第二章粉末材料制備

1、1第二章第二章 粉末材料制備粉末材料制備2第一節(jié)第一節(jié) 概概述述3從材料制備的角度：從材料制備的角度：各種不同形狀的制備。各種不同形狀的制備。提高堆積密度和素坯密度（對(duì)于壓制成形）。提高堆積密度和素坯密度（對(duì)于壓制成形）。改善制品中多組分之間的混合均勻度。改善制品中多組分之間的混合均勻度。促進(jìn)制品的燒成與致密。促進(jìn)制品的燒成與致密。 從材料性能的角度：從材料性能的角度：顆粒細(xì)化對(duì)表面積、表層原子比例的影響，進(jìn)而對(duì)顆粒細(xì)化對(duì)表面積、表層原子比例的影響，進(jìn)而對(duì)材料性能的影響。材料性能的影響。4以邊長為以邊長為1cm的立方體細(xì)化為的立方體細(xì)化為5 m的小立方體為例的小立方體為例 5 化學(xué)組成精確?；?/p>

2、學(xué)組成精確。 化學(xué)組成均勻性好?；瘜W(xué)組成均勻性好。 純度高。純度高。 適當(dāng)小的顆粒尺寸。適當(dāng)小的顆粒尺寸。 球狀顆粒，且尺寸均勻單一。球狀顆粒，且尺寸均勻單一。 分散性好，團(tuán)聚少。分散性好，團(tuán)聚少。 6粉體：指的是在常態(tài)下以較細(xì)的粉粒狀態(tài)存在的物粉體：指的是在常態(tài)下以較細(xì)的粉粒狀態(tài)存在的物料。料。一次顆粒：即單個(gè)顆粒，指內(nèi)部沒有孔隙的致密材一次顆粒：即單個(gè)顆粒，指內(nèi)部沒有孔隙的致密材料，可以是非晶、單晶或多晶。二次顆粒：由單個(gè)顆料，可以是非晶、單晶或多晶。二次顆粒：由單個(gè)顆粒以弱結(jié)合力構(gòu)成，包含了一次顆粒與孔隙。粒以弱結(jié)合力構(gòu)成，包含了一次顆粒與孔隙。單分散體系：組成粉體系統(tǒng)的顆粒粒徑相等或相

3、近。單分散體系：組成粉體系統(tǒng)的顆粒粒徑相等或相近。多分散體系：組成粉體系統(tǒng)的顆粒粒徑不相等，在一多分散體系：組成粉體系統(tǒng)的顆粒粒徑不相等，在一定的范圍內(nèi)變化。定的范圍內(nèi)變化。789機(jī)械制粉：機(jī)械制粉：通過機(jī)械破碎、研磨或氣流研磨的方法物理制粉：物理制粉：采用蒸發(fā)凝聚或液體霧化的方法化學(xué)制粉：化學(xué)制粉：依靠化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)過程機(jī)械法制備的粉體粒度有一定限制，而且制備過程機(jī)械法制備的粉體粒度有一定限制，而且制備過程中極易引入雜質(zhì)，但具有成本低、產(chǎn)量高、制備工藝中極易引入雜質(zhì)，但具有成本低、產(chǎn)量高、制備工藝簡單等特點(diǎn)。物理法和化學(xué)法，是通過相變或化學(xué)反簡單等特點(diǎn)。物理法和化學(xué)法，是通過相變或化學(xué)反應(yīng)

4、，經(jīng)歷晶核形成和晶體生長形成固體粒子，其工藝應(yīng)，經(jīng)歷晶核形成和晶體生長形成固體粒子，其工藝過程精細(xì)，成本相對(duì)較高。過程精細(xì)，成本相對(duì)較高。 10第二節(jié)第二節(jié) 機(jī)械制粉方法機(jī)械制粉方法球磨制粉的四個(gè)基本要素：球磨筒、磨球、研磨物球磨制粉的四個(gè)基本要素：球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介質(zhì)。料、研磨介質(zhì)。 球磨方式：滾筒式、振動(dòng)式、攪動(dòng)式。球磨方式：滾筒式、振動(dòng)式、攪動(dòng)式。提高球磨效率的兩個(gè)基本準(zhǔn)則。（提高球磨效率的兩個(gè)基本準(zhǔn)則。（1）動(dòng)能準(zhǔn)則：提）動(dòng)能準(zhǔn)則：提高磨球的動(dòng)能。（高磨球的動(dòng)能。（2）碰撞幾率準(zhǔn)則：提高磨球的有）碰撞幾率準(zhǔn)則：提高磨球的有效碰撞幾率。效碰撞幾率。 11121.1.1 運(yùn)動(dòng)形

5、式分析運(yùn)動(dòng)形式分析球磨機(jī)轉(zhuǎn)速的限定條件：球磨機(jī)轉(zhuǎn)速的限定條件：V臨臨1V實(shí)際實(shí)際V臨臨2131.1.2 外層磨球的運(yùn)動(dòng)分析外層磨球的運(yùn)動(dòng)分析外層磨球的基本外層磨球的基本運(yùn)動(dòng)方程運(yùn)動(dòng)方程/900nRcos20D/42.4V2臨D/32.2V適宜141.1.3 影響球磨的因素影響球磨的因素（1）球磨筒的轉(zhuǎn)速：對(duì)應(yīng)著不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)）球磨筒的轉(zhuǎn)速：對(duì)應(yīng)著不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（2）裝球量：裝填系數(shù)以）裝球量：裝填系數(shù)以0.4左右為宜左右為宜（3）球料比：裝料量以填滿球間空隙并掩蓋住球體）球料比：裝料量以填滿球間空隙并掩蓋住球體表面為原則表面為原則（4）球的大?。阂话闶谴笮〔煌那蚺浜鲜褂茫┣虻拇笮。阂话闶谴笮?/p>

6、不同的球配合使用（5）研磨介質(zhì)：干態(tài)、濕態(tài)（液體介質(zhì)）研磨介質(zhì)：干態(tài)、濕態(tài)（液體介質(zhì)）（6）物料的性質(zhì)：強(qiáng)度、硬度、脆性、韌性等）物料的性質(zhì)：強(qiáng)度、硬度、脆性、韌性等1516特點(diǎn)：特點(diǎn)： 不存在滾筒球磨的上下臨界轉(zhuǎn)速的限制，是一種不存在滾筒球磨的上下臨界轉(zhuǎn)速的限制，是一種高能、高效的研磨方法；高能、高效的研磨方法； 傳動(dòng)方式是直接與電機(jī)相連，因而能高速工作；傳動(dòng)方式是直接與電機(jī)相連，因而能高速工作； 粉料與磨球的填充率均較高，生產(chǎn)效率高。粉料與磨球的填充率均較高，生產(chǎn)效率高。 1718特點(diǎn)：特點(diǎn)： 不存在臨界轉(zhuǎn)速的限制，因而磨球的動(dòng)能大大增不存在臨界轉(zhuǎn)速的限制，因而磨球的動(dòng)能大大增加；加； 通

7、過提高攪拌轉(zhuǎn)速、減小磨球直徑的辦法可以提通過提高攪拌轉(zhuǎn)速、減小磨球直徑的辦法可以提高磨球的總撞擊幾率。高磨球的總撞擊幾率。19是通過氣體傳輸粉料的一種研磨方法。與機(jī)械研磨是通過氣體傳輸粉料的一種研磨方法。與機(jī)械研磨法不同的是，氣流研磨不需要磨球和介質(zhì)。研磨時(shí)，法不同的是，氣流研磨不需要磨球和介質(zhì)。研磨時(shí)，粉料隨著高速氣流的流動(dòng)獲得動(dòng)能，通過粉末顆粒間粉料隨著高速氣流的流動(dòng)獲得動(dòng)能，通過粉末顆粒間的相互摩擦，撞擊或顆粒與制粉裝置間的撞擊使粗大的相互摩擦，撞擊或顆粒與制粉裝置間的撞擊使粗大顆粒細(xì)化。顆粒細(xì)化。 提高氣流研磨效率的兩條準(zhǔn)則。（提高氣流研磨效率的兩條準(zhǔn)則。（1）動(dòng)能準(zhǔn)則：提）動(dòng)能準(zhǔn)則：

8、提高粉末顆粒的動(dòng)能。（高粉末顆粒的動(dòng)能。（2）碰撞幾率準(zhǔn)則：提高粉末）碰撞幾率準(zhǔn)則：提高粉末顆粒的碰撞幾率。顆粒的碰撞幾率。 2021222324固體物質(zhì)在各種形式的機(jī)械力作用下所誘發(fā)的化學(xué)變化和物固體物質(zhì)在各種形式的機(jī)械力作用下所誘發(fā)的化學(xué)變化和物理化學(xué)變化稱為機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)。理化學(xué)變化稱為機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)。（1）粉碎平衡：物料粉碎至一定時(shí)間后，粒度和比表面積）粉碎平衡：物料粉碎至一定時(shí)間后，粒度和比表面積不再明顯變化而穩(wěn)定在某一數(shù)值附近。不再明顯變化而穩(wěn)定在某一數(shù)值附近。 （2）晶格畸變：晶格中質(zhì)點(diǎn)的排列部分失去其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的）晶格畸變：晶格中質(zhì)點(diǎn)的排列部分失去其點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的周期性導(dǎo)致晶面間距發(fā)

9、生變化、晶格缺陷以及形成非晶態(tài)結(jié)周期性導(dǎo)致晶面間距發(fā)生變化、晶格缺陷以及形成非晶態(tài)結(jié)構(gòu)等。構(gòu)等。 （3）晶型轉(zhuǎn)變：在常溫下由于機(jī)械力的作用常常會(huì)發(fā)生晶）晶型轉(zhuǎn)變：在常溫下由于機(jī)械力的作用常常會(huì)發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。型轉(zhuǎn)變。 （4）化學(xué)變化：發(fā)生脫水效應(yīng)、固相反應(yīng)等。）化學(xué)變化：發(fā)生脫水效應(yīng)、固相反應(yīng)等。 25第三節(jié)第三節(jié) 物理制粉方法物理制粉方法26提高霧化制粉效率的兩條基本準(zhǔn)則：提高霧化制粉效率的兩條基本準(zhǔn)則：能量交換準(zhǔn)則：提高液體從系統(tǒng)中吸收能量的效能量交換準(zhǔn)則：提高液體從系統(tǒng)中吸收能量的效率，以利于表面自由能的增加；率，以利于表面自由能的增加； 快速凝固準(zhǔn)則：提高霧化液滴的冷卻速度，防止快速凝固

10、準(zhǔn)則：提高霧化液滴的冷卻速度，防止液體微粒的再次聚集。液體微粒的再次聚集。 272829 霧化制粉主要用于金屬或合金。霧化制粉主要用于金屬或合金。 霧化制粉是一種快速凝固技術(shù)，能夠增加金屬元霧化制粉是一種快速凝固技術(shù)，能夠增加金屬元素的固溶度。素的固溶度。 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。 可獲得細(xì)晶、微晶、準(zhǔn)晶直至非晶粉末?？色@得細(xì)晶、微晶、準(zhǔn)晶直至非晶粉末。 30采用不同的能量輸入方式，使金屬汽化，然后再在采用不同的能量輸入方式，使金屬汽化，然后再在冷凝壁上沉積，從而獲得金屬粉末。冷凝壁上沉積，從而獲得金屬粉末。 按能量輸入方式來劃分，物理蒸發(fā)冷凝法

11、可分為：按能量輸入方式來劃分，物理蒸發(fā)冷凝法可分為：電阻加熱方式、等離子體加熱方式、激光加熱方式、電阻加熱方式、等離子體加熱方式、激光加熱方式、電子束加熱方式、高頻感應(yīng)加熱方式。電子束加熱方式、高頻感應(yīng)加熱方式。 3132將溶液噴霧至熱風(fēng)中使將溶液噴霧至熱風(fēng)中使之快速干燥的方法。之快速干燥的方法。也被廣泛應(yīng)用于造粒。也被廣泛應(yīng)用于造粒。 3334第四節(jié)第四節(jié) 化學(xué)制粉方法化學(xué)制粉方法經(jīng)歷四個(gè)步驟：化學(xué)反應(yīng)、均勻形核、晶粒生長、經(jīng)歷四個(gè)步驟：化學(xué)反應(yīng)、均勻形核、晶粒生長、團(tuán)聚。團(tuán)聚。（1）化學(xué)反應(yīng)）化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)判據(jù)熱力學(xué)判據(jù)反應(yīng)的控制因素反應(yīng)的控制因素35（2）均勻形核）均勻形核均勻形核：體系

12、中無晶種或晶核生成基底，晶核在均勻形核：體系中無晶種或晶核生成基底，晶核在體系中形成的幾率處處相同的成核過程。非均勻形核：體系中形成的幾率處處相同的成核過程。非均勻形核：體系借助于晶種或晶核生成基底的成核過程。體系借助于晶種或晶核生成基底的成核過程。 36（3）晶粒生長）晶粒生長兩種途徑：對(duì)氣相產(chǎn)物分子的吸附與重構(gòu)兩種途徑：對(duì)氣相產(chǎn)物分子的吸附與重構(gòu)使使自身長自身長大；核坯顆粒相互之間發(fā)生碰撞結(jié)合而長大。后者是大；核坯顆粒相互之間發(fā)生碰撞結(jié)合而長大。后者是粒子后期長大的主要原因。粒子后期長大的主要原因。（4）團(tuán)聚）團(tuán)聚粉體顆粒之間由于存在著較弱的吸附力作用（范德粉體顆粒之間由于存在著較弱的吸附

13、力作用（范德華力、靜電力等），顆粒之間會(huì)發(fā)生聚集，顆粒越小華力、靜電力等），顆粒之間會(huì)發(fā)生聚集，顆粒越小聚集效果越明顯，這一現(xiàn)象稱為團(tuán)聚。聚集效果越明顯，這一現(xiàn)象稱為團(tuán)聚。37（1）熱分解法）熱分解法金屬羰基化合物的制取及熱分解。金屬羰基化合物的制取及熱分解。（2）氣相還原法）氣相還原法氣相氫還原和氣相金屬熱還原。氣相氫還原和氣相金屬熱還原。（3）復(fù)合反應(yīng)法）復(fù)合反應(yīng)法是制備無機(jī)化合物的重要方法。以金屬鹵化物與相是制備無機(jī)化合物的重要方法。以金屬鹵化物與相應(yīng)的氣態(tài)化合物發(fā)生氣相反應(yīng)。應(yīng)的氣態(tài)化合物發(fā)生氣相反應(yīng)。 38（1）金屬氧化物還原的熱力學(xué)）金屬氧化物還原的熱力學(xué)金屬氧化物的離解壓還原劑氧

14、化物的離解壓。金屬氧化物的離解壓還原劑氧化物的離解壓。（2）金屬氧化物還原的動(dòng)力學(xué)）金屬氧化物還原的動(dòng)力學(xué) 均相反應(yīng)：在單相（固相、液相、氣相）中進(jìn)行的均相反應(yīng)：在單相（固相、液相、氣相）中進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)，即在反應(yīng)過程中與其他物相沒有物質(zhì)交換。化學(xué)反應(yīng)，即在反應(yīng)過程中與其他物相沒有物質(zhì)交換。多相反應(yīng)：在反應(yīng)體系的反應(yīng)物之間有界面存在的化多相反應(yīng)：在反應(yīng)體系的反應(yīng)物之間有界面存在的化學(xué)反應(yīng)。學(xué)反應(yīng)。39金屬氧化物的還原屬于多相反應(yīng)而非均相反應(yīng)。金屬氧化物的還原屬于多相反應(yīng)而非均相反應(yīng)。多相反應(yīng)速度的控制環(huán)節(jié)，取決速度最慢的環(huán)節(jié)，多相反應(yīng)速度的控制環(huán)節(jié)，取決速度最慢的環(huán)節(jié)，可以是擴(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)或其

15、他中間環(huán)節(jié)?？梢允菙U(kuò)散、化學(xué)反應(yīng)或其他中間環(huán)節(jié)。 （1）碳還原法）碳還原法（2）氣體還原法）氣體還原法（3）金屬熱還原法）金屬熱還原法（4）還原）還原-化合法化合法40電化學(xué)體系（陰、陽極和電解液）。電化學(xué)體系（陰、陽極和電解液）。電化學(xué)反應(yīng)（陰極和陽極反應(yīng)）。電化學(xué)反應(yīng)（陰極和陽極反應(yīng)）。 4142電流密度電流密度金屬離子濃度金屬離子濃度氫離子濃度氫離子濃度電解液溫度電解液溫度43（1）熱分解法）熱分解法通過在母鹽中產(chǎn)生核以及核的長大過程而生成產(chǎn)物。通過在母鹽中產(chǎn)生核以及核的長大過程而生成產(chǎn)物。應(yīng)注意反應(yīng)溫度與母鹽的選擇。應(yīng)注意反應(yīng)溫度與母鹽的選擇。 OHMgOOHMgCOZnOZnCOCO

16、CaOCaCO222323)(44通常在較低溫度時(shí)，隨溫度升高，成核速率增大，通常在較低溫度時(shí)，隨溫度升高，成核速率增大，但隨溫度繼續(xù)升高，核的生長速率增大，而成核速率但隨溫度繼續(xù)升高，核的生長速率增大，而成核速率卻減小。因此，為了獲得粒徑細(xì)小的粉體，必須在最卻減小。因此，為了獲得粒徑細(xì)小的粉體，必須在最大成核速度的溫度下進(jìn)行熱分解。大成核速度的溫度下進(jìn)行熱分解。不同鹽類由于陰離子（或陰離子團(tuán)）的種類不同，不同鹽類由于陰離子（或陰離子團(tuán)）的種類不同，其分解溫度也不同。如果鹽的熱分解溫度低，則分解其分解溫度也不同。如果鹽的熱分解溫度低，則分解后的產(chǎn)物粒徑相對(duì)較小，能量大，活性高。后的產(chǎn)物粒徑相對(duì)

17、較小，能量大，活性高。 45（2）化合反應(yīng)法）化合反應(yīng)法 由于反應(yīng)是在多種成分固體之間進(jìn)行，因此應(yīng)保證由于反應(yīng)是在多種成分固體之間進(jìn)行，因此應(yīng)保證各反應(yīng)物的均勻混合；固相反應(yīng)一般發(fā)生在固體顆粒各反應(yīng)物的均勻混合；固相反應(yīng)一般發(fā)生在固體顆粒的接觸面上，并通過固體內(nèi)的離子擴(kuò)散使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)的接觸面上，并通過固體內(nèi)的離子擴(kuò)散使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，因此反應(yīng)物的粒徑應(yīng)細(xì)小；必須控制好反應(yīng)的溫行，因此反應(yīng)物的粒徑應(yīng)細(xì)??；必須控制好反應(yīng)的溫度和時(shí)間。度和時(shí)間。 232232423223232323SiOOAlSiOOAlOMgAlMgOOAlCOBaTiOTiOBaCO46（3）氧化還原法）氧化還原法非氧化物陶瓷粉

18、體多采用氧化還原法制備非氧化物陶瓷粉體多采用氧化還原法制備如如SiC粉體的制備粉體的制備47（1）沉淀法的原理）沉淀法的原理在難溶鹽的溶液中，當(dāng)濃度大于它在該溫度下的溶在難溶鹽的溶液中，當(dāng)濃度大于它在該溫度下的溶解度時(shí)，就出現(xiàn)沉淀。解度時(shí)，就出現(xiàn)沉淀。 溶質(zhì)分子或離子互相碰撞聚結(jié)成晶核，然后溶質(zhì)分溶質(zhì)分子或離子互相碰撞聚結(jié)成晶核，然后溶質(zhì)分子擴(kuò)散到晶核表面使其長大成為晶粒。子擴(kuò)散到晶核表面使其長大成為晶粒。 48（2）沉淀法的類型）沉淀法的類型 直接沉淀法直接沉淀法在鹽溶液中直接滴加沉淀劑，利用沉淀反應(yīng)得到沉在鹽溶液中直接滴加沉淀劑，利用沉淀反應(yīng)得到沉淀物，經(jīng)過濾、洗滌、干燥、煅燒獲得所需粉體

19、。淀物，經(jīng)過濾、洗滌、干燥、煅燒獲得所需粉體。 鹽溶液鹽溶液滴加沉淀劑滴加沉淀劑攪拌攪拌沉淀物沉淀物洗滌洗滌干燥干燥煅燒煅燒粉體。粉體。常使用銨鹽法或草酸鹽法。常使用銨鹽法或草酸鹽法。AlCl3+3NH4OHAl(OH)3+3NH4Cl2Al(OH)3Al2O3+3H2O49 共沉淀法共沉淀法兩種或兩種以上金屬鹽溶液的混合沉淀過程。兩種或兩種以上金屬鹽溶液的混合沉淀過程。混合金屬鹽溶液混合金屬鹽溶液加入沉淀劑加入沉淀劑組成均勻的混合沉組成均勻的混合沉淀淀洗滌洗滌干燥干燥煅燒煅燒復(fù)合氧化物。復(fù)合氧化物。很容易發(fā)生分步沉淀，導(dǎo)致合成的粉體組成不均勻。很容易發(fā)生分步沉淀，導(dǎo)致合成的粉體組成不均勻。5

20、0氨水PEGYCl3ZrOCl2AlCl3混合溶液共沉淀，pH=9醇洗Al2O3/ZrO2(Y2O3)粉抽濾水洗除Cl-干燥過篩煅燒乙醇濕磨烘干51 均勻沉淀法均勻沉淀法沉淀劑不是從外部加入，而是在溶液內(nèi)部緩慢均勻沉淀劑不是從外部加入，而是在溶液內(nèi)部緩慢均勻生成的，消除了直接沉淀法的不均勻性。生成的，消除了直接沉淀法的不均勻性。 沉淀劑多為尿素，加熱到沉淀劑多為尿素，加熱到90時(shí)：時(shí)：(NH2)2CO+H2O2NH3+CO2（3）影響因素）影響因素濃度、溫度、濃度、溫度、pH值、沉淀劑加入方式、反應(yīng)時(shí)間等。值、沉淀劑加入方式、反應(yīng)時(shí)間等。52第五節(jié)第五節(jié) 粉末顆粒大小的表征與測量粉末顆粒大小的

21、表征與測量 不規(guī)則形狀的顆粒，其尺寸的表示方法：三軸徑、不規(guī)則形狀的顆粒，其尺寸的表示方法：三軸徑、當(dāng)量徑、定向徑。當(dāng)量徑、定向徑。（1）三軸徑）三軸徑將顆粒放置于每邊與其相切的外接長方體中，長方將顆粒放置于每邊與其相切的外接長方體中，長方體的三條邊為顆粒的三軸徑。體的三條邊為顆粒的三軸徑。5354（2）當(dāng)量徑）當(dāng)量徑顆粒與球或投影圓有某種等量關(guān)系的球或投影圓的顆粒與球或投影圓有某種等量關(guān)系的球或投影圓的直徑。直徑。 55（3）定向徑）定向徑沿一定方向的顆粒的一維尺度。沿一定方向的顆粒的一維尺度。 56（1）平均粒徑）平均粒徑 假設(shè)顆粒為立方體，利用顆粒群的總長假設(shè)顆粒為立方體，利用顆粒群的總長(nd)、總表、總表面積面積(6nd2)、總體積、總體積(nd3)、總質(zhì)量、總質(zhì)