粉末的制備PPT課件

1、 機械制粉方法的實質(zhì)就是利用動能來破壞材料的內(nèi)結(jié)合力，使材料分裂產(chǎn)生新的界面。機械研磨法機械研磨法 能夠提供動能的方法可以設(shè)計出許多種，例如有錘搗、能夠提供動能的方法可以設(shè)計出許多種，例如有錘搗、研磨、輥軋、沖擊等，其中除研磨外，其他幾種粉碎方法研磨、輥軋、沖擊等，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。主要是用于物料破碎及粗粉制備的。第1頁/共104頁 這些都能形成破碎作用. 那么破碎粉末所需要的作用力與缺陷結(jié)構(gòu)和裂紋擴展敏感程度相關(guān).沖擊：Colliding剪切：Shearing壓縮：Compressing研磨：Grinding至少有四種作用力在破碎粉末:第2頁/共1

2、04頁粉碎作用力的作用形式粉碎作用力的作用形式第3頁/共104頁 物料顆粒受機械力作用而被粉碎時，還會發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)及表面物理化學性質(zhì)的變化，這種因機械載因機械載荷作用導致顆粒晶體結(jié)構(gòu)和物理化荷作用導致顆粒晶體結(jié)構(gòu)和物理化學性質(zhì)的變化學性質(zhì)的變化稱為稱為機械力化學機械力化學。研磨的理論基礎(chǔ)研磨的理論基礎(chǔ) 機械力化學機械力化學第4頁/共104頁 顆粒結(jié)構(gòu)變化，如表面結(jié)構(gòu)自發(fā)地重組，形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)或重結(jié)晶； 顆粒表面物理化學性質(zhì)變化，如表面電性、物理與化學吸附、溶解性、分散與團聚性質(zhì)； 在局部受反復應(yīng)力作用區(qū)域產(chǎn)生化學反應(yīng)，如由一種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)，釋放出氣體、外來離子進入晶體結(jié)構(gòu)中引起原物料中

3、化學組成變化。第5頁/共104頁減小粉末粒度；固態(tài)混料；合金化；改善轉(zhuǎn)變或改變材料的性能。球磨制粉的任務(wù)球磨制粉的任務(wù)研磨時有時會有加工硬化、形狀不規(guī)則及出現(xiàn)流動性變差等現(xiàn)象。第6頁/共104頁 在球磨過程中，球磨筒將機械能傳遞到在球磨過程中，球磨筒將機械能傳遞到筒內(nèi)的球磨物料及介質(zhì)上，相互間產(chǎn)生筒內(nèi)的球磨物料及介質(zhì)上，相互間產(chǎn)生正正向沖擊力、側(cè)向擠壓力、摩擦力向沖擊力、側(cè)向擠壓力、摩擦力等，當這等，當這些復雜的外力作用到脆性粉末顆粒上時，些復雜的外力作用到脆性粉末顆粒上時，細化過程實質(zhì)上就是細化過程實質(zhì)上就是大顆粒的不斷解理過大顆粒的不斷解理過程程；如果粉末的塑性較強，則顆粒的細化如果粉末的

4、塑性較強，則顆粒的細化過程較為復雜，存在著磨削、變形、加工過程較為復雜，存在著磨削、變形、加工硬化、斷裂和冷焊等行為。硬化、斷裂和冷焊等行為。不論何種性質(zhì)不論何種性質(zhì)的研磨物料，提高球磨效率的基本原則是的研磨物料，提高球磨效率的基本原則是一致的。一致的。第7頁/共104頁1.動能準則：提高磨球的動能2.碰撞幾率準則：提高磨球的有效碰撞幾率球磨制粉的基本原則第8頁/共104頁滾筒式行星式振動式攪動式球磨制粉的基本方式第9頁/共104頁 球磨筒 磨球 研磨物料 研磨介質(zhì)第10頁/共104頁球磨的基本規(guī)律 Basic regulation of mill球在滾筒中的基本狀態(tài)轉(zhuǎn)速慢，瀉落狀態(tài)，摩擦效果

5、 轉(zhuǎn)速適中，拋落狀態(tài)，摩擦,撞擊破碎轉(zhuǎn)速快，相對運動狀態(tài)，無研磨效果第11頁/共104頁 轉(zhuǎn)速較低時，球料混合體與筒壁做相對滑動運動并保持一定的斜度。隨轉(zhuǎn)速的增加，球料混合體斜度增加，抬升高度加大，這時磨球并不脫離筒壁； 轉(zhuǎn)速達一臨界值V臨1時，磨球開始拋落滾動下來，形成了球與筒及球與球間的碰撞； 轉(zhuǎn)速增加到某一值時，磨球的離心力大于其重力，這時磨球、粉料與磨筒處于相對靜止狀態(tài)，此時研磨作用停止，這個轉(zhuǎn)速被稱為臨界轉(zhuǎn)速V臨2。第12頁/共104頁)/(4 .422分轉(zhuǎn)臨界DVD是磨筒的直徑是磨筒的直徑滾筒球磨的轉(zhuǎn)速應(yīng)有一個限定條件V V臨臨1 1 V V 實際實際 V V臨臨2 2第13頁/共

6、104頁工作經(jīng)驗表示： V0.6V臨界2時，可制取細粉 fine particles V0.75V臨界2時，一般只能制取較粗的粉末 coarse particles 限定條件實際上與這一動能準則相悖，因此滾筒球磨的球磨效率是很有限的。為了克服這個不足，人們又進一步開發(fā)了新的球磨方法。第14頁/共104頁SEM of milled niobium powder, prepared by hydriding, milling, and vacuum dehydriding leading to an angular particle shape第15頁/共104頁公式: 1/2(2/)Er D:,

7、D:.Partide Size沖擊應(yīng)力E:材料彈模.Elastic Modalusr:缺陷尺寸.Defect.裂紋尖端曲率半徑 裂紋擴展粉末尺寸 粗顆粒粉末只需要小的沖擊應(yīng)力, 隨粉末顆粒直徑變小, 沖擊應(yīng)力增大. 如果我們知道初始粒度(顆粒尺寸) D1，當要研磨到所需粒度D2時, 需要多少能量可以由一個簡單關(guān)系去估計需要的能量.該式表明:第16頁/共104頁g: 一個常數(shù) a constant a: 指數(shù) ，經(jīng)驗系數(shù)影響因素, Factors to 物料干/濕、脆性 粉末粒度 球體尺寸 旋轉(zhuǎn)速度21()aaWg DD第17頁/共104頁影響球磨效果的因素影響球磨效果的因素 factors t

8、o influence milling efficiencya、球筒直徑D與長度L之比：D/L， 3，可保證球體的沖擊作用，適用于研磨硬而脆 的材質(zhì)。 3，只發(fā)生摩擦作用，適于研磨塑性材質(zhì)。b、裝填系數(shù)（球體體積與球磨筒容積之比）： 0.4-0.5； 0.4-0.5：主要發(fā)生滑動； 0.4-0.5：球量過多，球?qū)又g干擾大。第18頁/共104頁Dd241181影響球磨效果的因素影響球磨效果的因素 factors to influence milling efficiencyc、球料比：ratio of powder and balls，一般粉末填滿 球體之間的間隙d、球體直徑：diameter

9、 of the balls 選擇范圍e、研磨介質(zhì)： 干磨 濕磨第19頁/共104頁 研磨介質(zhì): the excellent action of the ground medium： 干磨:保護氣氛Atmosphere Protective. Anti-Oxidation 濕磨: 濕磨介質(zhì):水, 乙醇等; milling medium 保護和效率; wet milling 濕磨尖壁作用, wet grind split 有利于裂紋擴展Crack propagation 減少泠焊. Decrease cold welding Increasing the grinding efficiency第2

10、0頁/共104頁第21頁/共104頁第22頁/共104頁第23頁/共104頁攪動球磨攪動球磨-機械合金化機械合金化第24頁/共104頁 原理：在高速攪拌球磨的條件下，利用金屬粉末混合物的重復冷焊和斷裂來進行機械合金化的。 要求：1）粒度要求1-200um； 2）控制極低的含氧量； 3）混合物中至少15%（體積比）的可壓縮變形粉末。在機械合金化時對其他組分在機械合金化時對其他組分其基體或者粘接劑的作用。其基體或者粘接劑的作用。第25頁/共104頁 過程：橫臂均勻分布在不同高度上，并互成一定角度。橫臂均勻分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨過程中，磨球與粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在球磨過

11、程中，磨球與粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心攪拌棒周圍產(chǎn)生旋渦，然后沿軸線下降，如此循環(huán)往復。中心攪拌棒周圍產(chǎn)生旋渦，然后沿軸線下降，如此循環(huán)往復。只要轉(zhuǎn)速和裝球量合適，在任何情況下磨筒底部都不會出現(xiàn)死角。由于磨球的動能是由轉(zhuǎn)軸橫臂的攪動提供的，研磨時不會由于磨球的動能是由轉(zhuǎn)軸橫臂的攪動提供的，研磨時不會存在象滾筒球磨那樣有臨界轉(zhuǎn)速的限制，因此，磨球的動能大存在象滾筒球磨那樣有臨界轉(zhuǎn)速的限制，因此，磨球的動能大大增加。大增加。同時還可以采用提高攪動轉(zhuǎn)速、減小磨球直徑提高攪動轉(zhuǎn)速、減小磨球直徑的辦法來提高磨球的總撞擊幾率而不減小研磨球的總動能，這樣才符合了提高機械球磨效率的兩個基本準則。

12、第26頁/共104頁氣流研磨法 通過氣體傳輸粉料的一種研磨方法。與機械研磨法不同的是，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純度一般比機械研磨法的要高。第27頁/共104頁1.動能準則：提高粉末顆粒的動能2.碰撞幾率準則：提高粉末顆粒的碰撞幾率氣流研磨制粉的基本原則第28頁/共104頁 由于粉末顆粒的運動是從流態(tài)氣體中獲得的，因此，提高顆粒的動能必須要提高載流氣體的速度。兩種辦法來實現(xiàn)兩種辦法來實現(xiàn)提高氣體的入口壓力

13、氣體噴嘴的氣體動力學設(shè)計通過這兩種辦法使噴嘴出口端的氣體流速達超音速第29頁/共104頁氣流研磨三種類型：氣流研磨三種類型：旋渦研磨冷流沖擊 流態(tài)化床氣流磨第30頁/共104頁第31頁/共104頁第32頁/共104頁加速效應(yīng)：加速后的氣體可超過音速；冷卻效應(yīng)：氣粉混合物的溫度能降到零度以下。 這兩點對于顆粒的粉碎十分有利，其一是顆粒的撞擊動能增大，其二是金屬顆粒的冷脆性提高。 噴嘴噴向空間時，氣體壓力急劇下降，形成絕熱膨脹過程。這一過程會同時產(chǎn)生兩種效應(yīng)：第33頁/共104頁 定義：利用高速氣流、高速液流或通過定義：利用高速氣流、高速液流或通過離心力將金屬流（其他物質(zhì)流）擊碎并離心力將金屬流（

14、其他物質(zhì)流）擊碎并冷卻凝固制造粉末的方法。冷卻凝固制造粉末的方法。霧化制粉法 Energy translation Such as Fe, Steels, Cu, Ag, Al, Ni, Polymers, 等等第34頁/共104頁霧化類別霧化類別氣霧化氣霧化 氣體冷卻氣體冷卻 Gas atomization；液霧化液霧化 液體冷卻液體冷卻 Water atomization ；離心霧化離心霧化 直接通過離心力、壓力差或機械沖擊力實現(xiàn)霧化直接通過離心力、壓力差或機械沖擊力實現(xiàn)霧化第35頁/共104頁霧化方式霧化方式平行霧化平行霧化 介質(zhì)流與金屬流夾角為介質(zhì)流與金屬流夾角為0，Parallel

15、atomization；垂直霧化垂直霧化 介質(zhì)流與金屬流夾角為介質(zhì)流與金屬流夾角為90，Plumb atomization ；互成夾角霧化、互成夾角霧化、V型霧化、錐形霧化型霧化、錐形霧化V type and cone type atomization第36頁/共104頁第37頁/共104頁 金屬液由上方孔流出時與沿一定角度高速射擊的氣體或金屬液由上方孔流出時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，液滴的熱量被霧化介質(zhì)迅速帶走，使液滴在很短的合流動，液滴的熱量被霧化介質(zhì)迅速帶走，使液滴在很短的時

16、間內(nèi)凝固成為粉末顆粒。時間內(nèi)凝固成為粉末顆粒。g第38頁/共104頁霧化霧化聚并聚并凝固凝固第39頁/共104頁階段一：大的液珠當受到外力沖擊的瞬間，破碎成階段一：大的液珠當受到外力沖擊的瞬間，破碎成數(shù)個小液滴，假設(shè)在破碎瞬間液體溫度不變，則液數(shù)個小液滴，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。體的能量變化可近似為液體的表面能增加。 很明顯，霧化時液體吸收的能量與霧化液滴的粒徑存在一個對應(yīng)關(guān)系，即：吸收的能量越高則粒吸收的能量越高則粒徑越??；反之亦然。徑越??；反之亦然。第40頁/共104頁階段二：液體顆粒破碎的同時，還可能發(fā)生顆粒間階段二：液體顆粒破碎的同時，還可

17、能發(fā)生顆粒間相互接觸，再次成為一個較大的液體顆粒，并且液相互接觸，再次成為一個較大的液體顆粒，并且液體顆粒形狀向球形轉(zhuǎn)化，這個過程中，體系的總表體顆粒形狀向球形轉(zhuǎn)化，這個過程中，體系的總表面能降低，屬于自發(fā)過程。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。過程三：液體顆粒冷卻形成小的固體顆粒。第41頁/共104頁1、能量交換準則、能量交換準則 提高單位時間、單位質(zhì)量液體從系統(tǒng)中吸提高單位時間、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。收能量的效率，以克服表面自由能的增加。2、快速凝固準則、快速凝固準則 提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒提高霧化液滴的冷卻速

18、度，防止液體微粒的再次聚集。的再次聚集。提高霧化制粉效率基本準則提高霧化制粉效率基本準則第42頁/共104頁霧化過程的四種情況霧化過程的四種情況動能交換動能交換：霧化介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘僖旱蔚谋砻婺?；：霧化介質(zhì)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘僖旱蔚谋砻婺?；熱量交換熱量交換：霧化介質(zhì)帶走大量的液固相變潛熱；：霧化介質(zhì)帶走大量的液固相變潛熱；流變特性變化流變特性變化：液態(tài)金屬的粘度及表面張力隨溫度的降：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；低而不斷發(fā)生變化；b化學反應(yīng)化學反應(yīng)：高比表面積顆粒（液滴或粉粒）的化學活性：高比表面積顆粒（液滴或粉粒）的化學活性很強，會發(fā)生一定程度的化學反應(yīng)。很強，會發(fā)生一

19、定程度的化學反應(yīng)。第43頁/共104頁氣氣霧霧化化的的四四個個區(qū)區(qū)域域負壓紊流區(qū)顆粒形成區(qū)有效霧化區(qū)冷卻凝固區(qū)b第44頁/共104頁氣霧化制粉的影響因素氣霧化制粉的影響因素（1）氣體動能（2）噴嘴結(jié)構(gòu)（3）液流性質(zhì)（4）噴射方式第45頁/共104頁（1）氣體動能）氣體動能 根據(jù)氣體動力學原理，噴嘴出口處的氣流速度可由下式表示)(1 121212KKPPKgKRTVN=MV2/2第46頁/共104頁式中式中 g g重力加速度重力加速度 R R氣體常數(shù)氣體常數(shù) K K壓容比，即壓容比，即C Cp p/C/Cv v，空氣的，空氣的K K值等值等1.41.4 T T壓縮氣體進噴嘴前的溫度，壓縮氣體進噴

20、嘴前的溫度，K K P P1 1氣體流往環(huán)境的壓力氣體流往環(huán)境的壓力 P P2 2使氣體流出噴嘴的壓力使氣體流出噴嘴的壓力 如果以空氣為霧化介質(zhì)進行霧化，假設(shè)如果以空氣為霧化介質(zhì)進行霧化，假設(shè)T T2 2不變化，將不變化，將P P1 1=1=1大氣壓，大氣壓，K=1.4K=1.4代入式上式代入式上式 ，則可變形為，則可變形為)1 (29. 022PKV 其中，其中，K K為由為由g g和和R R合成的一個比例常數(shù)。合成的一個比例常數(shù)。可以看出，可以看出，隨隨著氣體壓力著氣體壓力P P的增大，氣體的流速的增大，氣體的流速V V也同時增大，但存在一個也同時增大，但存在一個極限值。極限值。第47頁/

21、共104頁霧化介質(zhì)（氣體）的動能 N=MV2/2 比較M與V，V對提高動能的效果更顯著，所以可以得出以下結(jié)論： 增大氣體壓力，能夠增加氣體的噴射速度，進而增大噴射氣體的動能，因而有利于金屬液體霧化率的提高。 前提條件，即保持金屬液的流量為定值。第48頁/共104頁。 對于一個實際的氣霧化系統(tǒng)，出現(xiàn)的情況較上面討論的要復雜些，因為在提高霧化壓力的同時，射流因為在提高霧化壓力的同時，射流氣體會產(chǎn)生很強的抽吸力，導致金屬液流量加大。氣體會產(chǎn)生很強的抽吸力，導致金屬液流量加大。以Vg表示噴嘴處的氣體體積流量，ml表示金屬液漏嘴端的質(zhì)量流量。依據(jù)提高單位時間、單位質(zhì)量的液體能量依據(jù)提高單位時間、單位質(zhì)量

22、的液體能量轉(zhuǎn)換準則，為提高氣霧化效果所應(yīng)采取的措施就是轉(zhuǎn)換準則，為提高氣霧化效果所應(yīng)采取的措施就是增增大大V Vg g / M / ML L的比值的比值。這個結(jié)論可由實際獲得的下圖明顯這個結(jié)論可由實際獲得的下圖明顯說明。說明。氣液流量比第49頁/共104頁第50頁/共104頁（2）噴嘴結(jié)構(gòu)）噴嘴結(jié)構(gòu)嘴結(jié)構(gòu)應(yīng)具備以下基本條件霧化介質(zhì)獲得盡可能高的出口速度；霧化介質(zhì)與金屬液流之間形成合理的噴射角度；金屬液流產(chǎn)生最大的紊流；金屬液流霧化穩(wěn)定，不會因出口負壓造成噴嘴堵塞。第51頁/共104頁（3）液流性質(zhì)）液流性質(zhì)金屬液的表面張力金屬液的粘度金屬液的過熱溫度第52頁/共104頁（4）噴射方式）噴射方式

23、按照霧化介質(zhì)對流體的作用可分為以下幾種第53頁/共104頁第54頁/共104頁第55頁/共104頁第56頁/共104頁第57頁/共104頁 離心霧化法離心霧化法 離心霧化法是借助離心霧化法是借助離心力離心力的作用將的作用將液態(tài)金屬液態(tài)金屬破碎破碎為小液滴，然后為小液滴，然后凝固凝固為固為固態(tài)粉末顆粒的方法。態(tài)粉末顆粒的方法。1974年，首先由美年，首先由美國提出旋轉(zhuǎn)電極霧化制粉法，后來又發(fā)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)園盤等離心霧化方展了旋轉(zhuǎn)錠模、旋轉(zhuǎn)園盤等離心霧化方法。法。第58頁/共104頁旋轉(zhuǎn)電極法旋轉(zhuǎn)電極法第59頁/共104頁第60頁/共104頁旋轉(zhuǎn)電極法旋轉(zhuǎn)電極

24、法粉末平均粒度為粉末平均粒度為D=（M0.12/wd0.64）(r/ m)0.43式中式中 M 熔化速度熔化速度 10-7m3/s d陽極直徑陽極直徑 2-5cm W角速度角速度 1000-50000r/min r熔體表面張力熔體表面張力 m密度密度第61頁/共104頁旋轉(zhuǎn)錠模法（又稱旋轉(zhuǎn)坩堝法）：旋轉(zhuǎn)錠模法（又稱旋轉(zhuǎn)坩堝法）：第62頁/共104頁旋轉(zhuǎn)盤法旋轉(zhuǎn)盤法： 旋轉(zhuǎn)盤法最早于旋轉(zhuǎn)盤法最早于1976的美國的美國Pratt & Whitney 飛機制造公司研制出，用來制備超合飛機制造公司研制出，用來制備超合金粉末。金粉末。 這種方法獲得的粉末平均粒度同園盤轉(zhuǎn)速這種方法獲得的粉末平均粒

25、度同園盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，則平均粒度越小，細粉收得有關(guān)，轉(zhuǎn)速越高，則平均粒度越小，細粉收得率越高。率越高。第63頁/共104頁霧化盤轉(zhuǎn)速，r/minRevolution of atomizing disc12000 24000 36000粉末平均粒度，mMean powder particle size187 154 135100 目粉末收得率，Recovery rate of 100 mech powder33.0 44.5 56.0粉末平均粒度及100目以下粉末收得率隨霧化盤轉(zhuǎn)速而變化的情況第64頁/共104頁第65頁/共104頁第66頁/共104頁旋轉(zhuǎn)輪法旋轉(zhuǎn)輪法第67頁/共104頁旋

26、轉(zhuǎn)杯旋轉(zhuǎn)杯第68頁/共104頁旋轉(zhuǎn)網(wǎng)旋轉(zhuǎn)網(wǎng)第69頁/共104頁霧化制粉的一些特性霧化制粉的一些特性1、霧化制粉主要用于、霧化制粉主要用于金屬或合金金屬或合金，對于一些，對于一些可熔的可熔的氧化氧化物陶瓷材料，也可采用這種方法進行加工。但由于氧化物物陶瓷材料，也可采用這種方法進行加工。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微陶瓷熔體的粘度、表面張力很大，所以一般不能獲得細微陶瓷粉體，但可獲得短纖維、小珠或空心球，例如，硅酸陶瓷粉體，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。鋁纖維、氧化鋯磨球、氧化鋁空心球等。2、霧化制粉是一種、霧化制粉是一

27、種快速凝固技術(shù)快速凝固技術(shù)，能夠增加金屬元素的，能夠增加金屬元素的固溶度。固溶度。第70頁/共104頁3. 極大地降低了成分偏析，粉末成分均勻極大地降低了成分偏析，粉末成分均勻，某些有害相，某些有害相，如高溫合金中的如高溫合金中的 相，可能因激冷而受到抑制，甚至消相，可能因激冷而受到抑制，甚至消除。除。4. 冷速提高，枝晶間距減小，晶粒細化，材料的晶體結(jié)構(gòu)冷速提高，枝晶間距減小，晶粒細化，材料的晶體結(jié)構(gòu)向非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變向非穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變，可獲得細晶、微晶、準晶直至非晶粉末。，可獲得細晶、微晶、準晶直至非晶粉末。第71頁/共104頁物理蒸發(fā)冷凝法 物理蒸發(fā)冷凝制粉是一種制備物理蒸發(fā)冷凝制粉是一種制備超微金

28、屬粉末超微金屬粉末的重要方法的重要方法，采用不同的能量輸入方式，使金屬氣化，然后再在冷凝壁上采用不同的能量輸入方式，使金屬氣化，然后再在冷凝壁上沉積從而獲得金屬粉末。沉積從而獲得金屬粉末。由于粉末的粒度很小，比表面積很由于粉末的粒度很小，比表面積很大，因而化學活性很強。為防止金屬粉末氧化，在冷凝室內(nèi)大，因而化學活性很強。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間內(nèi)，會被周圍氣體迅速冷卻，金屬原子很快聚集成超微顆間內(nèi)，會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)

29、冷凝法生產(chǎn)效粒。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率是較低的，但這種方法可獲得最小粒徑達2nm2nm的納米顆粒的納米顆粒。第72頁/共104頁電阻加熱方式電阻加熱方式等離子體加熱方式等離子體加熱方式激光激光加熱方式加熱方式 電子束加熱方式電子束加熱方式高頻感應(yīng)高頻感應(yīng)加熱方式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第73頁/共104頁物料第74頁/共104頁第75頁/共104頁物料第76頁/共104頁第77頁/共104頁化學制粉法化學制粉法8 化學氣相沉積法化學氣相沉積法8

30、化學還原法化學還原法8 電化學制粉法電化學制粉法第78頁/共104頁 氣相沉積制粉是通過某種形式的能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)生量輸入，使氣相物質(zhì)發(fā)生氣氣固相變固相變或氣相化學反應(yīng)或氣相化學反應(yīng)，生成金屬或陶瓷粉，生成金屬或陶瓷粉體。體。v 物理氣相沉積法物理氣相沉積法 ( (phisical vapor deposition PVDPVD) )v 化學氣相沉積法化學氣相沉積法 ( (chemical vapor deposition CVDCVD) )第79頁/共104頁一、化學氣相沉積的反應(yīng)類型一、化學氣相沉積的反應(yīng)類型分解反應(yīng))()()(氣固氣nNmMaA化學氣相

31、沉積法化學氣相沉積法)()()()(氣固氣氣nNmMbBaA化合反應(yīng) 從氣態(tài)金屬鹵化物（主從氣態(tài)金屬鹵化物（主要指氯化物）還原化合沉積要指氯化物）還原化合沉積制取難溶化合物粉末和各種制取難溶化合物粉末和各種涂層，包括碳化物、硼化物、涂層，包括碳化物、硼化物、硅化物和氮化物等的方法。硅化物和氮化物等的方法。第80頁/共104頁二、化學氣相沉積制粉原理二、化學氣相沉積制粉原理1. 化學反應(yīng)化學反應(yīng)2. 2. 均相形核均相形核3. 3. 晶粒生長晶粒生長4. 4. 團團 聚聚制粉過程包括四個步驟制粉過程包括四個步驟：第81頁/共104頁0lnbBnNoPPRTGG化合反應(yīng)化合反應(yīng)由上式可知，化學氣相

32、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1.1.化學反應(yīng)化學反應(yīng)對一個確定的化學反應(yīng)，判斷其能否進行的熱力學判據(jù)為：0lnaAnNoPPRTGG分解反應(yīng)分解反應(yīng)第82頁/共104頁 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，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，當反應(yīng)進行到一定程度時，產(chǎn)物蒸氣濃度達到過飽和狀態(tài)，當反應(yīng)進行到一定程度時，產(chǎn)物蒸氣濃度達到過飽和狀態(tài)，這時產(chǎn)物晶核就會形成。由于體系中無晶種或晶核生成基這時產(chǎn)物晶核就會形成。由于體系中無晶種或晶核生成基底，因此反應(yīng)產(chǎn)物晶核的形成是個底，因此反應(yīng)產(chǎn)物晶核的形成是個均勻形核均勻形核過程。

33、過程。2.2.均勻形核均勻形核結(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，對晶體生成越有利。第83頁/共104頁 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散遷移速率所控制。3.3.晶粒生長晶粒生長 第84頁/共104頁 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)象被稱為團聚。對于超微粉末，團聚是一個普遍存在并不容忽視的問題，在實際使用超微粉末時，如果不能有效地

34、解決團聚問題，則粉末就可能失去其特有的性質(zhì)。4.4.團團 聚聚 第85頁/共104頁三、化學氣相沉積類型三、化學氣相沉積類型 熱分解法熱分解法 氣固氣242HCCH熱分解法中最為典型的就是羰基物熱分解，它是一種由金屬羰基化合物加熱分解制取粉末的方法，整個過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是制備金屬羰基化合物制備金屬羰基化合物neCOM第86頁/共104頁 )(44氣固CONiCONi第一步：合成羰基鎳第一步：合成羰基鎳第二步：羰基鎳熱分解第二步：羰基鎳熱分解CONiCONi4)(4氣第87頁/共104頁氣 相 氫 還 原 還原劑-氫氣氣相金屬熱還原 還原劑-低熔點、低沸點的金屬（Mg、Ca、Na）兩類反應(yīng)的反應(yīng)

35、物均選用低沸點的金屬鹵化物且以氯化物為主HClMeHMeCln2 氣相還原法氣相還原法第88頁/共104頁 復合反應(yīng)法是一種重要的制取無機化合物，包括碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，這種方法既可制備各種陶瓷粉體也可進行陶瓷薄膜的沉積。所用的原料是金屬鹵化物(以氯化物為主)，在一定溫度下，以氣態(tài)參與化學反應(yīng)。 復合反應(yīng)法復合反應(yīng)法第89頁/共104頁HClCMeHHCMeClbanmx2 氣固氣氣HClTiCHHCTiCl63228341. 碳化物反應(yīng)通式碳化物反應(yīng)通式第90頁/共104頁HClNMeNHMeClbax3HClNMeHNMeClbax22 氣固氣HClNSiNHSiCl2443342. 氮化物反應(yīng)通式氮化物反應(yīng)通式第91頁/共104頁HClBMeHBClMeClbax