材料工程基礎：第二章 粉末材料制備

1、第二章 粉末材料制備第一節(jié) 概述1 基本概念 粉體：指的是在常態(tài)下以較細的粉粒狀態(tài)存在的物料。一次顆粒：即單個顆粒，指內部沒有孔隙的致密材料，可以是非晶、單晶或多晶。二次顆粒：由單個顆粒以弱結合力構成，包含了一次顆粒與孔隙。單分散體系：組成粉體系統(tǒng)的顆粒粒徑相等或相近。多分散體系：組成粉體系統(tǒng)的顆粒粒徑不相等，在一定的范圍內變化。2 制粉的目的從材料制備的角度：有利于各種不同形狀的制備?？商岣叨逊e密度，提高素坯密度（對于壓制成形）。提高制品中多組分之間的混合均勻度。有利于制品的燒成與致密。 從材料性能的角度：顆粒細化對表面積、表層原子比例的影響，進而對材料性質的影響。3 現代陶瓷粉體應有的特性

2、 化學組成精確。 化學組成均勻性好。 純度高。 適當小的顆粒尺寸。 球狀顆粒，且尺寸均勻單一。 分散性好，團聚少。 4 材料的發(fā)展歷史與制粉的關系 5 粉末材料的應用 6 制粉方法的分類 機械制粉物理制粉化學制粉機械法制備的粉體粒度有一定限制，而且制備過程中極易引入雜質，但具有成本低、產量高、制備工藝簡單等特點。物理法和化學法，是通過相變或化學反應，經歷晶核形成和晶體生長形成固體粒子，其工藝過程精細，成本相對較高。 第二節(jié) 機械制粉方法1 物料的粉碎方式 擠壓粉碎、沖擊粉碎、摩擦-剪切粉碎和劈裂粉碎。 2 被粉碎物料的基本物性 強度：物料對外力的抵抗能力。硬度：物料抵抗其他物體刻劃或壓入其表面

3、的能力。脆性：物料在受力破壞時直到斷裂前只出現極小的彈性變形而不出現塑性變形。韌性：指物料在外力的作用下，塑性變形過程中吸收能量的能力。 易碎(磨)性：概括影響粉碎過程的其他因素。強度和硬度均大的物料較難粉碎；強度不大而硬度大的物料易破碎，但難粉磨；強度大而硬度不大的物料易粉磨，但難破碎。脆性材料抵抗動載荷或沖擊的能力較差，采用沖擊粉碎可使粉碎效率提高。韌性物料的抗拉和抗沖擊性能較好，而抗壓性能較差，采用擠壓粉碎可使粉碎效率提高。 3 機械研磨法 球磨制粉的四個基本要素：球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介質。 球磨方式：滾筒式、振動式、攪動式。提高球磨效率的兩個基本準則。（1）動能準則：提高磨球的

4、動能。（2）碰撞幾率準則：提高磨球的有效碰撞幾率。 3.1 滾筒式球磨 3.1.1 運動形式分析球磨機轉速的限定條件：V臨1V實際V臨23.1.2 研磨介質的運動分析外層研磨介質的基本運動方程3.2 振動球磨 特點： 不存在滾筒球磨的上下臨界轉速的限制，是一種高能、高效的研磨方法； 傳動方式是直接與電機相連，因而能高速工作； 粉料與研磨介質的填充率均較高，生產效率高。 3.3 攪拌球磨特點： 不存在臨界轉速的限制，因而磨球的動能大大增加； 通過提高攪拌轉速、減小磨球直徑的辦法可以提高磨球的總撞擊幾率。4 氣流研磨法 是通過氣體傳輸粉料的一種研磨方法。與機械研磨法不同的是，氣流研磨不需要磨球和介

5、質。研磨時，粉料隨著高速氣流的流動獲得動能，通過粉末顆粒間的相互摩擦，撞擊或顆粒與制粉裝置間的撞擊使粗大顆粒細化。 提高氣流研磨效率的兩條準則。（1）動能準則：提高粉末顆粒的動能。（2）碰撞幾率準則：提高粉末顆粒的碰撞幾率。 4.1 旋渦研磨 4.2 冷流沖擊 4.3 流態(tài)化床氣流磨 5 粉碎機械力化學 固體物質在各種形式的機械力作用下所誘發(fā)的化學變化和物理化學變化稱為機械力化學效應。（1）粉碎平衡：物料粉碎至一定時間后，粒度和比表面積不再明顯變化而穩(wěn)定在某一數值附近。 （2）晶格畸變：晶格中質點的排列部分失去其點陣結構的周期性導致晶面間距發(fā)生變化、晶格缺陷以及形成非晶態(tài)結構等。 （3）晶型轉

6、變：在常溫下由于機械力的作用常常會發(fā)生晶型轉變。 （4）化學變化：發(fā)生脫水效應、固相反應等。 第三節(jié) 物理制粉方法1 霧化法 提高霧化制粉效率的兩條基本準則：能量交換準則：提高液體從系統(tǒng)中吸收能量的效率，以利于表面自由能的增加； 快速凝固準則：提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒的再次聚集。 1.1 雙流霧化法 1.2 離心霧化法 1.3 霧化制粉的特性 霧化制粉主要用于金屬或合金。 霧化制粉是一種快速凝固技術，能夠增加金屬元素的固溶度。極大地降低了成分偏析，粉末成分均勻。 可獲得細晶、微晶、準晶直至非晶粉末。 2 物理蒸發(fā)冷凝法 采用不同的能量輸入方式，使金屬汽化，然后再在冷凝壁上沉積，從而

7、獲得金屬粉末。 按能量輸入方式來劃分，物理蒸發(fā)冷凝法可分為：電阻加熱方式、等離子體加熱方式、激光加熱方式、電子束加熱方式、高頻感應加熱方式。 3 溶劑蒸發(fā)法 3.1 噴霧法將溶液噴霧至熱風中使之快速干燥的方法。也被廣泛應用于造粒。 3.2 冷凍干燥法 第四節(jié) 化學制粉方法1 化學氣相沉積法1.1 原理經歷四個步驟：化學反應、均相形核、晶粒生長、團聚。（1）化學反應熱力學判據反應的控制因素（2）均勻形核均勻形核：體系中無晶種或晶核生成基底，晶核在體系中形成的幾率處處相同的成核過程。非均勻形核：體系借助于晶種或晶核生成基底的成核過程。 （3）晶粒生長兩種途徑：對氣相產物分子的吸附與重構使自身長大；

8、核坯顆粒相互之間發(fā)生碰撞結合而長大。后者是粒子后期長大的主要原因。（4）團聚粉體顆粒之間由于存在著較弱的吸附力作用（范德華力、靜電力等），顆粒之間會發(fā)生聚集，顆粒越小聚集效果越明顯，這一現象稱為團聚。1.2 類型（1）熱分解法羰基物的定義、制取及熱分解。（2）氣相還原法分為氣相氫還原和氣相金屬熱還原。（3）復合反應法是制備無機化合物的重要方法。 2 還原-化合法 2.1 基本原理 （1）金屬氧化物還原的熱力學金屬氧化物的離解壓還原劑氧化物的離解壓。（2）金屬氧化物還原的動力學 粉末制備多數是多相反應而非均相反應。均相反應：在單相（固相、液相、氣相）中進行的化學反應，即在反應過程中與其他物相沒有

9、物質交換。多相反應：在反應體系的反應物之間有界面存在的化學反應。 多相反應的特點：反應物之間有界面存在，反應速度受諸多因素影響。多相反應速度的控制環(huán)節(jié)，取決速度最慢的環(huán)節(jié)，可以是擴散、化學反應或其他中間環(huán)節(jié)。 2.2 制粉方法（1）碳還原法（2）氣體還原法（3）金屬熱還原法（4）還原-化合法3 電化學法 3.1 原理電化學體系（陰、陽極和電解液）。電化學反應（陰極和陽極反應）。 3.2 過程 3.3 影響因素電流密度金屬離子濃度氫離子濃度電解液溫度4 其他方法 4.1 固相合成法 （1）熱分解法通過在母鹽中產生核以及核長大過程而生成產物。應注意反應溫度與母鹽的選擇。 通常在較低溫度時，隨溫度升

10、高，成核速率增大，但隨溫度繼續(xù)升高，核的生長速率增大，而成核速率卻減小。因此，為了獲得粒徑細小的粉體，必須在最大成核速度的溫度下進行熱分解。不同鹽類由于陰離子（或陰離子團）的種類不同，其分解溫度也不同。如果鹽的熱分解溫度低，則分解后的產物粒徑相對較小，能量大，活性高。 （2）化合反應法 由于反應是在多種成分固體之間進行，因此應保證各反應物的均勻混合；固相反應一般發(fā)生在固體顆粒的接觸面上，并通過固體內的離子擴散使反應繼續(xù)進行，因此反應物的粒徑應細??；必須控制好反應的溫度和時間。 （3）氧化還原法非氧化物陶瓷粉體多采用氧化還原法制備如SiC粉體的制備4.2 液相合成法 （1）沉淀法的原理在難溶鹽的

11、溶液中，當濃度大于它在該溫度下的溶解度時，就出現沉淀。 溶質分子或離子互相碰撞聚結成晶核，然后溶質分子擴散到晶核表面使其長大成為晶粒。 （2）沉淀法的類型A. 直接沉淀法在鹽溶液中直接滴加沉淀劑，利用沉淀反應得到沉淀物，經過濾、洗滌、干燥、煅燒獲得所需粉體。 鹽溶液滴加沉淀劑攪拌沉淀物洗滌干燥煅燒粉體。常使用銨鹽法或草酸鹽法。AlCl3+3NH4OHAl(OH)3+3NH4Cl2Al(OH)3Al2O3+3H2OB. 共沉淀法兩種或兩種以上金屬鹽溶液的混合沉淀過程。混合金屬鹽溶液加入沉淀劑組成均勻的混合沉淀洗滌干燥煅燒復合氧化物。很容易發(fā)生分步沉淀，導致合成的粉體組成不均勻。C. 均勻沉淀法沉

12、淀劑不是從外部加入，而是在溶液內部緩慢均勻生成的，消除了直接沉淀法的不均勻性。 沉淀劑多為尿素，加熱到90時：(NH2)2CO+H2O2NH3+CO2（3）影響因素濃度、溫度、pH值、沉淀劑加入方式、反應時間等。第五節(jié) 粉末顆粒大小的表征與測量 1 顆粒大小的表征1.1 單顆粒的粒徑不規(guī)則形狀的顆粒，其尺寸的表示方法：三軸徑、當量徑、定向徑。（1）三軸徑將顆粒放置于每邊與其相切的外接長方體中，長方體的三條邊為顆粒的三軸徑。（2）當量徑顆粒與球或投影圓有某種等量關系的球或投影圓的直徑。 （3）定向徑沿一定方向的顆粒的一維尺度。 1.2 粉體的粒徑（1）平均粒徑 假設顆粒為立方體，利用顆粒群的總長(nd)、總表面積(6nd2)、總體積(nd3)、總質量(nd3)、比表面積(6nd2)/(nd3)等物理量可推導出顆粒群的平均粒徑表達式。 （2）粒度分布頻率分布與累積分布中位粒徑：粉體的質量（或個數）累積分布百分數達到50%時所對應的粒徑。 2 粒度測定2.1 篩分法目：篩網上1英寸（25.4mm）長度內的網孔數。不同目數篩孔的制定規(guī)則：乘或除2n/2或2n/4。 2.2 激光衍射法原理：光照到顆粒時產生衍射現象。小顆粒衍