材料合成与制备第四章解析.ppt

材料合成与制备 第四章 粉体的制备与性能 4 粉体的制备与性能 粉体是陶瓷等材料工业操作的基本对象之一。粉体的性质直接影响陶瓷材料的生产工艺过程以及半成品和成品的性质与质量。粉体的制备及其性能等方面的知识是材料科学与工程的重要研究内容。 粉体是颗粒和粉状物料的总称。在许多的工业中,其成品或半成品都被加工制作为粉体,如水泥、瓷釉粉、耐火材料、粉末冶金用金属粉、塑料、橡胶中的填料、涂料、颜料等,不胜枚举。因此,一门新兴的学科《粉体工程学》应运而生,它是研究粉体的性质及加工技术的一门学科。本章将着重就粉体基本性质、制备及其粉碎过程的基本理论设备,分离及分级基本理论和设备等作一简明介绍。 4.1 粉体的基本性质 工业生产中处理的各种粉体,其种类千差万别,生成方式各不相同。如化学反应生成的沉淀,固体颗粒的粉碎,燃烧生成的微粒(如炭黑),气相沉积粉体等。因此,其各种性质也有着显著的差别,而其性质将直接影响到工艺过程的正常进行和原料、半成品和成品的质量。所以了解各种粉体的基本性质十分必要。粉体的基本性质主要分为三个方面: 几何形态性质:包括颗粒形状、粒径、粒度分布、堆积状态以及体视学参数等。 力学性质:力学性质又可分为静力学性质和动力学性质。包括:粉体的休止角、磨擦角、滑动角、流动性以及在流体中的运动性质。 其它物理化学性质:包括粉体的电、磁、光、声、热学性质,以及粘附性、吸附性、凝聚性、湿润性、燃烧性、爆炸性等。 4.1 基本概念 4.1.1 粉体(Powders) 粉体是大量固体粒子的集合体系,表示物质的一种存在形态。它既不同于气体、液体,也与固体有明显的差别。有不少国内外学者认为粉体是物质气、液、固三态以外的第四态。 粉体由一个个固体颗粒构成,所以它仍然具有许多固体的基本性质,例如物质结构、密度等。它与固体的最直观也是最简单的区别在于,当对粉体施加一个作用力(例如用手轻轻触压)时,会表现出固体所不具备的流动性和变形性。 组成粉体的固体颗粒的本性与粒径大小和形状对粉体系统的各种性质有很大的影响,其中较为敏感的有粉体的比表面积、可压缩性与流动性。粉体的粒径大小还直接影响其使用范围。例如土木工程、水利工程等行业所用的粉体粒径范围通常为微米级到厘米级;冶金、火药、食品等行业主要使用40μm~ 1cm粒级的粉体;传统陶瓷材料通常使用微米到毫米级的粉体;一般特种陶瓷材料主要使用0.1~40μm粒级的粉体;纳米相(Nano-phase)材料使用的100nm以下的粉体。 4.1.2 粉体颗粒(Powder particle) 粉体颗粒指在物质的本质结构不发生改变的情况下,通过分散或细化而得到的固态基本颗粒。这种基本颗粒一般是指没有堆积、絮联等结构的最小单元,即一次颗粒。 一次颗粒也不一定是由完整的一粒单晶物质构成。很多外形比较规则的颗粒也常是以完整单晶体的微晶镶嵌结构形态出现。即使是由完整的一粒单晶体构成,也在不同程度上存在一些诸如表面层错等缺陷,尤其是通过机械方法得到的粉体。 与一次颗粒相对应,存在由两个或两个以上的一次颗粒通过粘附、机械纠缠等形成的二次颗粒,也称为假颗粒或粉体团聚体。这种现象在微米级以下的粉体系统中尤为常见。这是因为细颗粒的粉体比表面积大以及其表面存在各种不平衡键力/悬键等,使一次颗粒在范德华力、静电引力、磁力、吸附水分引起的毛细管力以及颗粒表面不平滑引起的机械纠缠力等使颗粒产生不同程度团聚,形成所谓的二次颗粒。显然,粉体系统的粒度越小,粉体颗粒的团聚程度就越大。 4.1.3 粒径(particle size) 粒径是表示粉体颗粒尺寸大小的几何参数,是粉体的重要性能指标之一。粒径又称粒度。粒径的定义和表示方法由于颗粒的形状、大小和粒度组成的不同而异,同时也与颗粒的形成过程、测试方法和具体应用密切相关。 实践中遇到的粉体颗粒形状通常是不规则的,如何按一定方法确定和表达其尺寸大小以便于计算和分析,也就是粒径如何表达和定义需根据颗粒形状、大小、组成,同时,又兼顾形成过程、测试方法和实际用途来确定。而对一堆形状不规则而大小又各不相同的颗粒群,除算出单颗粒的平均径外,还要将不同大小的单颗粒径再加以平均,确定一个能代表全部颗粒的平均尺寸。通常将粒径分为单个颗粒粒径和颗粒群平均颗粒粒径两类。 4.1.4 单颗粒粒径 球形颗粒:直径; 立方体颗粒:边长或对角线长度; 规则多面体:外接圆直径; 常见的无规则形状: