材料制备原理与工艺：粉体特性.ppt

陶瓷的制备过程 粉体——成型——烧结 薄膜 CVD,PVD,磁控溅射，溶胶-凝胶 纤维增强陶瓷基复合材料 CVI、PIP 关键问题 低温烧结问题 高温结构陶瓷的致密化难题 近净尺寸成型 解决陶瓷难以后加工的问题 特种陶瓷粉体特性 高纯度、高活性 相组成（α、β氮化硅） 颗粒尺寸、粒径分布、颗粒形态、比表面积 一、 粉体的基本物理特性 粉体（powder）：大量固体颗粒的集合体 具有原固体（bulk）的特性，如物质结构、密度等； 粉体自身的特性：流动性、变形、高活性等 粉体颗粒（particle）：物质本质结构不发生变化，分散的固体最小单元。一次颗粒 团聚体（Agglomerate）：在范德华力、毛细管力等作用下团聚在一起的颗粒，粉体颗粒通常的存在形式。二次颗粒 粉体的团聚 软团聚与硬团聚 软团聚：颗粒通过范德华力团聚在一起；可以通过机械的方法再次分散 硬团聚：通过较强的化学键团聚；难以用机械的方法再次分散 人为团聚：造粒 粉体粒度及分布 从烧结的角度，粒度越小越好。但是，超细粉易团聚，成型性能不好。 从成型的角度，不同的成型方法，对粒度的要求不同。 较宽的粒度分布或双峰分布有利于成型堆积密度的提高，但是，对烧结过程不利，异常晶粒长大，微结构及性能变差 颗粒粒度、粒径 粒度：颗粒大小用其所占空间范围的线性尺寸的记述 粒径：球形（或当量球形）颗粒的直径 等表面积相当径 等体积相当径 等比表面相当径 沉降速度相当径（斯托克斯径） 筛分径 粒径分布 单分散粉体：由单一粒径或近似单一粒径颗粒构成的粉体 多分散粉体：由不同粒径的颗粒构成的粉体 粒径分布：各颗粒尺寸的颗粒量的多少 频率分布 累积分布 特征粒径 最可几径Dm（mode diameter）：频度最高处的粒径值 中位径D50（Medium diameter）：累积分布50%处的粒径 平均粒径（mean diameter） 标准差： 分布宽度： 粉体粒度测试方法 沉降法 激光散射法 比表面积法 X射线衍射线宽法（500nm） 小角X射线散射法（ 100nm ） 电镜观察统计 筛分 沉降法 球形颗粒在层流状态的液体中的沉降速度v与颗粒直径d有关，Stoke’s方程： 增值法：测量初始均匀的悬浊液在固定已知高度处的颗粒浓度随时间的变化；或测量一定时间浓度在高度上的分布； 累计法：测量颗粒从悬浊液中沉淀出来的速度。 自然沉降一般只能测大于0.1μm，采用离心加速可以更小的颗粒 激光散射法 单波长激光照射在悬浊液中的颗粒上产生散射，散射角与颗粒直径有关，散射光强与该尺寸颗粒的浓度有关。 最常用的粒度分布测试方法 比表面积(specific surface area) 比表面积：单位质量（或体积）材料具有的总表面积。m2/g（m2/m3） 比表面积与粒径成反比 若颗粒表面不光滑，表面会急剧增大。 比表面大，活性高 若颗粒为球形： 比表面积测试方法 BET测试法：是依据著名的多分子层吸附BET（三位科学家：Brunauer、Emmett和Teller）理论为基础而得名。 Va：压力p时的吸附量；Vm：单分子层的吸附量；Ps：饱和气压；C：与吸附能有关的常数。 Vm可以由0.05P/Ps0.35区间的吸附等温线获得，再由吸附分子的单分子堆积常数求出表面积。 BET测试方法 称量适当量的待测试样，放入试样管中 加热真空脱气后，通入吸附气体氮气，试样管置于液氮瓶中，测试吸附曲线； 然后去掉液氮，测试脱附曲线； 注入已知量的氮气，获得定标曲线； 一般采用脱附曲线计算单分子层吸附量Vm NA：阿伏伽德罗常数；Am：一个吸附分子所占面积（16.2*10-20m2for N2)；Vmol：气体摩尔体积；Ms试样质量 多孔粉体 粉体存在开口和闭孔气孔 粉体的密度有三种 体积密度(Bulk density)Db：粉体的体积包括开口和闭孔体积 表观密度(Apparent density) Da：只包括闭孔体积 真（极限）密度(Ultimate density) Du：只是固体部分的体积 粉体表观密度的测试方法：比重瓶法 如果粉体足够细，不含闭孔气孔，则Da=Du 孔隙率与孔径分布 压汞法(mercury intrusion porosimetry) R:孔半径；P：压力；γLV：气液表面能；θ：固液接触角 测量汞液面随压力下降量，可测的各孔径的气孔量的分布 BET氮吸附法 曲率对液体平衡蒸汽压的影响（Kelvin equation） 根据BET吸附理论，当相对压力P/Ps0.35时，产生多层吸附及气体凝聚，吸附和脱附过程的吸附体积对相对压力形成滞后回线（hysteresis） 可测nm~几百nm孔径 粉体的胶体学特性 粒子的表面电荷 粒子在电解质溶液中双电层的形成与动电特性 胶体的分散与稳定（DLVO