第三章粉体表征和制备技术31.ppt

第三章第三章  陶瓷粉体的表征与陶瓷粉体的表征与制备制备   超细颗粒超细颗粒：尺寸介于原子、分子与块状固体之间，尺寸介于原子、分子与块状固体之间，      通常泛指尺度为通常泛指尺度为 1 – 1000 nm之间的微小固体颗粒，之间的微小固体颗粒， 是微观粒子与宏观物体之间的过渡区是微观粒子与宏观物体之间的过渡区★★超细陶瓷粉体是获得高技术先进陶瓷的基础超细陶瓷粉体是获得高技术先进陶瓷的基础     由超细陶瓷粉体可以制备各种形态的新陶瓷材料由超细陶瓷粉体可以制备各种形态的新陶瓷材料（块，板，带，（块，板，带， 膜，条，膜，条， 纤维）纤维）★★ 陶瓷粉体本身是材料的一种应用形态陶瓷粉体本身是材料的一种应用形态     人们可以直接利用它们的功能性质：人们可以直接利用它们的功能性质：     - 力学性能：力学性能： 磨料，研磨膏，润滑剂，增强填料磨料，研磨膏，润滑剂，增强填料     - 热学性能：保温涂层，热交换膜层热学性能：保温涂层，热交换膜层     - 电学性能：导电涂层，绝缘涂层，电学性能：导电涂层，绝缘涂层，     - 光学性能：发光粉，荧光粉光学性能：发光粉，荧光粉。

     - 磁学性能：磁学性能： 磁粉磁粉     - 催化性能：催化剂，环保涂料催化性能：催化剂，环保涂料     - 能量转换功能：发光粉（电致发光），热电材料，气敏材料能量转换功能：发光粉（电致发光），热电材料，气敏材料 ★★ 粉体浆料－粉体浆料－ 利用粉体与各种有机辅助剂（黏合剂、表面活性剂，增绸剂等）复合形成的高利用粉体与各种有机辅助剂（黏合剂、表面活性剂，增绸剂等）复合形成的高                                        分散体系，作为材料应用（如磁流体）和陶瓷涂层的前驱体分散体系，作为材料应用（如磁流体）和陶瓷涂层的前驱体 ★★ 粉粉体体超超细细化化后后性性能能上上出出现现与与大大块块固固体体完完全全不不同同的的行行为为，， 成成为为“物物质质新新状状态态”，，行行将将发发展展多多种种高高新新技术应用，构成了一个极为活跃的新研究领域技术应用，构成了一个极为活跃的新研究领域3.1  简介简介★先先进进无无机机材材料料是是现现代代科科技技和和社社会会经经济济持持续续发发展展的的重重要要支支柱柱, 特特别别是是新新型型无无机机功功能能材材料料是是高高新新技技术术的的物物质质基基础础，，而而超超细细陶陶瓷瓷粉粉体体是是获得高技术无机新材料的前题和条件。

获得高技术无机新材料的前题和条件 ★★无无机机非非金金属属(陶陶瓷瓷)材材料料超超细细粉粉体体的的制制备备原原理理、、技技术术与与工工艺艺、、设设备备和操作，以及粉体结构和性能与制备工艺的关系和操作，以及粉体结构和性能与制备工艺的关系★★侧重介绍各种超细粉体侧重介绍各种超细粉体, 特别是纳米粉体的化学制备方法、原理、特别是纳米粉体的化学制备方法、原理、技术与工艺过程基础技术与工艺过程基础, 以及粉体的物相、晶体结构、微结构、粒以及粉体的物相、晶体结构、微结构、粒径尺寸与形貌、装填性能、烧结特性、化学性能和各种功能性质径尺寸与形貌、装填性能、烧结特性、化学性能和各种功能性质的表征方法等的表征方法等●粉粉体体定定义义: 固固体体粒粒子子的的集集合合体体与与均均一一的的气气体体或或液液体体相相比比较较，，粉体中没有任何两个组分粒子完全一样粉体中没有任何两个组分粒子完全一样 超细粉体超细粉体：：尺寸介于原子、分子与块状固体之间，尺寸介于原子、分子与块状固体之间，      通常泛指尺度为通常泛指尺度为 1 – 1000 nm之间的微小固体颗粒，之间的微小固体颗粒， 是微观粒子与是微观粒子与宏观物体之间的过渡区。

宏观物体之间的过渡区●超细粉体构成特征超细粉体构成特征：：1) 一次粒子一次粒子: 普通电镜下放大倍数再增加，也只能看到具有普通电镜下放大倍数再增加，也只能看到具有明显轮廓的单个粒子由明显轮廓的单个粒子由XRD 衍射峰变宽效应可以计算衍射峰变宽效应可以计算纳米尺寸粒径纳米尺寸粒径            一次粒子可能是：单晶一次粒子可能是：单晶, , 如如  - -AlAl2 2O O3 3 ，，或多晶或多晶, ,   - -FeOOHFeOOH( (取向一致取向一致) )或或 CaCOCaCO3 3( (取向不一致取向不一致) )2））二次或高次粒子二次或高次粒子：：           多个一次粒子（坚固的或松散的）聚集体（团聚体）多个一次粒子（坚固的或松散的）聚集体（团聚体）超细粉体按颗粒尺寸进行分类超细粉体按颗粒尺寸进行分类分类直径原子数目表面效应   特征微米> 1 μm  > 1011      -体效应亚微米1μm –      100 nm    108 有一定的体效应纳 米100-10 nm10-1 nm   105     103 显著表面原子占优势小尺寸效应表面效应 量子效应团簇分子< 1 nm   <102 团簇分子 ●纳米纳米粉体：粉体：1- 100 nm 的微小颗粒的集合体。

最突出地代表微的微小颗粒的集合体最突出地代表微细粉体的特性细粉体的特性超细粉体的结构特征超细粉体的结构特征：★ 比表面积大：考虑半径为考虑半径为r的球形粒子，其比表面积：的球形粒子，其比表面积： σσF F = S/V = 4ππr2/ （（4/3ππr3）） = 3/r ,    非球形颗粒非球形颗粒σσF F 将更大      直径直径2μμm的球状颗粒的的球状颗粒的σσF F ＝＝ 3/103/10-4-4 =3 x 10 =3 x 104 4(cm(cm-1-1), ), 1 cm 1 cm3 3的粉体总表面积的粉体总表面积 = = 30000 cm30000 cm2 2 = 3 m = 3 m2 2(1 cm(1 cm3 3 的表面积为的表面积为6 6 cmcm2 2) )      100 nm 粒径，粒径， 每每cm3 具有具有 3/(0.05 x 10 –4) = 60 m2 的表面积的表面积 ★ 表面原子数多表面原子数多：：设定，边长为设定，边长为d的立方型原子的立方型原子，，     总体积总体积V 的微粒中有的微粒中有 V/d3 个原子，在表面上的原子数为个原子，在表面上的原子数为 V/d2  表面原子分数表面原子分数 Σb = (S/d2)/ (V/d3) = dS/V    若为半径为若为半径为r的球状颗粒，的球状颗粒，    Σb =  d S/V = d. 4πr2/ 4πr3/3 = 3 d/r                            可见取决于可见取决于d/r之比的大小之比的大小                             其他形状的粒子此值更大其他形状的粒子此值更大  表表1 一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例粒径粒径 （（ nm）） 总原子数总原子数表面原子（表面原子（%）） 1000  ∞0100  600000610 30000   205 4000 402  250   801  30   99   ★ 表面能高，表面张力大：表面能高，表面张力大：Es = ΣA σσ★ 晶界和粒子的体积比大晶界和粒子的体积比大，，5nm时 V晶界/V粒子=1：1，       例如粒子、粒界相对电阻变化，使材料性能变化纳米陶瓷粉体的效应奇奇异异效效应应(固固体体物物理理知知识识））：：将将导导致致新新的的功功能能性性质质和和应应用用§小尺寸效应小尺寸效应：： §表面效应：表面效应：§量子尺寸效应：量子尺寸效应：§宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应：：纳米陶瓷粉体性能变化   §1）力学性能的变化§纳米材料的强度比常规材料有了很大提高。

§纳米材料的韧性和塑性比常规材料有了很大提高§纳米材料的硬度有反常变化纳米陶瓷粉体性能变化   §2）光学性能的变化§纳米材料的反光能力大大降低，能够全吸收太阳光，利用这一特性可以制成隐身材料§有些纳米粉体具有很好的透光性能纳米陶瓷粉体性能变化   §3）电、磁学性能的变化§4）其他性能的变化§3.2.1概述概述     粉体是颗粒与颗粒间的空隙所构成的分散体系粉体是颗粒与颗粒间的空隙所构成的分散体系      粉体的研究和表征应包括单颗粒、粉体和空隙的性质粉体的研究和表征应包括单颗粒、粉体和空隙的性质●单颗粒的性质单颗粒的性质（（1））由材料本身决定的性质由材料本身决定的性质：晶体结构，固体密度，熔点，弹性，：晶体结构，固体密度，熔点，弹性，           硬度，电学性质，磁学性质，光学性质，化学性质硬度，电学性质，磁学性质，光学性质，化学性质（（2））由粉体制备方法所决定的性质由粉体制备方法所决定的性质：粒度，颗粒形状，有效密度，：粒度，颗粒形状，有效密度，          表面状态，晶体结构与缺欠，颗粒内气孔，表面气体吸附，表面状态，晶体结构与缺欠，颗粒内气孔，表面气体吸附，          反应活性反应活性●粉体的性质粉体的性质：：除单颗粒性质外，除单颗粒性质外， 还包括：还包括：    平平均均粒粒度度，，粒粒度度分分布布，，比比表表面面，，松松装装密密度度，， 摇摇实实密密度度，，流流动动性性，，颗颗粒粒间的摩擦状态等间的摩擦状态等●粉粉体体空空隙隙的的性性质质：：总总孔孔隙隙体体积积P，，颗颗粒粒间间的的空空隙隙体体系系P1，， 颗颗粒粒内内空空隙体积（隙体积（P2 = P0 – P1），）， 空隙形状、空隙大小及其分布空隙形状、空隙大小及其分布3.2 微细无机粉体的表征微细无机粉体的表征  §3.2.2粉体的物相组成与化学组成粉体的物相组成与化学组成物相组成：以物相组成：以XRD检测检测      -  高纯粉体为单一物相高纯粉体为单一物相 - - 存在相变时，可能同时有两相存在相变时，可能同时有两相 - - 复合物粉体为多相复合物粉体为多相 - - 杂质物相和孔隙杂质物相和孔隙   化学组成：化学组成：各种化学成分分析技术各种化学成分分析技术（（1 1）构成粉体的各物相一次晶粒的化学组成）构成粉体的各物相一次晶粒的化学组成（（2 2）粉体合成和制备过程的机械杂质）粉体合成和制备过程的机械杂质（（3 3）粉体表面吸附的氧、水分和其他气体）粉体表面吸附的氧、水分和其他气体  §3.2.3粒子形状与形貌观测粒子形状与形貌观测（（1）） 颗粒形貌颗粒形貌——各种显微镜各种显微镜（（光学显微镜光学显微镜、、SEM，，TEM，，AFM））观测观测决定于粉体制备过程：方法和条件，决定于粉体制备过程：方法和条件，同时也决定于物质的分子或原子排布同时也决定于物质的分子或原子排布规规则则形形状状与与不不规规则则形形状状，如球形、多角形、片状、棒状、针状、树枝状、多孔海绵状。

直接影响粉体的流力性，装密度，气体透过性，压制直接影响粉体的流力性，装密度，气体透过性，压制性，烧结性性，烧结性 颗粒的显微图像(a)碳化硅微粉显微图像(b)理想的圆形颗粒陶瓷粉体制备工艺陶瓷粉体制备工艺特定工艺特定形貌和粒径有机物辅助固相反应法化学共沉淀法均匀沉淀法甘氨酸－硝酸盐法（（2））形状因子形状因子——当颗粒不规则时以形状因子表征当颗粒不规则时以形状因子表征★★延伸度延伸度:  定义为定义为 n=l/b，，     其中其中l为最长尺寸长度，为最长尺寸长度，b为颗粒最大数的宽度为颗粒最大数的宽度★ ★ 扁平度扁平度:  片状粉体片状粉体 m = b/t, b为宽度，为宽度，t为厚度★ ★ 齐格（齐格（Zigg））指数指数:  延伸度延伸度/扁平度扁平度=(l/t)/(b/t)=lt/b2      其值偏离其值偏离1愈大，则表示颗粒形状对称性愈小愈大，则表示颗粒形状对称性愈小★★ 球球形形度度:  与与颗颗粒粒相相同同体体积积的的球球体体表表面面积积对对实实际际表表面面积积之比，既表征了颗粒的对称性，也与表面粗糙度有关之比，既表征了颗粒的对称性，也与表面粗糙度有关★★ 圆圆形形度度:  与与颗颗粒粒具具有有相相等等投投影影的的圆圆的的周周长长对对颗颗粒粒投投影影像的实际周长之比称为圆形度。

像的实际周长之比称为圆形度★   粗糙度粗糙度::（皱度系数）（皱度系数）  球形度的倒数称粗糙度球形度的倒数称粗糙度——通过测量颗粒的比表面确定通过测量颗粒的比表面确定以上形状因子多为使用显微镜方法观测时提出的，以上形状因子多为使用显微镜方法观测时提出的，在测定颗粒粒径时（如用吸附法，沉淀法，透过法）在测定颗粒粒径时（如用吸附法，沉淀法，透过法）常用名义直径或当量直径常用名义直径或当量直径形状因子用于表示实际粉体颗粒偏离球形的程度形状因子用于表示实际粉体颗粒偏离球形的程度直径为直径为d的均匀球体，其表面积和体积分别为的均匀球体，其表面积和体积分别为S=ππd2，，V=πdπd3 3/6/6其中其中ππ和和π/6π/6分分别为表面形状因子和体积形状因子别为表面形状因子和体积形状因子一般地，一般地，V= m/nd比比，，m为质量，为质量，n为颗粒数，为颗粒数，d比比为比重瓶法测定的密度为比重瓶法测定的密度若平均颗粒投影是由投影面直径计算的体积平均径，若平均颗粒投影是由投影面直径计算的体积平均径，则则  V = Kd3平平 = m/nd比比 → → K = K = m/ndm/nd比比d d3 3平平 （（K K －－ 体积形状因子）体积形状因子）Boddow-Ehilich-Meloy把把颗颗粒粒形形状状定定义义为为“颗颗粒粒表表面面上上全全部部点点的的图图象象”。

则则用用（（R,θ））=A0+Ancos(nθ-αn)    A0 ——颗粒的名义直径颗粒的名义直径;        An ——富里哀系数富里哀系数;   αn ——相角相角;                 n ——级数的项数级数的项数;n级数越多，也就是点取得越多，描述越准确级数越多，也就是点取得越多，描述越准确  (3)颗粒密度颗粒密度粉体材料的理论密度通常不能代表颗粒的实际密度，粉体材料的理论密度通常不能代表颗粒的实际密度，因为粉体颗粒几乎总是有孔的，包括开孔或半开孔、闭孔因为粉体颗粒几乎总是有孔的，包括开孔或半开孔、闭孔★★真密度真密度——粉体的固体密度粉体的固体密度★★相对密度相对密度  （（4））显显微微硬硬度度—以以显显微微硬硬度度计计测测量量金金刚刚石石角角锥锥压头的压痕对角线长，经计算得到显微硬度压头的压痕对角线长，经计算得到显微硬度     粉粉末末试试样样与与有有机机树树脂脂粉粉混混匀匀，，在在100~200MPa下下制制成成压压坯坯，，加加热热至至1400C固固化化样样品品研研磨磨抛抛光光后，在后，在20—30g 负荷下测定显微硬度负荷下测定显微硬度显显微微硬硬度度值值决决定定于于晶晶格格强强度度和和缺缺陷陷、、杂杂质质，，因因而而与与制制备备方方法法与与过过程程密密切切相相关关，，也也代代表表了了粉粉体体塑塑性性。

  3.2.4 粉体的工艺性能粉体的工艺性能(1)松装密度与振实密度松装密度与振实密度由由粉粉体体压压制制成成型型操操作作中中，，常常采采用用容容量量装装粉粉法法要要保保证证压压坯坯的的密密度度和和质质量量恒恒定定重重现现性性，，则则要要求求每每次次装装填填的的粉粉末末应应有有不不变变的的质质量量因因而而用用松松装装密密度度或或振振实实密密度度来来描描述述这这种种“容积性质容积性质”松松装装密密度度——规规定定条条件件下下自自然然充充填填容容器器时时单单位位体体积积内内的的粉粉末密度（末密度（GB1478-84，，GB5060-85）振振实实密密度度——在在规规定定条条件件下下，，经经过过振振动动后后测测量量粉粉末末密密度度（（GB5162-85）） 松松装装密密度度取取决决于于颗颗粒粒间间的的黏黏附附力力相相对对滑滑动动的的阻力和粉体空隙阻力和粉体空隙被填充的程度被填充的程度 （（2）空隙度）空隙度—空隙体积与粉末样的表观体积之比             Ө=1-ρ/ρ理          ρ/ρ理为相对密度 ；          β= ρ理/ ρ 为相对体积；              Ө=1-1/β；一般的说，球形粉体的松状密度最高，空隙度最低，50%，片状粉体θ可达90%,  SiO2 气凝胶空隙度可达95%粒粒度度组组成成的的影影响响：粒度范围窄的粉体，松装密度低。

当不同的粒径粉体按一定比例混合时会得到较大的松装密度，原因是小粒子填充了大粒子的堆积空隙（（3）流动性）流动性—— 干压成型时，干压成型时，   50g粉粉末末从从标标准准流流速速漏漏斗斗中中流流出出所所需需的的时时间间，，s/50g 称称为为流流速速（（标标准准漏漏斗斗，，是是用用150目目金金刚刚砂砂粉末，在粉末，在40秒内测定秒内测定50g来标定和校准的）来标定和校准的）.另另外外，，还还可可采采用用粉粉末末的的自自然然堆堆积积角角（（又又称称安安息息角角））实验测定流动性实验测定流动性.安安息息角角：：让让粉粉末末自自然然下下流流并并堆堆积积在在直直径径1英英寸寸的的圆圆板板上上，，以以粉粉末末的的高高度度衡衡量量流流动动性性，，粉粉末末的的底底角角为安息角为安息角.（（4）压缩性和成型性）压缩性和成型性压缩性与烧结性是最为重要的性能压缩性与烧结性是最为重要的性能 3.2.5 粒度和粒度分布及其测定粒度和粒度分布及其测定（（1）粒度和粒度分布）粒度和粒度分布颗粒直径颗粒直径：粒径或粒度：粒径或粒度—以以mm、、μm、、nm表示粒粒径径分分布布：：组组成成粉粉体体的的不不同同粒粒径径的的颗颗粒粒占占全全部部粉粉体体的的百百分分含含量称为粒度分布或粉体组成。

量称为粒度分布或粉体组成粒径基准粒径基准用直径表示的颗粒大小称粒径（取决于测定方法）用直径表示的颗粒大小称粒径（取决于测定方法）  ◑ ◑ 几几何何学学粒粒径径dg——显显微微镜镜按按投投影影几几何何学学原原理理测测得得的的粒粒径径投投影称投影径，还与粉体颗粒的几何形状有关；影称投影径，还与粉体颗粒的几何形状有关；（（   ◑ ◑  当当量量粒粒径径de，，用用沉沉降降法法，，离离心心法法或或水水力力学学方方法法（（风风筛筛法法，，水水簸簸法法））测测定定的的粒粒度度其其中中斯斯托托克克斯斯径径与与被被测测粒粒末末具具有有相相同同沉沉淀淀速速度度且且服服从从斯斯托托克克斯斯定定律律的的同同质质球球形形粒粒子子的的直直径；径； ◑ ◑比表面粒径比表面粒径dsp,       利用利用吸附法吸附法，，透过法透过法和和润湿热法润湿热法测定粉末的比表面，再换算为测定粉末的比表面，再换算为       相同比表面的均匀球形颗粒的直径相同比表面的均匀球形颗粒的直径  ◑ ◑衍射粒径衍射粒径dsc  利用光或电磁波（如利用光或电磁波（如x光等）的衍射现象测得的粒径光等）的衍射现象测得的粒径                                      称为衍射粒径。

称为衍射粒径               例如用例如用X射线衍射峰变宽现象的射线衍射峰变宽现象的Sherer公式计算公式计算                     d = lkhl = kλ/ρcosθk:衍射因子衍射因子k=0.9λ: x射线波长（射线波长（λ=0.05418nm））β:为半峰宽为半峰宽                             θ:为衍射角为衍射角   化学法合成化学法合成YSZ晶粒尺寸晶粒尺寸灼烧温度灼烧温度（0C）晶晶粒粒尺尺寸寸     L/nm（XRD法）比比表表面面积积S(m2/g)计算粒径计算粒径D/nm5003.4163.26.176005.590.711.190012.226.737.8 a)等效体积球直径，等效体积球直径，b)等效面积球直径，等效面积球直径，    假定原颗粒是立方体，边长为假定原颗粒是立方体，边长为a，，体积为体积为a3，，      等效体积球直径等效体积球直径Xv=(6/ )1/3 a，，等效面积球直径等效面积球直径Xs= (6/  )1/2 a     显然，显然， Xv < Xsc) 具有相同投影面积的圆的直径具有相同投影面积的圆的直径 （采用透射电镜测（采用透射电镜测量时的粒径）量时的粒径）d) 具有同样沉降速度的等效沉降直径具有同样沉降速度的等效沉降直径 （沉降法时）（沉降法时）e) Feret （（费莱特）粒径：最大弦的长度费莱特）粒径：最大弦的长度f) Martin（（马丁）粒径：平分粒子面积的弦的长度马丁）粒径：平分粒子面积的弦的长度    (扫描电镜测量时多用扫描电镜测量时多用e、、 f )  （（2）粒度分布基准）粒度分布基准粒粒度度分分布布是是指指不不同同粒粒径径的的颗颗粒粒在在粉粉体体总总量量中中所所占占的的百百分分数数，，可可用用某某种种统统计计分分布布曲曲线线或或分分布布函函数数描描述述，，可以选择四种不同的基准可以选择四种不同的基准1））          颗粒个数基准分布（频度分布）颗粒个数基准分布（频度分布）2））          长度基准分布长度基准分布3））          面积基准分布面积基准分布4））          质量基准分布（质量分布）质量基准分布（质量分布）  四四种种基基准准之之间间存存在在一一定定的的换换算算关关系系，，但但实实际际应应用用中中频度分布和质量分布最为方便。

频度分布和质量分布最为方便    （（3）粒度分布函数）粒度分布函数粒度分布曲线若用数学式表达，成为分布函数粒度分布曲线若用数学式表达，成为分布函数Hatch-Choate由由正正态态几几率率分分布布函函数数导导出出的的粒粒径径的的颗颗粒粒粒粒度度几率公式几率公式       f(d)= n = n/σaexp[1-1/2(d-da/σa)]             da——算术平均粒径算术平均粒径             σa——标准偏差标准偏差  （（4）平均粒径）平均粒径    许多情况下，只需要知道粉体的平均粒径就行了许多情况下，只需要知道粉体的平均粒径就行了   一般是按一定统计规律计算的统计平均粒径一般是按一定统计规律计算的统计平均粒径，   可按上述四种基准中的任一种统计可按上述四种基准中的任一种统计 （（5 5））中位径中位径 ：：粒径小于它和大于它的粒子数目相等粒径小于它和大于它的粒子数目相等 的颗的颗粒粒径，可以看成是平均粒径的另一种表示形式粒粒径，可以看成是平均粒径的另一种表示形式6）边界粒径）边界粒径：边界粒径用来表示样品粒度分布的范围：边界粒径用来表示样品粒度分布的范围        用用χy(χ16, χ50,χ84) 表示，表示，        意指粒径小于意指粒径小于χ 的颗粒的颗粒 （（7））粒度分布的离散度粒度分布的离散度           离散度离散度 = 分布宽度分布宽度/ 平均粒度平均粒度 第第2章章 微细无机粉体的表征微细无机粉体的表征中位径和边界粒径的物理含义 表表1 粒度测定方法一览表粒度测定方法一览表                       粒径基准   方法名称 测量范围（μm） 粒度分布基准  几何学粒径   筛分析光学显微镜电子显微镜电阻（库尔特计数器） <     40500 – 0.2 10 – 0.01  500 – 0.5质量分布个数分布个数分布个数分布  当量粒径  重力沉降离心沉降比浊沉降扩散50 – 1.010 – 0.0550 – 0.050.5 – 0.001质量分布质量分布质量分布质量分布 比表面粒径气体吸附气体渗透润湿热20 – 0.00150 – 0.210 – 0.001比表面粒平均粒径  光衍射粒径光衍射(激光粒度仪）XRD10 – 0.0010.05- 0.0001体积分布体积分布    (A)筛分析法筛分析法——适合于适合于40μm以上的粗粉以上的粗粉 筛网标准筛网标准——目数：筛网目数：筛网1英寸长度上的网孔数英寸长度上的网孔数1英寸英寸=25.4mm=25.4×103μm泰勒标准筛制目数m筛孔尺寸（μm） 网络直径（μm）3249530042351254602461781001471071501406620074534003825  筛分法筛分法：   根据能通过筛子的根据能通过筛子的“目目”数，来判断粒子数，来判断粒子大小的方法。

大小的方法    目目= 孔数孔数/英寸长度英寸长度 ，，  不难计算得出，不难计算得出，2500目即目即孔为孔为5  m；；            625目即孔为目即孔为20  m；；400目即孔为目即孔为38  m；；          如果某粉体粒径范围记为：（如果某粉体粒径范围记为：（ -80目目  + 120目），目），           说明：说明： 80目目> 粉体粒径粉体粒径 > 120目目  筛分检测方法适用范围筛分检测方法适用范围:      5000 38  m        特点特点: 简单简单, 结果比较粗糙结果比较粗糙颗粒通过筛孔跟其落向筛面的取向的关系  （（B) 沉降法沉降法: (液体沉降和气体沉降法液体沉降和气体沉降法)   重力沉降法重力沉降法:     原理：粒子在较低密度的粘性液体中时原理：粒子在较低密度的粘性液体中时,会瞬间加会瞬间加速速, 然后以固定极限速度然后以固定极限速度V下落下落, 当粒子雷诺数当粒子雷诺数Re<2时（时（ Re= a· V·DL / L），），形成层流形成层流       颗粒下降时受力颗粒下降时受力: 重力重力,  浮力浮力, 阻力阻力下降阻力，下降阻力，  Fup=6 r Lv , ，，重力重力- 浮力浮力,   Fdown= 4 r3 (  – L)g /3式中式中   d: 粒子直径粒子直径;        :粒子密度粒子密度;      L:流体密度流体密度;              g: 重力加速度重力加速度 ;   L : 流体黏度流体黏度;    H: 粒子沉降高度粒子沉降高度                                                      m. dv/dt  =    4r3 ( –l)g /3 - 6rLv             v = 2r2 ( –l)g /9L = d2 ( –l)g /18L                              粒子沉降一个高度粒子沉降一个高度H所用的时间为所用的时间为t，，则则：：t = 18 L H / d2 ( –l) g = H/ v   d =[18 L / ( –l) g]1/2（H/t）1/2利用厘米、克、秒制， d =175[ L / ( –L) g]1/2（H/t）1/2 这是理想球形颗粒的斯托克斯沉降方程的基本形式。

 正方形  d = 141[L / ( –l) g]1/2（H/t）1/2 一般的， 用 常数C 称沉降系数（随粒度基准而变）特点：重力沉降法适合测量不大（<50 m ）不小（>1 m ）的粒子    例如，Al2O3 ，10m粒子下降1cm大约一分钟；                              1 m粒子下降1cm则需要2小时离心沉降法：离心沉降法： 知道沉降所需时间知道沉降所需时间t，，就可从下面公式求出粒径就可从下面公式求出粒径d：：           t = 18  L Ln(Rt/ R0)/ [d2 (  – l)  2]       ：：角速度；角速度；  R0和和Rt分别为粒子离心前后的径向位置；分别为粒子离心前后的径向位置； 特点：特点：与重力沉降法相比，离心沉降时间减小与重力沉降法相比，离心沉降时间减小           可测小粒径粒子，粒子尺寸下限一般为可测小粒径粒子，粒子尺寸下限一般为0.1  m两种沉降法都只能测相同密度的粒子；重复性好两种沉降法都只能测相同密度的粒子；重复性好沉降天平法沉降天平法：连续称量降落到称盘上粉体的量，可连续称量降落到称盘上粉体的量，可以计算出不同粒径的不同重量分布以计算出不同粒径的不同重量分布§光度沉降装置光度沉降装置§1光源光源§2聚光系统聚光系统§3沉降管沉降管§4透镜透镜§5光电管光电管§6光电指示计光电指示计（（C））激光散射法（激光散射法（用激光粒度测定仪）原理：原理：依据米氏（依据米氏（Mie)光散射理论光散射理论 光散射现象：光散射现象： 光行进中遇到颗粒（障碍物）时，光行进中遇到颗粒（障碍物）时， 将有部分偏离原来的传播方向：散射偏离的角度将有部分偏离原来的传播方向：散射偏离的角度（散射角）与颗粒大小有关，粒子大散射角小，粒（散射角）与颗粒大小有关，粒子大散射角小，粒子小散射角反而大。

子小散射角反而大 激光粒度仪原理结构(图)从激光器发出的激光束经显微镜聚焦，针孔滤波和准直镜准直后,变成直径约10 mm的平行光束该光束照射到待测的颗粒上，一部分光被散射，散射光经付里叶透镜后，照射到光电探测器阵列上，由于光电探测器处在付里叶透镜的焦平面上，因此探测器上的任一探测器上的任一点都对应于某一确定的散射角点都对应于某一确定的散射角，换句话说，即对应于某换句话说，即对应于某一尺寸大小的粒子一尺寸大小的粒子探测器将投射到其上面的散射光能线性的转换成电压，然后送给数据采集卡，卡将信号放大，再经A/D转换后送入计算机，即可列表或画图得到粉体的粒径的频率分布和积累分布      注意：探测器能接收的最大散射角小于14=时，仪器只能测量1 m 以上的颗粒通常光正入射（如上图）的情况下，由于散射光在测量窗口玻璃表面的掠射和全反射的影响，能被接收的前向散射光（空气中）的最大散射角约为65 = ，对应于0.2 m 的测量下限实际上，付里叶镜头要接收如此大的散射角是非常困难的     仪器制造商发展各种光学结构来扩展测量下限，如：球面接收技术等粉体粒径的分布（列表法与图示法）Rosin-Rammler 分布曲线示例§3.2.6粉体的比表面及其测定粉体的比表面及其测定    比比表表面面属属于于粉粉体体的的一一种种综综合合性性质质，，是是由由单单颗颗粒粒性性质和粉体性质质和粉体性质共同决定的。

共同决定的  粉粉体体的的比比表表面面是是粉粉末末的的平平均均粒粒度度、、颗颗粒粒形形状状和和颗颗粒密度的函数粒密度的函数,能给人以直观、明确的概念能给人以直观、明确的概念   比表面与粉体的许多物理、化学性质，比表面与粉体的许多物理、化学性质，            如吸附、溶解速度、烧结活性等直接相关如吸附、溶解速度、烧结活性等直接相关质质 量量 比比 表表 面面 积积 Sw：： 1g质质 量量 的的 粉粉 体体 所所 具具 有有 的的 总总 表表 面面 积积 ，，                                                            用用m2/g 或或 cm2/g表示表示体积比表面积体积比表面积Sv：：即颗粒总表面积即颗粒总表面积/颗粒总体积，颗粒总体积，                                单位是单位是m2/cm3 比表面是代表粉体粒度的一个单质参数，同平均粒度一样，所以用比表面法测定粉末的平均粒度称为单值法，以与分布法相区别1969年国际会议推荐的比表面积测定方法共有：气气体体容容量量吸吸附附法法、、气气体体质质量量吸吸附附法法、、气气体体或或液液体体透透过过法法、、液液体体或或液液相相吸吸附附法法、、润润湿湿热热法法及及尺尺寸寸效效应应法法等等。

通通常采用的是吸附法和透过法常采用的是吸附法和透过法尺寸效应法是根据粉体粒度组成和形状因子计算比表面的一种方法假如将粉体按粒径间隔δx和平均粒径x1、x2……分成若干级别， 各粒级颗粒数为δN1，δN2…则总表面积为fΣx2dN, 总质量为ρeKΣx3dN此处，f为表面形状因子；K是体积形状因子；ρe为颗粒有效密度，则计算的比表面积Scalc等于：   Scalcu = (f/ρeK) Σx2dNΣx2dN / Σx3dN即即 Scalcu = (f/ρeK) 104 / dvs        （（2－－11））式中式中 dvs 为体面积平均径为体面积平均径 (μm)按式2－11由均匀球形颗粒比表面积计算的统计粒径即为体表面平均径  如果采用透过法或氮气吸附法测定比表面积，再按式2－11计算平均粒径dvs ，则由于透过法和氮气吸附法测得的更接近全比表面（即包括内比表面），所以，两者均比Scalcu 大或者说，透过法平均粒径和吸附法平均粒径比计算平均粒径都要小，特别是吸附法平均粒径更小由由吸吸附附法法或或透透过过法法比比表表面面积积计计算算的的平平均均粒粒径径并并不不反反映映颗颗粒粒的的实实际际大大小小，，因因为为，，计计算算中中将将颗颗粒粒假假定定为为均均匀匀球球形形，，有有相相同同的的平平均直径。

由均直径由2－－11式和式和f / K=6可以直接得到下面两个计算式：可以直接得到下面两个计算式：透过比表面平均径透过比表面平均径   d透透 ＝＝ （（6/ρe））104 / S透透吸附比表面平均径吸附比表面平均径   d吸吸 ＝＝ （（6/ρe））104 / S吸吸 1气体吸附法:    利用气体在固体表面的物理吸附测定物质比表面积测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，再由气体分子横截面积计算1g物质的总表面积，即得质量比表面积  由Lamgmuir吸附等温式计算Lamgmuir吸附等温式         V = Vmbp / (1+bp) 可以写成如下形式：       p / V = 1 / p / V = 1 / V Vm mb b + p / + p / V Vm m     （（2－－12））式中，V――当压力为p时被吸附气体的容积；      Vm――全部表面被单分子层覆盖时的气体容积，称饱和吸附量；      b――常数由BET公式计算一般情况下，气体不是单分子层吸附，而是多分子层吸附不能采用Lamgmuir吸附等温式，应该用多分子层吸附BET公式：    或改写为BET二常数式：式中 p――吸附平衡时的气体压力；     p0――吸附气体的饱和蒸汽压；     V――被吸附气体的体积；     Vm――固体表面被单分子层气体覆盖所需气体的体积；     C――常数考虑到低温吸附是在气体液化温度下进行的，被吸附的气体分子类似于液体分子，以球形最密集方式排列，因此，以一个气体分子的横截面积Am去乘Vm NA / 22400W则得：粉体的质量比表面积S为：S = AmVm NA / 22400W                   （2－14）由直线的斜率和截距还可以求得时2－13中的常数C,      C =  (斜率 / 截距) +1其物理意义为： C = exp (E1 – EL / RT)式中 E1 为第一层分子的摩尔吸附热；     EL 为第一层分子的吸附热，等于气体的液化热气体吸附法测定比表面积的灵敏度和精确度最高，它分为静态法和动态法两大类。

静态法又包括容量法、质量法、单点吸附法      化学法合成化学法合成YSZ晶粒尺寸晶粒尺寸灼烧温度灼烧温度（0C）晶晶粒粒尺尺寸寸     L/nm比比表表面面积积S(m2/g)计算粒径计算粒径D/nm5003.4163.26.176005.590.711.190012.226.737.8     sampleCalcined temperature(C)Surface area(m2/g)Particle size (nm)average agglomerated size (nm)average crystallite  size (nm)( c caculated by surface area)NiO        SDCA60051.417.023217.94       18.14B70031.627.433827.74       25.46C80023.037.636233.83       26.76 Table 1 Particulate properties of as-formed NiO-SDC powders 陶瓷粉体制备工艺陶瓷粉体制备工艺特定工艺特定形貌和粒径有机物辅助固相反应共沉淀法均相沉淀法甘氨酸－硝酸盐法   与比表面有关粉体特性与比表面有关粉体特性     1)有较大表面积有较大表面积(m2/g, m2/v)        1cm3固体有固体有6cm2 表面积，而表面积，而1cm3固体粉碎成固体粉碎成1 m粒子粒子         时，则总表面积为时，则总表面积为60000cm2        2) 具有高能量具有高能量     G =  ·  A , ( 为表面能为表面能)     3) 粒子受力粒子受力   p = 2   /r , 粒子越小附加压力粒子越小附加压力 越大越大, 由由x衍射图谱计算得出的纳米粒子的晶格常数往往比理论值小衍射图谱计算得出的纳米粒子的晶格常数往往比理论值小     4) 化学位高化学位高   粉粉=  粒子粒子 -  块块 =  p · v = 2   · v /r  (v 为分子体积为分子体积 )     5) 蒸汽压高蒸汽压高  p = p粒子粒子- p块块= p块块(2   · v /r·RT)     6) 溶解度大溶解度大       7) 熔点下降熔点下降   T=T块 (2 s L /r · H块 · )      (s L 为固液界面张力, H块 为熔解热, 为密度)  8) 活性高活性高:  易反应易反应; 易烧结易烧结  9) 相变相变: 粒子越小, 当相变为成核机制时,相变速度慢;         当相变为扩散机制时,则相变速度快          马氏体相变,则粒子越小,越不宜发生10) 粉体粒子的团聚性：粉体粒子的团聚性：a)干粉干粉, 产生原因：组成粉体粒子的分子间弱力，产生原因：组成粉体粒子的分子间弱力，是由是由同一分子内由于同一分子内由于“起伏起伏” （波动或张落）而产生的电（波动或张落）而产生的电偶极子偶极子因诱导在相邻分子中所产生的偶极子因诱导在相邻分子中所产生的偶极子 某些化学物种所存在的永久偶极子之间的相互作用。

某些化学物种所存在的永久偶极子之间的相互作用  也称为色散力，氢键中主要是这种力也称为色散力，氢键中主要是这种力      对于两个直径为对于两个直径为a的球状粒子的吸引力的球状粒子的吸引力FA可表达为：可表达为：                 FA= a A /24h2   其中：其中：h为两个粒子表面的距离；为两个粒子表面的距离； A是是Hamaker常数常数与粒子组成、分子结构、粒子之间的介质有关与粒子组成、分子结构、粒子之间的介质有关b）湿粉）湿粉  产生原因：粉中有液体存在且液体润湿固体粒子时，产生原因：粉中有液体存在且液体润湿固体粒子时，粒子之间产生一压缩应力，此压缩应力使粒子团聚粒子之间产生一压缩应力，此压缩应力使粒子团聚粉体成分分析§化学分析法：根据物质间相互的化学作用，如中和、沉淀、络合、氧化还原等测定物质含量和鉴定元素的方法准确可靠，但是耗时，有限制§特征X射线分析法，基本原理是用电子探针照射在试样待测表面的微小区域，激发试样中各元素的不同波长的特征X射线，然后根据射线波长或者能量进行元素定性分析，根据强度进行定量分析分为波谱法和能谱法§原子光谱分析法和质谱法粉体晶态分析§1）X射线衍射法：是利用X射线在晶体中的衍射现象来测试分析晶态的方法。

布拉格公式：nλ=2d sinθ§2）电子衍射法，原理一样，用聚焦电子束取代X射线粉体形貌结构分析§透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope,TEM）§扫描电子显微镜（ Scanning Electron Microscope,SEM）§扫描隧道显微镜（ Scanning Tunnel Microscope,SEM）。