第二章粉末材料制備課件

1、第二章 粉末材料制備1第一節(jié) 概述1 材料的發(fā)展歷史與制粉的關(guān)系 22 制粉的目的從材料制備的角度：各種不同形狀的制備。提高堆積密度和素坯密度（對于壓制成形）。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。 從材料性能的角度：顆粒細(xì)化對表面積、表層原子比例的影響，進(jìn)而對材料性能的影響。3以邊長為1cm的立方體細(xì)化為5m的小立方體為例 43 理想粉末材料應(yīng)有的特性 化學(xué)組成精確。 化學(xué)組成均勻性好。 純度高。 適當(dāng)小的顆粒尺寸。 球狀顆粒，且尺寸均勻單一。 分散性好，團(tuán)聚少。 5第一節(jié) 概述4 幾個基本概念 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。一次顆粒：即單個顆粒，指內(nèi)部沒

2、有孔隙的致密材料，可以是非晶、單晶或多晶。二次顆粒：由單個顆粒以弱結(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近。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。675 粉末材料的應(yīng)用 86 制粉方法的分類 機械制粉：通過機械破碎、研磨或氣流研磨的方法物理制粉：采用蒸發(fā)凝聚或液體霧化的方法化學(xué)制粉：依靠化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)過程機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、制備工藝簡單等特點。物理法和化學(xué)法，是通過相變或化學(xué)反應(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)，成本相對較高。 9第二節(jié) 機械制粉方法

3、1 機械研磨法 球磨制粉的四個基本要素：球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介質(zhì)。 球磨方式：滾筒式、振動式、攪動式。提高球磨效率的兩個基本準(zhǔn)則。（1）動能準(zhǔn)則：提高磨球的動能。（2）碰撞幾率準(zhǔn)則：提高磨球的有效碰撞幾率。 101.1 滾筒式球磨 111.1.1 運動形式分析球磨機轉(zhuǎn)速的限定條件：V臨1V實際V臨2121.1.2 外層磨球的運動分析外層磨球的基本運動方程131.1.3 影響球磨的因素（1）球磨筒的轉(zhuǎn)速：對應(yīng)著不同的運動狀態(tài)（2）裝球量：裝填系數(shù)以0.4左右為宜（3）球料比：裝料量以填滿球間空隙并掩蓋住球體表面為原則（4）球的大?。阂话闶谴笮〔煌那蚺浜鲜褂茫?）研磨介質(zhì)：干態(tài)、濕態(tài)（液

4、體介質(zhì)）（6）物料的性質(zhì)：強度、硬度、脆性、韌性等141.2 振動球磨 15特點： 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； 傳動方式是直接與電機相連，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。 161.3 攪拌球磨17特點： 不存在臨界轉(zhuǎn)速的限制，因而磨球的動能大大增加； 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。182 氣流研磨法 是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和介質(zhì)。研磨時，粉料隨著高速氣流的流動獲得動能，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顆粒細(xì)化。 提高氣流研

5、磨效率的兩條準(zhǔn)則。（1）動能準(zhǔn)則：提高粉末顆粒的動能。（2）碰撞幾率準(zhǔn)則：提高粉末顆粒的碰撞幾率。 192.1 旋渦研磨 202.2 冷流沖擊 21222.3 流態(tài)化床氣流磨 233 粉碎機械力化學(xué) 固體物質(zhì)在各種形式的機械力作用下所誘發(fā)的化學(xué)變化和物理化學(xué)變化稱為機械力化學(xué)效應(yīng)。（1）粉碎平衡：物料粉碎至一定時間后，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。 （2）晶格畸變：晶格中質(zhì)點的排列部分失去其點陣結(jié)構(gòu)的周期性導(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。 （3）晶型轉(zhuǎn)變：在常溫下由于機械力的作用常常會發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變。 （4）化學(xué)變化：發(fā)生脫水效應(yīng)、固相反應(yīng)等。 24第三節(jié)

6、物理制粉方法1 霧化法 25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，防止液體微粒的再次聚集。 261.1 雙流霧化法 271.2 離心霧化法 281.3 霧化制粉的特性 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)，能夠增加金屬元素的固溶度。 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。 292 物理蒸發(fā)冷凝法 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。 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

7、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。 30313 溶劑蒸發(fā)法 3.1 噴霧法將溶液噴霧至熱風(fēng)中使之快速干燥的方法。也被廣泛應(yīng)用于造粒。 323.2 冷凍干燥法 33第四節(jié) 化學(xué)制粉方法1 化學(xué)氣相沉積法1.1 原理經(jīng)歷四個步驟：化學(xué)反應(yīng)、均勻形核、晶粒生長、團(tuán)聚。（1）化學(xué)反應(yīng)熱力學(xué)判據(jù)反應(yīng)的控制因素34（2）均勻形核均勻形核：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：體系借助于晶種或晶核生成基底的成核過程。 35（3）晶粒生長兩種途徑：對氣相產(chǎn)物分子的吸附與重構(gòu)使自身長大；核坯顆粒相互之間發(fā)生碰撞結(jié)合而長大。后者是粒子后期長大的

8、主要原因。（4）團(tuán)聚粉體顆粒之間由于存在著較弱的吸附力作用（范德華力、靜電力等），顆粒之間會發(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。361.2 類型（1）熱分解法金屬羰基化合物的制取及熱分解。（2）氣相還原法氣相氫還原和氣相金屬熱還原。（3）復(fù)合反應(yīng)法是制備無機化合物的重要方法。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)。 372 還原-化合法 2.1 基本原理 （1）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化物的離解壓。（2）金屬氧化物還原的動力學(xué) 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。多相反應(yīng)：在反應(yīng)體系的反應(yīng)物之間

9、有界面存在的化學(xué)反應(yīng)。38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)，可以是擴散、化學(xué)反應(yīng)或其他中間環(huán)節(jié)。 2.2 制粉方法（1）碳還原法（2）氣體還原法（3）金屬熱還原法（4）還原-化合法393 電化學(xué)法 3.1 原理電化學(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)）。 3.2 過程 40413.3 影響因素電流密度金屬離子濃度氫離子濃度電解液溫度424 其他方法 4.1 固相合成法 （1）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。應(yīng)注意反應(yīng)溫度與母鹽的選擇。 43通常在較低溫度時，隨溫度升高，成核速率增大，但隨溫度繼續(xù)升高，核

10、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，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)物粒徑相對較小，能量大，活性高。 44（2）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)的離子擴散使反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，因此反應(yīng)物的粒徑應(yīng)細(xì)?。槐仨毧刂坪梅磻?yīng)的溫度和時間。 45（3）氧化還原法非氧化物陶瓷粉體多采用氧化還原法制備如SiC粉體的制備464.2 液相合成法 （1）沉淀法的原理在難溶鹽的溶液中，當(dāng)濃度大于它在該溫

11、度下的溶解度時，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)分子擴散到晶核表面使其長大成為晶粒。 47（2）沉淀法的類型 直接沉淀法在鹽溶液中直接滴加沉淀劑，利用沉淀反應(yīng)得到沉淀物，經(jīng)過濾、洗滌、干燥、煅燒獲得所需粉體。 鹽溶液滴加沉淀劑攪拌沉淀物洗滌干燥煅燒粉體。常使用銨鹽法或草酸鹽法。AlCl3+3NH4OHAl(OH)3+3NH4Cl2Al(OH)3Al2O3+3H2O48 共沉淀法兩種或兩種以上金屬鹽溶液的混合沉淀過程?；旌辖饘冫}溶液加入沉淀劑組成均勻的混合沉淀洗滌干燥煅燒復(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。4950 均勻沉淀法沉淀劑不是從外部加入，而

12、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。 沉淀劑多為尿素，加熱到90時：(NH2)2CO+H2O2NH3+CO2（3）影響因素濃度、溫度、pH值、沉淀劑加入方式、反應(yīng)時間等。51第五節(jié) 粉末顆粒大小的表征與測量 1 顆粒大小的表征1.1 單顆粒的粒徑不規(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。（1）三軸徑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。5253（2）當(dāng)量徑顆粒與球或投影圓有某種等量關(guān)系的球或投影圓的直徑。 54（3）定向徑沿一定方向的顆粒的一維尺度。 551.2 粉體的粒徑（1）平均粒徑 假設(shè)顆粒為立方體，利用顆粒群的總長(nd)、總表面積(6nd2)、總體積(nd3)、總質(zhì)量(nd3)、比表面積(6nd2)/(nd3)等物理量可推導(dǎo)出顆粒群的平均粒徑表達(dá)式。 56（2）粒度分布頻率分布與累積分布5758中位粒徑：粉體的質(zhì)量（或個數(shù)）累積分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時所對應(yīng)的粒徑。 592 粒度測定2.1 篩分法目：篩網(wǎng)上1英寸（25.4mm）長度內(nèi)的網(wǎng)孔數(shù)。不同目數(shù)篩孔的制定規(guī)則：以200目的篩孔尺寸0.074mm為基準(zhǔn)，乘或除2n/2或2n/4。 602.2 激光衍射法原理：光照到顆粒時產(chǎn)生衍射現(xiàn)