1-特种陶瓷粉体制备及其性能表征

特种陶瓷第一章特种陶瓷粉体制备及其性能表征内容本讲主要内容2特种陶瓷粉体的性能及表征3特种陶瓷粉体的制备1特种陶瓷粉体应有的特点特种陶瓷粉体结构性能组成工艺粉体制备成型烧结特种陶瓷制备工艺的主要环节特种陶瓷粉体粉体制备的重要性粉体制备成型烧结粉体是其他工艺的基础，没有好粉体，再好的成型烧结工艺都无法得到高质量的特种陶瓷。粉体的定义什么是粉体？粉体是大量固体粒子的集合，表示物质的一种存在状态，既不同于气体、液体，也不完全同于固体。所以许多学者认为，粉体是气、固、液三态之外的第四相。固体的物质结构、密度流动性和变形性颗粒大小颗粒分布颗粒形态粉体的定义粉体颗粒粉体颗粒一般是指物质本质结构不发生变化的情况下分散或细化而得到的物质基本颗粒。一次颗粒二次颗粒一次颗粒发生团聚的原因（二次颗粒形成的原因）分子间的范德华力颗粒间的静电引力吸附水分的毛细管力颗粒间的磁引力颗粒表面的机械纠缠力理想的粉体理想粉体的要求形状规则一致粒径均匀且细小不团聚结块纯度高相易控制粉体的化学组成要求化学组成最基本的要求，直接决定产品的晶相结构，最终决定其性能组成精确均匀性好不均匀将导致化学组成的局部偏离，进而产生局部晶相的偏析和显微结构的差异，从而造成性能下降，重复性与一致性变差。粉体的纯度要求纯度要高杂质将严重影响粉体的工艺性能和产品物理性能原材料选择制备加工过程纯度要求达到99.9999％，甚至达到99.9999999％以上。无尘车间运输配料混料成型烧结粉体的颗粒要求颗粒尺寸球形颗粒适合的颗粒大小尺寸均匀单一球形不规则板状粉体的颗粒要求球形颗粒粉体的流动性好，颗粒堆积密度高（理论值为74%），气孔分布均匀，从而在成型和烧结时可对晶粒生长和气孔的排除与分布进行有效的控制，以获得结构均匀、性能优良、一致性好的产品。堆积类型配位数堆积密度空隙率（%）立方最密堆积60.523647.64正斜方体堆积80.604639.54面心立方体堆积120.740525.95楔形四面体堆积100.698130.19六方最紧密堆积120.740525.95颗粒尺寸球形颗粒适合的颗粒大小尺寸均匀单一粉体的颗粒要求颗粒小活性大降低烧结温度表面活性大易团聚成型、烧结缺陷粉体的颗粒要求20mm1mm100nm微米级粉体亚微米级粉体纳米级粉体颗粒尺寸球形颗粒适合的颗粒大小尺寸均匀单一尺寸差异大，造成烧结活性的差异，容易造成烧结后产品内部的结构不一致，产生异常的粗晶粒粉体的颗粒要求粉体的颗粒要求分散好无团聚理想的粉体是由一次颗粒组成的。一次颗粒：是指粉体中最基本的颗粒。二次颗粒：由一次颗粒因静电力、分子引力、表面张力等的作用聚集形成。团聚硬团聚软团聚可以被打破分散成为一次颗粒粉体的颗粒要求特种陶瓷颗粒的要求：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无团聚粉体的性能粉体性能颗粒大小颗粒分布颗粒形态表面能填充性烧结性粉体的性能颗粒尺寸和颗粒分布颗粒尺寸：又叫粒度，定义为颗粒的平均大小。球形颗粒：直径不规则颗粒：等当直径体积直径表面积直径等等。。。粉体的性能颗粒分布：粒度分布，是表征多分散体系中颗粒大小分布不均一的程度。频率分布累积分布表示与各个粒径相对应的粒子占全部全部颗粒的百分含量表示小于或者大于某个粒径的粒子占全部全部颗粒的百分含量众数粒径dm中位径d50平均粒径d粉体的性能粉体的性能粉体粒度测定方法X射线小角度散射法X射线衍射线线宽法沉降法激光散射法比表面积法显微镜分析法粉体的性能颗粒形态颗粒形态对粉体的性质，如流动性、自然堆积密度、比表面积、成型密度、烧结性能等都有很大的影响。实际粉体有球形、条形、多边形、片状或者不规则等形态。粉体的性能颗粒形态的表征Wadell球度（φW）长短度和扁平度动力形状因子（K）与颗粒相图体积球的表面积实际颗粒的表面积长短度=长径/短径沉降阻力相当径等体积球径粉体的表面特性粉体颗粒的表面能和表面状态当晶体破碎，破断面就成为新的表面，这时新的晶体表面上的原子所处的状态就与内部原子不一样。12435897106内部原子在周围原子的均等作用下处于能量平衡的状态表面原子的一侧受内部原子的引力，另一侧则处在“能量过剩”的状态粉体的表面特性当粒径变化时，表面原子的数量急剧增加，在表面原子的数量达到一定比例时，粉体的各种性质，就取决于颗粒的表面状态。粉体的表面特性颗粒间的吸附与凝聚粉体的填充性颗粒的性质粉体的填充性大小分布形状表面性质等大球致密填充等大球不规则填充异直径球的填充加压压密填充影响因素颗粒大小的影响：颗粒越小，堆积越稀松形状和凝聚的影响机械制粉法捣磨法切磨法涡旋磨法球磨法气体喷射粉碎法高能球磨法粉体的制备制备细粉和纳米粉制备方法合成法固相合成法液相合成法气相合成法机械法机械法材料破碎加工的原理机械法材料粉碎加工模型体积粉碎模型表面粉碎模型均一粉碎模型机械法影响颗粒破碎的因素易碎性碰撞速度表征材料对粉碎的阻抗能力，可定量的表示为将材料粉碎到某一粒径所需要的比功。同时，易碎性也是粉碎过程所需能量的判据。易碎性越小，所需能力越大，材料对破碎的阻抗能力越强。材料粉碎与系统提供给它的能量直接相关，而机械破碎过程中能量的形成和转化与体系的运动速度密切相关。合成法合成法固相合成法固相法是以固相物质为原料，通过一定的物理与化学过程，制备陶瓷粉体的方法。固相原料配料混合合成粉碎粉体固相合成法固相合成化合反应分解反应固溶反应氧化还原反应相变固相合成法应严格控制温度固相合成法液相合成法液相合成法：也叫湿化学法，其制备粉体具有颗粒形状和粒度易控制、化学组成精确、表面活性好、易添加微量成分、工业化生产成本低等特点，目前已得到广泛的应用。溶液制备溶液混合脱水前躯体分解合成粉体液相合成法液相法沉淀法溶剂蒸发法直接沉淀法均匀沉淀法共沉淀法醇盐水解法特殊沉淀法（sol-gel法）冷冻干燥法喷雾干燥法喷雾热分解法水热法液相合成法沉淀法：是金属盐溶液中施加或生产沉淀剂，并使溶液挥发，对所得的盐和氢氧化物通过加热分解得到所需的陶瓷粉末的方法。形成过饱和态形成新相的核核长成粒子生成相的稳定化直接沉淀法是制备超细微粒广泛采用的一种方法，其原理是在金属盐溶液中加入沉淀剂，在一定条件下生成沉淀析出，沉淀经洗涤、热分解等处理工艺后得到超细产物。不同的沉淀剂可以得到不同的沉淀产物，常见的沉淀剂为：NH3•H2O、NaOH、(NH4)2CO3、Na2CO3、(NH4)2C2O4等。直接沉淀法操作简单易行，对设备技术要求不高，不易引入杂质，产品纯度很高，有良好的化学计量性，成本较低。缺点是洗涤原溶液中的阴离子较难，得到的粒子粒经分布较宽，分散性较差。液相合成法液相合成法均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，保证溶液中的沉淀处于一种平衡状态，从而均匀的析出。通常加入的沉淀剂,不立刻与被沉淀组分发生反应,而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成，克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。对于氧化物纳米粉体的制备，常用的沉淀剂尿素，其水溶液在70℃左右可发生分解反应而生成NH4OH，起到沉淀剂的作用，得到金属氢氧化物或碱式盐沉淀，尿素的分解反应如下：

(NH2)2CO+3H2O=2NH4OH+CO2

液相合成法共沉淀：一种沉淀物从溶液中析出时，引起某些可溶性物质一起沉淀的现象。共沉淀法是指在含有多种阳离子的可溶性盐溶液中,加入沉淀剂后,所有阳离子完全沉淀并将原有阴离子洗去,经高温分解或脱水得到氧化物的方法。液相合成法共沉淀法单相共沉淀混合物共沉淀BaCl2TiCl4+草酸BaTiO(C2O4)·4H2O热分解BaTiO3Y2O3YCl3ZrOCl2·8H2OZr(OH)4,Y(OH)3ZrO2(Y2O3)+HCl+氨水热分解液相合成法溶胶－凝胶法（sol-gel法）就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。

溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000nm之间。

凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。溶质溶剂催化剂溶胶湿凝胶干凝胶粉体水解凝胶化干燥热处理(l)水解反应：M(OR)n＋H2O→M(OH)x(OR)n－x＋xROH(2)聚合反应：－M－OH＋HO－M－→－M－O－M－＋H2O－M－OR＋HO－M－→－M－O－M－＋ROH液相合成法溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。溶胶一凝胶法也存在某些问题：首先是目前所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；其次通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周：第三是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。

液相合成法溶剂蒸发法液相合成法金属盐溶液喷雾（至低温液体）

（至热风中）

（至高温液体中）（至高温气体中）冷冻液滴溶剂升华

溶剂蒸发

溶剂蒸发

溶剂蒸发+

热分解金属盐颗粒热分解氧化物颗粒冷冻干燥

喷雾干燥

热煤油干燥

喷雾热解液相合成法水热法：是指在密封的压力容器中,以水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。水热反应依据反应类型的不同可分为水热氧化、水热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等。反应在高温高压下进行，因此有可能实现在常规条件下不能进行的反应。改变水热条件，可改变具有不同结构、组成、形貌、颗粒尺寸的产物。工艺简单经济实用，过程污染小。设备要求高，安全性，可控性差。气相合成法气相法：直接利用气体或者通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成粉体的方法。气相法蒸发-凝聚法（PVD）气相化学反应法（CVD）物理变化化学反应气相合成法气相合成法气相合成法合成实例例如：二氧化钛粉体的制备气相合成法Si3N4和SiC微粉的制备直接合成法Si+N2→Si3N4Si+