粒具有相同体积的 球的直径 3 V 6V d = 颗粒的体积 2009-12-12刘晓瑭18 2. 等表面积球当量径：与颗粒具有相同表面 积的球的直径 S d = S 颗粒的表面积 2009-12-12刘晓瑭19 3. 比表面积球当量径：与颗粒具有相同的比 表面积的球的直径 3 V SV 2 S 6dV d Sd = 2009-12-12刘晓瑭20 4. 投影圆当量径：与颗粒投影面积相等的圆 的直径 a 4a d = 颗粒的投影面积 2009-12-12刘晓瑭21 5. 等周长圆当

12、量径：与颗粒投影周长相等的 圆的直径 l d = l 颗粒的投影周长 2009-12-12刘晓瑭22 粉体的粒径：颗粒尺寸的分布粉体的粒径：颗粒尺寸的分布 前面提到：粉体的粒径是采用一定的测量方法而 得到的具有统计学意义的一组值，包括统计平均 值和统计分布。因此对粉体粒径的描述也就相当 于对颗粒尺寸的分布进行描述。 通常，颗粒尺寸分布可以用个数分布或者重量 (体积) 分布来描述。 2009-12-12刘晓瑭23 对粉体材料进行粒度测试所得到的信息一般可以采 用分布直方图的形式进行描述。 横坐标为粒径。采用对数坐标是因 为颗粒尺寸的分别范围一般都很宽。 纵坐标 为颗粒 尺寸出 现在某 一尺寸 范

13、围内 的几率。 这一几率可以是处于相 应的尺寸范围内的颗粒 个数占颗粒总数的百分 数 (个数分布)，也可以是 处于相应的尺寸范围内 的颗粒重量占颗粒总重 量的百分数 (重量分布) 2009-12-12刘晓瑭24 如果测试的粉体中颗粒总数 足够多，也可以采用连续曲 线来表示颗粒尺寸的分布， 这相当于概率密度函数。 2009-12-12刘晓瑭25 另一种表示颗粒尺寸分布的曲线是累积分布曲线。 横坐标仍然为 粒径的对数 纵坐标改用 了累积概率， 即尺寸小于 x 的颗粒数 (或重量) 所 占的百分数 显然，这条曲 线的有一条渐 近线 Q = 1 2009-12-12刘晓瑭26 确定了颗粒尺寸的分布曲线

14、后，就可以采用一个具 体的数值来描述颗粒尺寸的大小程度。通常采用的 有三种不同的取值方法 平均尺寸：即所测得的分布的平均值 中位尺寸 (中位径)：在累积分布曲线上对 应于 Q = 0.5 处的颗粒尺寸，通常表示为 x50。 众数直径：出现几率最高的颗粒尺寸值， 即概率密度分布曲线上的极大值点处所对 应的颗粒尺寸。 2009-12-12刘晓瑭27 需要注意的是，对于实验测得的一条具体的分布曲需要注意的是，对于实验测得的一条具体的分布曲 线，平均尺寸和中位尺寸应该仅仅是线，平均尺寸和中位尺寸应该仅仅是一个一个具体的数具体的数 值，但众数直径则可能具有值，但众数直径则可能具有多个多个不同的数值。不同

15、的数值。 2009-12-12刘晓瑭28 作为一种数据处理方法，颗粒尺寸分布有时也采用作为一种数据处理方法，颗粒尺寸分布有时也采用 函数形式来描述。这就要求根据累积分布曲线的形函数形式来描述。这就要求根据累积分布曲线的形 式选择合适的分布函数来对实验数据进行拟合。常式选择合适的分布函数来对实验数据进行拟合。常 用的函数包括：用的函数包括：Gaudin-Schuman 分布、对数正态分布、对数正态 分布和分布和Rosin-Rammler 分布。分布。 2009-12-12刘晓瑭29 颗粒尺寸的分布：颗粒尺寸的分布：Gaudin-Schuman 函数函数 这一分布函数中，这一分布函数中，xmax和

16、和 m 是待定参数，需要是待定参数，需要 通过对实验数据进行回归分析得到通过对实验数据进行回归分析得到 在对数坐标系中，该函数是一条直线，因此很容在对数坐标系中，该函数是一条直线，因此很容 易借助于线性回归分析进行数据处理易借助于线性回归分析进行数据处理 m 值越小，则颗粒尺寸的分布就越宽值越小，则颗粒尺寸的分布就越宽 m x x xQ = max )( 颗粒尺寸小 于 x 的概率 颗粒尺寸 最大颗粒尺寸 2009-12-12刘晓瑭30 颗粒尺寸的分布：颗粒尺寸的分布：Rosin-Rammler 函数函数 这一分布函数中，这一分布函数中，x 和和 n 是待定参数，需要通过是待定参数，需要通过 对实验数据进行回归分析得到对实验数据进行回归分析得到 在在 lnln 对对 ln 坐标系中，该函数是一条直线坐标系中，该函数是一条直线 n 值越小，则颗粒尺寸的分布就越宽值越小，则颗粒尺寸的分布就越宽; 这一函数常常用于描述粉碎