材料工程基础：第二章 粉末材料制备

1、第二章 粉末材料制备第一节 概述1 基本概念 粉体：指的是在常态下以较细的粉粒状态存在的物料。一次颗粒：即单个颗粒，指内部没有孔隙的致密材料，可以是非晶、单晶或多晶。二次颗粒：由单个颗粒以弱结合力构成，包含了一次颗粒与孔隙。单分散体系：组成粉体系统的颗粒粒径相等或相近。多分散体系：组成粉体系统的颗粒粒径不相等，在一定的范围内变化。2 制粉的目的从材料制备的角度：有利于各种不同形状的制备。可提高堆积密度，提高素坯密度（对于压制成形）。提高制品中多组分之间的混合均匀度。有利于制品的烧成与致密。 从材料性能的角度：颗粒细化对表面积、表层原子比例的影响，进而对材料性质的影响。3 现代陶瓷粉体应有的特性

2、 化学组成精确。 化学组成均匀性好。 纯度高。 适当小的颗粒尺寸。 球状颗粒，且尺寸均匀单一。 分散性好，团聚少。 4 材料的发展历史与制粉的关系 5 粉末材料的应用 6 制粉方法的分类 机械制粉物理制粉化学制粉机械法制备的粉体粒度有一定限制，而且制备过程中极易引入杂质，但具有成本低、产量高、制备工艺简单等特点。物理法和化学法，是通过相变或化学反应，经历晶核形成和晶体生长形成固体粒子，其工艺过程精细，成本相对较高。 第二节 机械制粉方法1 物料的粉碎方式 挤压粉碎、冲击粉碎、摩擦-剪切粉碎和劈裂粉碎。 2 被粉碎物料的基本物性 强度：物料对外力的抵抗能力。硬度：物料抵抗其他物体刻划或压入其表面

3、的能力。脆性：物料在受力破坏时直到断裂前只出现极小的弹性变形而不出现塑性变形。韧性：指物料在外力的作用下，塑性变形过程中吸收能量的能力。 易碎(磨)性：概括影响粉碎过程的其他因素。强度和硬度均大的物料较难粉碎；强度不大而硬度大的物料易破碎，但难粉磨；强度大而硬度不大的物料易粉磨，但难破碎。脆性材料抵抗动载荷或冲击的能力较差，采用冲击粉碎可使粉碎效率提高。韧性物料的抗拉和抗冲击性能较好，而抗压性能较差，采用挤压粉碎可使粉碎效率提高。 3 机械研磨法 球磨制粉的四个基本要素：球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质。 球磨方式：滚筒式、振动式、搅动式。提高球磨效率的两个基本准则。（1）动能准则：提高磨球的

4、动能。（2）碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率。 3.1 滚筒式球磨 3.1.1 运动形式分析球磨机转速的限定条件：V临1V实际V临23.1.2 研磨介质的运动分析外层研磨介质的基本运动方程3.2 振动球磨 特点： 不存在滚筒球磨的上下临界转速的限制，是一种高能、高效的研磨方法； 传动方式是直接与电机相连，因而能高速工作； 粉料与研磨介质的填充率均较高，生产效率高。 3.3 搅拌球磨特点： 不存在临界转速的限制，因而磨球的动能大大增加； 通过提高搅拌转速、减小磨球直径的办法可以提高磨球的总撞击几率。4 气流研磨法 是通过气体传输粉料的一种研磨方法。与机械研磨法不同的是，气流研磨不需要磨球和介

5、质。研磨时，粉料随着高速气流的流动获得动能，通过粉末颗粒间的相互摩擦，撞击或颗粒与制粉装置间的撞击使粗大颗粒细化。 提高气流研磨效率的两条准则。（1）动能准则：提高粉末颗粒的动能。（2）碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率。 4.1 旋涡研磨 4.2 冷流冲击 4.3 流态化床气流磨 5 粉碎机械力化学 固体物质在各种形式的机械力作用下所诱发的化学变化和物理化学变化称为机械力化学效应。（1）粉碎平衡：物料粉碎至一定时间后，粒度和比表面积不再明显变化而稳定在某一数值附近。 （2）晶格畸变：晶格中质点的排列部分失去其点阵结构的周期性导致晶面间距发生变化、晶格缺陷以及形成非晶态结构等。 （3）晶型转

6、变：在常温下由于机械力的作用常常会发生晶型转变。 （4）化学变化：发生脱水效应、固相反应等。 第三节 物理制粉方法1 雾化法 提高雾化制粉效率的两条基本准则：能量交换准则：提高液体从系统中吸收能量的效率，以利于表面自由能的增加； 快速凝固准则：提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。 1.1 双流雾化法 1.2 离心雾化法 1.3 雾化制粉的特性 雾化制粉主要用于金属或合金。 雾化制粉是一种快速凝固技术，能够增加金属元素的固溶度。极大地降低了成分偏析，粉末成分均匀。 可获得细晶、微晶、准晶直至非晶粉末。 2 物理蒸发冷凝法 采用不同的能量输入方式，使金属汽化，然后再在冷凝壁上沉积，从而

7、获得金属粉末。 按能量输入方式来划分，物理蒸发冷凝法可分为：电阻加热方式、等离子体加热方式、激光加热方式、电子束加热方式、高频感应加热方式。 3 溶剂蒸发法 3.1 喷雾法将溶液喷雾至热风中使之快速干燥的方法。也被广泛应用于造粒。 3.2 冷冻干燥法 第四节 化学制粉方法1 化学气相沉积法1.1 原理经历四个步骤：化学反应、均相形核、晶粒生长、团聚。（1）化学反应热力学判据反应的控制因素（2）均匀形核均匀形核：体系中无晶种或晶核生成基底，晶核在体系中形成的几率处处相同的成核过程。非均匀形核：体系借助于晶种或晶核生成基底的成核过程。 （3）晶粒生长两种途径：对气相产物分子的吸附与重构使自身长大；

8、核坯颗粒相互之间发生碰撞结合而长大。后者是粒子后期长大的主要原因。（4）团聚粉体颗粒之间由于存在着较弱的吸附力作用（范德华力、静电力等），颗粒之间会发生聚集，颗粒越小聚集效果越明显，这一现象称为团聚。1.2 类型（1）热分解法羰基物的定义、制取及热分解。（2）气相还原法分为气相氢还原和气相金属热还原。（3）复合反应法是制备无机化合物的重要方法。 2 还原-化合法 2.1 基本原理 （1）金属氧化物还原的热力学金属氧化物的离解压还原剂氧化物的离解压。（2）金属氧化物还原的动力学 粉末制备多数是多相反应而非均相反应。均相反应：在单相（固相、液相、气相）中进行的化学反应，即在反应过程中与其他物相没有

9、物质交换。多相反应：在反应体系的反应物之间有界面存在的化学反应。 多相反应的特点：反应物之间有界面存在，反应速度受诸多因素影响。多相反应速度的控制环节，取决速度最慢的环节，可以是扩散、化学反应或其他中间环节。 2.2 制粉方法（1）碳还原法（2）气体还原法（3）金属热还原法（4）还原-化合法3 电化学法 3.1 原理电化学体系（阴、阳极和电解液）。电化学反应（阴极和阳极反应）。 3.2 过程 3.3 影响因素电流密度金属离子浓度氢离子浓度电解液温度4 其他方法 4.1 固相合成法 （1）热分解法通过在母盐中产生核以及核长大过程而生成产物。应注意反应温度与母盐的选择。 通常在较低温度时，随温度升

10、高，成核速率增大，但随温度继续升高，核的生长速率增大，而成核速率却减小。因此，为了获得粒径细小的粉体，必须在最大成核速度的温度下进行热分解。不同盐类由于阴离子（或阴离子团）的种类不同，其分解温度也不同。如果盐的热分解温度低，则分解后的产物粒径相对较小，能量大，活性高。 （2）化合反应法 由于反应是在多种成分固体之间进行，因此应保证各反应物的均匀混合；固相反应一般发生在固体颗粒的接触面上，并通过固体内的离子扩散使反应继续进行，因此反应物的粒径应细小；必须控制好反应的温度和时间。 （3）氧化还原法非氧化物陶瓷粉体多采用氧化还原法制备如SiC粉体的制备4.2 液相合成法 （1）沉淀法的原理在难溶盐的

11、溶液中，当浓度大于它在该温度下的溶解度时，就出现沉淀。 溶质分子或离子互相碰撞聚结成晶核，然后溶质分子扩散到晶核表面使其长大成为晶粒。 （2）沉淀法的类型A. 直接沉淀法在盐溶液中直接滴加沉淀剂，利用沉淀反应得到沉淀物，经过滤、洗涤、干燥、煅烧获得所需粉体。 盐溶液滴加沉淀剂搅拌沉淀物洗涤干燥煅烧粉体。常使用铵盐法或草酸盐法。AlCl3+3NH4OHAl(OH)3+3NH4Cl2Al(OH)3Al2O3+3H2OB. 共沉淀法两种或两种以上金属盐溶液的混合沉淀过程。混合金属盐溶液加入沉淀剂组成均匀的混合沉淀洗涤干燥煅烧复合氧化物。很容易发生分步沉淀，导致合成的粉体组成不均匀。C. 均匀沉淀法沉

12、淀剂不是从外部加入，而是在溶液内部缓慢均匀生成的，消除了直接沉淀法的不均匀性。 沉淀剂多为尿素，加热到90时：(NH2)2CO+H2O2NH3+CO2（3）影响因素浓度、温度、pH值、沉淀剂加入方式、反应时间等。第五节 粉末颗粒大小的表征与测量 1 颗粒大小的表征1.1 单颗粒的粒径不规则形状的颗粒，其尺寸的表示方法：三轴径、当量径、定向径。（1）三轴径将颗粒放置于每边与其相切的外接长方体中，长方体的三条边为颗粒的三轴径。（2）当量径颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径。 （3）定向径沿一定方向的颗粒的一维尺度。 1.2 粉体的粒径（1）平均粒径 假设颗粒为立方体，利用颗粒群的总长(nd)、总表面积(6nd2)、总体积(nd3)、总质量(nd3)、比表面积(6nd2)/(nd3)等物理量可推导出颗粒群的平均粒径表达式。 （2）粒度分布频率分布与累积分布中位粒径：粉体的质量（或个数）累积分布百分数达到50%时所对应的粒径。 2 粒度测定2.1 筛分法目：筛网上1英寸（25.4mm）长度内的网孔数。不同目数筛孔的制定规则：乘或除2n/2或2n/4。 2.2 激光衍射法原理：光照到颗粒时产生衍射现象。小颗粒衍