《材料工程基礎(chǔ)》課件-第二章 粉末材料制備

第二章粉末材料制備

第一節(jié)概述

材料與文明石器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代電子材料時(shí)代中國中東歐美公元前公元一、發(fā)展歷史陶瓷材料發(fā)展的三個(gè)臺(tái)階高鋁質(zhì)粘土和瓷土的應(yīng)用陶瓷瓷器(傳統(tǒng)陶瓷)釉的發(fā)明高溫技術(shù)的的發(fā)展納米陶瓷陶瓷理論的發(fā)展相鄰學(xué)科的推動(dòng)無損評(píng)估的成就原料純化陶瓷工藝的發(fā)展先進(jìn)陶瓷（微米級(jí)）性能研究的深入顯微結(jié)構(gòu)的進(jìn)步進(jìn)入20世紀(jì)20世紀(jì)90年代陶Pottery瓷Ceramic稀世珍寶：河南汝瓷陶?!

瓷?!性能及特征類別吸水率（％）透光性胎體特征敲擊聲陶器一般>3不透光未玻璃化或玻璃化程度不高，結(jié)構(gòu)不致密，斷面粗糙深沉瓷器一般<=3透光玻璃化程度高，結(jié)構(gòu)致密、細(xì)膩，斷面呈石狀或貝殼狀清脆表1我國日用陶瓷分類標(biāo)準(zhǔn)(1)(GB5001—85)表2我國日用陶瓷分類標(biāo)準(zhǔn)(2)(GB5001—85)性能及特征類別吸水率（％）特征陶器粗陶器>15不施釉，制作粗糙普通陶瓷<=12斷面顆料較粗，氣孔較大，表面施釉，制作不夠精細(xì)細(xì)陶瓷<=15斷面顆料較細(xì)，氣孔較小，結(jié)構(gòu)均勻，施釉或不施，制作精細(xì)瓷器炻陶瓷<=3透光性差，通常胎體較厚，呈色，斷面呈石狀，制作較細(xì)普通陶瓷<=1有一定透光性，斷面呈石狀或貝殼狀，制作較精細(xì)細(xì)陶瓷<=0.5透光性較好，斷面細(xì)膩，呈貝殼狀，制作精細(xì)粉體工程

PowderEngineering

粉體工程是研究粉料特征、粉料制備技術(shù)以及它們之間相關(guān)關(guān)系的學(xué)科。粉料的特征在很大程度上決定或影響了后續(xù)陶瓷制備技術(shù)以及所獲得的陶瓷材料的性能。粉體工程涉及的領(lǐng)域：礦業(yè)資源：無機(jī)礦物資源陶瓷材料：氧化鋁、氧化鋯陶瓷化學(xué)工業(yè)：催化劑冶金工業(yè)：粉末冶金材料、耐火材料電子材料：集成電路基板軍事領(lǐng)域：固體推進(jìn)劑機(jī)械工業(yè)：磨料、潤滑劑礦物晶體氧化鋁陶瓷高導(dǎo)熱性BeO陶瓷鐵基粉末冶金制品雙面孔Al2O3基板高溫電路基板東風(fēng)21洲際導(dǎo)彈－兩級(jí)固體推進(jìn)航天飛機(jī)陶瓷粉料的制備方法物理方法粉碎法構(gòu)筑法

干式粉碎

濕式粉碎氣體蒸發(fā)法活化氫-熔融金屬反應(yīng)法濺射法真空沉積法加熱蒸發(fā)法混合等離子體法

共沉積法

化學(xué)沉積法噴霧干燥法噴霧水解法噴霧焙燒法

沉淀法

水解法

噴霧法氧化還原法凍結(jié)干燥法激光合成法火花放電法制備方法化學(xué)方法粉體工程發(fā)展趨勢(shì)：向生命科學(xué)、環(huán)境保護(hù)、信息工程領(lǐng)域延伸粉體的微細(xì)化與功能化粉體的深加工與裝備現(xiàn)代化腫瘤靶向識(shí)別噴射氣流粉碎設(shè)備我國粉體工業(yè)的特點(diǎn)與差距：豐富的原材料與市場較大規(guī)模的產(chǎn)量品種單一、性質(zhì)不穩(wěn)定，特別是不能滿足高端市場的要求

對(duì)先進(jìn)陶瓷用超細(xì)粉的基本要求隨材料體系、制備工藝及材料用途的不同，對(duì)粉料的要求不完全相同。但其共性可歸納如下：

(1)超細(xì)

由于表面活性大及燒結(jié)時(shí)擴(kuò)散路徑短，用超細(xì)粉可在較低的溫度下燒結(jié)將會(huì)獲得高密度、高性能的陶瓷材料。目前先進(jìn)陶瓷所采用的超細(xì)粉多為亞微米級(jí)(<1μm)。但實(shí)踐表明，當(dāng)陶瓷材料的晶粒由微米級(jí)減小到納米級(jí)時(shí)，其性能將大幅度提高。

對(duì)先進(jìn)陶瓷用超細(xì)粉的基本要求(2)高純

粉料的化學(xué)組成及雜質(zhì)對(duì)由其制得的材料的性能影響很大。如非氧化物陶瓷粉料的含氧量將嚴(yán)重地影響材料的高溫力學(xué)性能，氯離子的存在將影響粉料的可燒結(jié)性及材料的高溫性能，功能陶瓷中某些微量雜質(zhì)將大大改善或惡化其性能。為此要求先進(jìn)陶瓷用粉料的有害雜質(zhì)含量在幾十個(gè)ppm以下，甚至更低。

(3)粉料的形態(tài)形貌

要求粉料粒子盡可能為等軸狀或球形，且粒徑分布范圍窄，采用這種粉料成型時(shí)可獲得均勻緊密的顆粒排列，并避免燒結(jié)時(shí)由于粒徑相差很大而造成的晶粒異常長大及其它缺陷。(4)無嚴(yán)重的團(tuán)聚

由于比表面積的增加，一次粒子的團(tuán)聚成為超細(xì)粉料的嚴(yán)重問題。為此，粉料制備時(shí)必須采取一定的措施減少一次粒子的團(tuán)聚或減小其團(tuán)聚強(qiáng)度，以獲得密度均勻的粉料成型體及克服燒結(jié)時(shí)團(tuán)聚顆粒先于其它顆粒致密化的現(xiàn)象。

(5)粉料的結(jié)晶形態(tài)

對(duì)于存在多種結(jié)晶形態(tài)的粉料由于燒結(jié)時(shí)致密化行為不同，或其它原因，往往要求粉料為某種特定的結(jié)晶形態(tài)。如對(duì)Si3N4粉料就要求α相含量越高越好。

Poresin–325-meshtabularaluminaparticles粉體：（Powder）粉末，粉末體還原鐵粉超細(xì)鐵粉球形銅粉陶瓷粉體二、粉未的基本特性粉末的制備

機(jī)械制粉物理制粉化學(xué)制粉

機(jī)械研磨氣流研磨

霧化法蒸發(fā)凝聚法

化學(xué)氣相沉積法化學(xué)還原法電化學(xué)制粉法第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)

機(jī)械研磨氣流研磨第二節(jié)機(jī)械制粉法機(jī)械制粉方法的實(shí)質(zhì)就是利用動(dòng)能來破壞材料的內(nèi)結(jié)合力，使材料分裂產(chǎn)生新的界面。一、機(jī)械研磨法

能夠提供動(dòng)能的方法可以設(shè)計(jì)出許多種，例如有錘搗、研磨、輥軋等等，其中除研磨外，其他幾種粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制備的。光輥、齒輥齒輥：齒數(shù)、齒型、斜度和排列要求：牙角，鋒角，鈍角關(guān)系輥磨機(jī)輥磨機(jī)盤式粉碎構(gòu)造原理：擠壓和剪切工作區(qū)域：喂入?yún)^(qū)接收區(qū)引入?yún)^(qū)研磨區(qū)粉碎作用力的作用形式球磨制粉包括四個(gè)基本要素： 球磨筒 磨球 研磨物料 研磨介質(zhì)球磨制粉球磨機(jī)主要部分：一個(gè)或幾個(gè)不銹鋼或瓷制成的圓形球罐。球罐的軸固定在軸承上。罐內(nèi)裝有物料及鋼制或瓷制的圓球。當(dāng)罐轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，物料借圓球落下時(shí)的撞擊劈裂作用及球與罐壁間、球與球之間的研磨作用而被粉碎。

影響粉碎效率的因素：（1）適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速以獲得良好的粉碎效能：罐的轉(zhuǎn)速過?。褐饕l(fā)生研磨作用。球罐的轉(zhuǎn)速適中：球的上升角隨之增大。粉碎效果好。球磨機(jī)的轉(zhuǎn)速一般采用臨界轉(zhuǎn)速的75％。球罐的轉(zhuǎn)速過大：則離心力可能超過球的重力，球緊貼于罐壁，不能粉碎物料與球磨機(jī)類似鋼棒代替球形研磨介質(zhì)棒磨機(jī)1.動(dòng)能準(zhǔn)則： 提高磨球的動(dòng)能2.碰撞幾率準(zhǔn)則： 提高磨球的有效碰撞幾率球磨制粉的基本原則滾筒式行星式振動(dòng)式攪動(dòng)式球磨制粉的基本方式滾筒式球磨D是磨筒的直徑滾筒球磨的轉(zhuǎn)速應(yīng)有一個(gè)限定條件V臨1<V實(shí)際

<V臨2限定條件實(shí)際上與這一動(dòng)能準(zhǔn)則相悖，因此滾筒球磨的球磨效率是很有限的。為了克服這個(gè)不足，人們又進(jìn)一步開發(fā)了新的球磨方法。振動(dòng)球磨行星球磨攪動(dòng)球磨結(jié)構(gòu)及粉碎原理間歇式、循環(huán)式和連續(xù)式攪拌磨二、氣流研磨法

通過氣體傳輸粉料的一種研磨方法。與機(jī)械研磨法不同的是，氣流研磨不需要磨球及其它輔助研磨介質(zhì)。研磨腔內(nèi)是粉末與氣體的兩相混合物。根據(jù)粉料的化學(xué)性質(zhì)，可采用不同的氣源，如陶瓷粉多采用空氣，而金屬粉末則需要用惰性氣體或還原性氣體。由于不使用研磨球及研磨介質(zhì)，所以氣流研磨粉的化學(xué)純度一般比機(jī)械研磨法的要高。1.動(dòng)能準(zhǔn)則： 提高粉末顆粒的動(dòng)能2.碰撞幾率準(zhǔn)則： 提高粉末顆粒的碰撞幾率氣流研磨制粉的基本原則由于粉末顆粒的運(yùn)動(dòng)是從流態(tài)氣體中獲得的，因此，提高顆粒的動(dòng)能必須要提高載流氣體的速度。兩種辦法來實(shí)現(xiàn) 提高氣體的入口壓力 氣體噴嘴的氣體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)通過這兩種辦法使噴嘴出口端的氣體流速達(dá)超音速氣流研磨三種類型： 旋渦研磨 冷流沖擊 流態(tài)化床氣流磨1、旋渦研磨2、冷流沖擊3、流態(tài)化床氣流磨可獲得超細(xì)粉體，并且粉末粒度均勻；由于氣體絕熱膨脹造成溫度下降，所以可研磨低熔點(diǎn)物料；粉末不與研磨系統(tǒng)部件發(fā)生過度的磨損，因此粉末雜質(zhì)含量少；針對(duì)不同的性質(zhì)的粉末，可使用空氣、N2、Ar等惰性氣體。流態(tài)化床氣流磨的特點(diǎn)：

霧化法蒸發(fā)凝聚法第三節(jié)物理制粉法

霧化法是一種典型的物理制粉方法，是通過高壓霧化介質(zhì)，如氣體或水強(qiáng)烈沖擊液流，或通過離心力使之破碎、冷卻凝固來實(shí)現(xiàn)的。一、霧化制粉法

霧化機(jī)理霧化聚并凝固過程一：大的液珠當(dāng)受到外力沖擊的瞬間，破碎成數(shù)個(gè)小液滴，假設(shè)在破碎瞬間液體溫度不變，則液體的能量變化可近似為液體的表面能增加。過程二：液體顆粒破碎的同時(shí)，還可能發(fā)生顆粒間相互接觸，再次成為一個(gè)較大的液體顆粒，并且液體顆粒形狀向球形轉(zhuǎn)化，這個(gè)過程中，體系的總表面能降低，屬于自發(fā)過程。過程三：液體顆粒冷卻形成小的固體顆粒。1、能量交換準(zhǔn)則提高單位時(shí)間、單位質(zhì)量液體從系統(tǒng)中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。2、快速凝固準(zhǔn)則提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒的再次聚集。提高霧化制粉效率基本準(zhǔn)則

霧化制粉分類雙流霧化指被霧化的液體流和噴射的介質(zhì)流；單流霧化直接通過離心力、壓力差或機(jī)械沖擊力實(shí)現(xiàn)霧化1、雙流霧化法氣霧化、水霧化注：適合于金屬粉末制備

金屬液由上方孔流出時(shí)與沿一定角度高速射擊的氣體或水相遇，然后被擊碎成小液滴，隨著液滴與氣體或水流的混合流動(dòng)，液滴的熱量被霧化介質(zhì)迅速帶走，使液滴在很短的時(shí)間內(nèi)凝固成為粉末顆粒。霧化過程的四種情況動(dòng)能交換：霧化介質(zhì)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘僖旱蔚谋砻婺?；熱量交換：霧化介質(zhì)帶走大量的液固相變潛熱；流變特性變化：液態(tài)金屬的粘度及表面張力隨溫度的降低而不斷發(fā)生變化；化學(xué)反應(yīng)：高比表面積顆粒（液滴或粉粒）的化學(xué)活性很強(qiáng)，會(huì)發(fā)生一定程度的化學(xué)反應(yīng)。I負(fù)壓紊流區(qū)—高速氣流的抽吸作用，在噴嘴中心孔下方形成負(fù)壓紊流層；II顆粒形成區(qū)—在氣流沖擊下，金屬液流分裂為許多液滴；III有效霧化區(qū)—?dú)饬鲄R集點(diǎn)對(duì)原始液滴產(chǎn)生強(qiáng)烈破碎作用，進(jìn)一步細(xì)化；IV冷卻凝固區(qū)—細(xì)化的液滴的熱量迅速傳遞給霧化介質(zhì)，凝固為粉末顆粒。氣霧化的四個(gè)區(qū)域氣霧化制粉的影響因素（1）氣體動(dòng)能（2）噴嘴結(jié)構(gòu)（3）液流性質(zhì)（4）噴射方式2、離心霧化法

離心霧化法是借助離心力的作用將液態(tài)金屬破碎為小液滴，然后凝固為固態(tài)粉末顆粒的方法。1974年，首先由美國提出旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法，后來又發(fā)展了旋轉(zhuǎn)錠模、旋轉(zhuǎn)園盤等離心霧化方法。旋轉(zhuǎn)電極法旋轉(zhuǎn)錠模法（又稱旋轉(zhuǎn)坩堝法）：

旋轉(zhuǎn)盤法最早于1976的美國Pratt&Whitney飛機(jī)制造公司研制出，用來制備超合金粉末。這種方法獲得的粉末平均粒度同園盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，則平均粒度越小，細(xì)粉收得率越高。旋轉(zhuǎn)盤法：旋轉(zhuǎn)輪法旋轉(zhuǎn)杯法旋轉(zhuǎn)網(wǎng)法旋轉(zhuǎn)帶孔杯法是把熔融金屬液澆注到快速旋轉(zhuǎn)的鋼杯中，在鋼杯的杯壁上鉆有許多小孔，在離心力作用下，金屬液從小孔中擠出，在空氣中飛行冷卻，形成針狀粉末顆粒，其尺寸為長1000-5000μm，直徑1000μm。粉末顆粒由于尺寸相對(duì)較大，飛行速度低，因此冷卻速度較小，約為101℃/s。旋轉(zhuǎn)帶孔杯法僅應(yīng)用于低熔點(diǎn)金屬，如鋁、鉛、鋅等。旋轉(zhuǎn)杯法霧化制粉的一些特性1、霧化制粉主要用于金屬或合金，對(duì)于一些可熔的氧化物陶瓷材料，也可采用這種方法進(jìn)行加工。但由于氧化物陶瓷熔體的粘度、表面張力很大，所以一般不能獲得細(xì)微陶瓷粉體，但可獲得短纖維、小珠或空心球，例如，硅酸鋁纖維、氧化鋯磨球、氧化鋁空心球等。2、霧化制粉是一種快速凝固技術(shù)，能夠增加金屬元素的固溶度。3、極大地降低了成分偏析，粉末成分均勻，某些有害相，如高溫合金中的相，可能因激冷而受到抑制，甚至消除。4、冷速提高，枝晶間距減小，晶粒細(xì)化，材料的晶體結(jié)構(gòu)向非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，可獲得細(xì)晶、微晶、準(zhǔn)晶直至非晶粉末。二、物理蒸發(fā)冷凝法

是一種制備超微金屬粉末的重要方法。由于粉末的粒度很小，比表面積很大，因而化學(xué)活性很強(qiáng)。為防止金屬粉末氧化，在冷凝室內(nèi)一般都要通入惰性氣體。這樣在金屬蒸氣脫離熔體的很短時(shí)間內(nèi)，會(huì)被周圍氣體迅速冷卻，金屬原子很快聚集成超微顆粒。同其他金屬粉末制備方法相比，物理蒸發(fā)冷凝法生產(chǎn)效率是較低的，但這種方法可獲得最小粒徑達(dá)2nm的納米顆粒。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(yīng)加熱方式按能量輸入方式來劃分，物理蒸發(fā)冷凝法可分為以下幾種應(yīng)用實(shí)例及產(chǎn)品

早期制備的金屬超粒子微粒有鎂、鐵、鎢、錳、鉛、鋁、銀、金等多種納米金屬微粉。還可以制備各類合金、氧化物、碳化物等多種超微粒子。此方法的特點(diǎn)是所得產(chǎn)品純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)及設(shè)備要求高。金屬銀納米微粉金屬銅納米微粉金屬鋁納米微粉第四節(jié)化學(xué)制粉法

化學(xué)氣相沉積法化學(xué)還原法電化學(xué)制粉法

氣相沉積制粉是通過某種形式的能量輸入，使氣相物質(zhì)發(fā)生氣—固相變或氣相化學(xué)反應(yīng)，生成金屬或陶瓷粉體。

物理氣相沉積法化學(xué)氣相沉積法一、化學(xué)氣相沉積法1、化學(xué)氣相沉積的反應(yīng)類型分解反應(yīng)化合反應(yīng)2、化學(xué)氣相沉積制粉原理(1)化學(xué)反應(yīng)(2)均相形核(3)晶粒生長(4)團(tuán)聚制粉過程包括四個(gè)步驟：化合反應(yīng)由上式可知，化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的控制因素包括：1）反應(yīng)溫度、2）氣相反應(yīng)物濃度、3）氣相生成物濃度(1)化學(xué)反應(yīng)對(duì)一個(gè)確定的反應(yīng)，判斷其能否進(jìn)行的熱力學(xué)判據(jù)為：分解反應(yīng)

氣相反應(yīng)發(fā)生后的瞬間，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)形成了產(chǎn)物蒸氣，當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到一定程度時(shí)，產(chǎn)物蒸氣濃度達(dá)到過飽和狀態(tài)，這時(shí)產(chǎn)物晶核就會(huì)形成。由于體系中無晶種或晶核生成基底，因此反應(yīng)產(chǎn)物晶核的形成是個(gè)均勻形核過程。假設(shè)晶核為球形，半徑為r，則形成一個(gè)晶核，體系自由能的變化為：(2)均勻形核為固氣相的體積自由能差為晶核的表面能臨界形核半徑對(duì)應(yīng)大小的晶核則被稱為臨界晶核表面能體積自由能晶核的表面能晶核中原子或分子的體積玻爾茲曼常數(shù)產(chǎn)物的氣相分壓產(chǎn)物的飽和蒸氣壓，過飽和程度。P0P/P0結(jié)論：溫度越高，過飽和度越大，則臨界晶核尺寸越小，晶核形成能越低，對(duì)晶體生成越有利。

均相晶核形成之后，穩(wěn)定存在的晶核便開始晶粒生長過程。小晶粒通過對(duì)氣相產(chǎn)物分子的吸附或重構(gòu)，使自身不斷長大。理論和實(shí)踐都表明：晶粒生長過程主要受產(chǎn)物分子從反應(yīng)體系中向晶粒表面的擴(kuò)散遷移速率所控制。(3)晶粒生長

顆粒之間由于存在著較弱的吸附力作用，主要包括范德華力、靜電引力等，顆粒之間會(huì)發(fā)生聚集，顆粒越小，則聚集效果越明顯，這一現(xiàn)象被稱為團(tuán)聚。對(duì)于超微粉末，團(tuán)聚是一個(gè)普遍存在并不容忽視的問題，在實(shí)際使用超微粉末時(shí)，如果不能有效地解決團(tuán)聚問題，則粉末就可能失去其特有的性質(zhì)。(4)團(tuán)聚

一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉積條件沉積物沉積劑沉積溫度，℃

氣氛碳化物TiCBCSiCNbCWCTiCl4十CH4或C6H5CH3BCl3十CH4SiCl4十CH4NbCl5十CH4WCl6十C6H5CH3或CH41100~12001100~17001300~1500~10001000~1500H2H2H2H2H2硼化物TiB2ZrB2VB2TaBWBTiCl4十BBr3或BCl3ZrCl4十BBr3成BC3VCl4十BBr3或BCl3TaCl5十BBr3或BCl3WCl6十BBr3或BCl31100~13001700~2500900~13001300~1700800~1200H2H2H2H2H2硅化物MoSi2MoCl5十SiCl4或Mo十SiCl41100~1800H2氮化物TiNBNTaNTiCl4BCl3TaCl51100~12001200~1500~1200N2十H2N2十H2N2十H2

二、化學(xué)還原法一、還原制粉的基本原理依據(jù)熱力學(xué)原理確定反應(yīng)能否發(fā)生用金屬A(或其合金)作還原劑在高溫下將另一種金屬B的化合物還原以制取金屬B（或其合金）的方法。通常是按還原劑來命名。例如：用鋁作還原劑生產(chǎn)金屬鉻，稱為鋁熱法：

2Al＋Cr2O3→2Cr＋Al2O3

用硅鐵作還原劑冶煉釩鐵，稱為硅熱法：

3【Si】＋2(V2O3)→4【V】＋3(SiO2)方括號(hào)表示溶于合金中，圓括號(hào)表示溶于渣中二、典型還原制粉類型

氫還原法

碳還原法

還原化合法

三、電化學(xué)制粉法一、電化學(xué)制粉分類

水溶液電解有機(jī)電解質(zhì)電解熔鹽電解液體金屬陰極電解！二、電化學(xué)制粉原理電化學(xué)以銅電解制粉為例電化學(xué)體系陽極：Cu（純）陰極：Cu粉電解液：CuSO4、H2SO4、H2O陰極反應(yīng)：陽極反應(yīng)：三、電化學(xué)制粉的影響因素

電流密度金屬離子濃度氫離子濃度電解液溫度第五節(jié)粉末顆粒大小的表征與測量

顆粒粉體Fineparticle顆粒從個(gè)體顆粒出發(fā)，稱為顆粒學(xué)Powder粉體從集合粉體出發(fā)，稱為粉體工程學(xué)粉末的表征與測量

顆粒大小和形狀表征

粉體特性的表征

粉體的粒度與比表面測定一、顆粒大小和形狀表征

材料的機(jī)械、物理和化學(xué)性質(zhì)描述了組成材料的物質(zhì)組態(tài)的基本特性，當(dāng)物質(zhì)被“分割”成為粉體之后，上述三類性質(zhì)則不能全面描述材料的性質(zhì)，必須對(duì)粉體材料的組成單元——顆粒，進(jìn)行詳細(xì)描述。顆粒的大小和形狀是粉體材料最重要的物性特性表征量。直徑D直徑D、高度H？1、單顆粒粒徑人為規(guī)定了一些所謂尺寸的表征方法

三軸徑定向徑當(dāng)量徑高度h：顆粒最低勢(shì)能態(tài)時(shí)正視投影圖的高度寬度b：顆粒俯視投影圖的最小平行線夾距長度l：顆粒俯視投影圖中與寬度方向垂直的平行線夾距三軸徑

設(shè)圖中顆粒處于一水小平面上，其正視和俯視投影圖如圖所示。這樣在兩個(gè)投影圖中，就能定義一組描述顆粒大小的幾何量：高、寬、長，定義規(guī)則如下hbl三軸幾何平均徑：

與顆粒外接長方體體積相等的立方體的棱長

三軸平均徑計(jì)算公式三軸算術(shù)平均值：立體圖形的算術(shù)平均三軸調(diào)和平均徑：與顆粒外接長方體比表面積相等的球的直徑或立方體的一邊長沿一定方向的顆粒的一維尺度。定向徑包括三種定向徑粒徑名稱定義定方向徑（Feret徑）沿一定方向測得顆粒投影的兩平行線的距離。定方向等分徑（Martin徑）沿一定方向?qū)㈩w粒投影像面積等分的線段長度定向最大徑沿一定方向測定顆粒投影像所得最大寬度的線段長度S1S2定向最大徑Martin徑Feret徑對(duì)于一個(gè)顆粒，隨方向而異，定向徑可取其所有方向的平均值；對(duì)取向隨機(jī)的顆粒群，可沿一個(gè)方向測定。顆粒與球或投影圓有某種等量關(guān)系的球或投影圓的直徑當(dāng)量徑等效圓球體積直徑等體積球當(dāng)量徑與顆粒同體積球的直徑等表面積球當(dāng)量徑與顆粒等表面積球的直徑比表面積球當(dāng)量徑與顆粒具有相同的表面積對(duì)體積之比，即具有相同的體積比表面的球的直徑投影圓當(dāng)量徑Heywood徑與顆粒投影面積相等的圓的直徑等周長圓當(dāng)量徑與顆粒投影圓形周長相等的圓的直徑等效體積直徑等效表面積直徑等效重量直徑最短直徑最長直徑等效沉降速率直徑篩分直徑

以上各種粒徑是純粹的幾何表征量，描述了顆粒在三維空間中的線性尺度。在實(shí)際粉末顆粒測量中，還有依據(jù)物理測量原理，例如運(yùn)動(dòng)阻力，介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)速度等獲得的顆粒粒徑，這時(shí)的粒徑已經(jīng)失去了通常的幾何學(xué)大小的概念，而轉(zhuǎn)化為材料物理性能的描述。因此，除球體以外的任何形狀的顆粒并沒有一個(gè)絕對(duì)的粒徑值，描述它的大小必須要同時(shí)說明依據(jù)的規(guī)則和測量的方法。粉體平均粒徑計(jì)算公式2、粉體的平均粒徑算術(shù)平均徑長度平均徑面積平均徑

④體積平均徑⑤體面積平均徑⑥質(zhì)量平均徑

粒度分布依據(jù)的統(tǒng)計(jì)基準(zhǔn)：個(gè)數(shù)基準(zhǔn)分布(又稱頻度分布)以每一粒徑間隔內(nèi)的顆粒數(shù)占顆?？倲?shù)的比例。長度基準(zhǔn)分布以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？傞L度占全部顆粒的長度總和的比例。面積基準(zhǔn)分布以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？偙砻娣e占全部顆粒的總表面積的比例。重量基準(zhǔn)分布以每一粒徑間隔內(nèi)的顆?？傊亓空既款w粒的總重量的比例。

粒度分布例：顯微鏡觀察測量粉體的Feret徑（測量總數(shù)為1000個(gè)）頻度%粒度頻度%粒度正態(tài)分布：（–∞d+∞）——中位徑，統(tǒng)計(jì)學(xué)中的數(shù)學(xué)期望值——標(biāo)準(zhǔn)偏差

1．篩分析法（>40μm）振動(dòng)篩裝置各種篩子

二、粒度測定國際標(biāo)準(zhǔn)篩制：Tyler(泰勒)標(biāo)準(zhǔn)單位：目目數(shù)為篩網(wǎng)上1英（25.4mm）寸長度內(nèi)的網(wǎng)孔數(shù)

(a，d單位mm)25.4ad得到比200目粗的篩孔尺寸得到比200目細(xì)的篩孔尺寸主模系列:標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則:以200目的篩孔尺寸0.074mm為基準(zhǔn)，乘或除模（或），則得到副模系列：得到比200目粗的篩孔尺寸得到比200目細(xì)的篩孔尺寸標(biāo)準(zhǔn)篩系列：324248606580100115150170200270325400其中最細(xì)的是400目，孔徑是38μm。

在我國按篩分法，若粉末粒度為325目，則其大小為

微米、若云母粉的規(guī)格為-100+325目（100目為165μm）表示：

篩分的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)統(tǒng)計(jì)量大,代表性強(qiáng)便宜重量分布缺點(diǎn)下限38微米人為因素影響大重復(fù)性差非規(guī)則形狀粒子誤差速度慢2.顯微鏡

采用定向徑方法測量Microscopes光學(xué)顯微鏡掃描電子顯微鏡（場發(fā)射、W燈絲、LaB6燈絲)透射電子顯微鏡高分辨透射電子顯微鏡與光鏡相連的圖像分析儀JEOL3010JSM7500CIAS2000圖象分析儀

用透射電鏡可觀察納米粒子平均直徑或粒徑的分布．是一種顆粒度觀察測定的絕對(duì)方法，因而具有可靠性和直觀性．實(shí)驗(yàn)過程：首先將納米粉制成的懸浮液滴在帶有碳膜的電鏡用Cu網(wǎng)上，待懸浮液中的載液(例如乙醇)揮發(fā)后。放人電鏡樣品臺(tái)，盡量多拍攝有代表性的電鏡像，然后由這些照片來測量粒徑。透射電鏡觀察法

透射電鏡觀察法

電鏡照片儀器照片卟啉鐵核殼催化劑光學(xué)顯微鏡：0.5μm1000X透射電子顯微鏡：0.3-0.5納米數(shù)十萬倍掃描電子顯微鏡：1納米10-20萬倍顯微鏡測定粒度要求統(tǒng)計(jì)顆粒的總數(shù)：粒度范圍寬的粉末———10000以上粒度范圍窄的粉末———1000左右顯微鏡方法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)可直接觀察粒子形狀可直接觀察粒子團(tuán)聚光學(xué)顯微鏡便宜缺點(diǎn)代表性差重復(fù)性差測量投影面積直徑速度慢3.光衍射法粒度測試測量原理

當(dāng)光入射到顆粒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生衍射，小顆粒衍射角大，而大顆粒衍射角小，某一衍射角的光強(qiáng)度與相應(yīng)粒度的顆粒多少有關(guān)。測量原理示意圖英國馬爾文Mastersizer2000粒度分析儀器測試范圍：0.1μm－340μm

國產(chǎn)BT-9300H型激光粒度儀測量范圍：0.02μm－2000μm

激光衍射

0.05—500μmX光小角衍射

0.002—0.1μm測量方法

目前的激光法粒度儀基本上都同時(shí)應(yīng)用了夫瑯霍夫(Fraunhofer)衍射理論和米氏(Mie)衍射理論，前者適用于顆粒直徑遠(yuǎn)大于入射波長的情況，即用于幾個(gè)微米至幾百微米的測量；后者用于幾個(gè)微米以下的測量。激光衍射激光衍射法原理圖激光器激光束透鏡樣品池透鏡衍射光束未衍射光束光傳感器列陣中心傳感器粉末

粒度分布圖

曲線1：微分分布曲線曲線2：積分分布曲線D50：表示粒徑分布中占50%所對(duì)應(yīng)的粒徑，又稱中位徑D90：表示粒徑分布中占90%所對(duì)應(yīng)的粒徑Dav：表示粒徑分布的平均粒徑S/V：比表面積，系統(tǒng)可以選擇體積比表面或重量比表面標(biāo)稱值：每種標(biāo)準(zhǔn)樣都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的經(jīng)過認(rèn)可的粒徑平均值：多次測量結(jié)果求平均后的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)偏差激光粒度分析法是目前最為主要的納米材料體系粒度分析方法。當(dāng)一束波長為λ的激光照射在一定粒度的球形小顆粒上時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射和散射兩種現(xiàn)象，通常當(dāng)顆粒粒徑大于10λ時(shí)，以衍射現(xiàn)象為主；當(dāng)粒徑小于10λ時(shí)，則以散射現(xiàn)象為主。一般，激光衍射式粒度儀僅對(duì)粒度在5

?m以上的樣品分析較準(zhǔn)確；而動(dòng)態(tài)光散射粒度儀則對(duì)粒度在5

?m以下的納米、亞微米顆粒樣品分析準(zhǔn)確。要求顆粒為球形、單分散，而實(shí)際上被測顆粒多為不規(guī)則形狀并呈多分散性。因此，顆粒的形狀、粒徑分布特性對(duì)最終粒度分析結(jié)果影響較大，而且顆粒形狀越不規(guī)則、粒徑分布越寬，分析結(jié)果的誤差就越大。激光粒度分析法具有樣品用量少、自動(dòng)化程度高、快速、重復(fù)性好并可在線分析等優(yōu)點(diǎn)。

缺點(diǎn)是這種粒度分析方法對(duì)樣品的濃度有較大限制，不能分析高濃度體系的粒度及粒度分布;分析過程中需要稀釋，從而帶來一定的誤差；在利用激光粒度儀對(duì)體系進(jìn)行粒度分析時(shí)，必須對(duì)被分析體系的粒度范圍事先有所了解，否則分析結(jié)果將不會(huì)準(zhǔn)確。4.電傳感法粒度測試測量原理

當(dāng)一個(gè)小顆粒通過小孔時(shí)，所產(chǎn)生的電感應(yīng)，即電壓脈沖與顆粒的體積成正比。無顆粒時(shí)單元的電阻有顆