第二粉末材料制备精选PPT.ppt

第二粉末材料制备第1页，本讲稿共134页2.1 粉末冶金概述粉末冶金概述1、粉体材料发展历史、粉体材料发展历史 陶瓷、粉末冶金陶瓷、粉末冶金2、粉末冶金、粉末冶金Powder Metallurgy 粉末冶金粉末冶金是制取金属或用金属粉末（或是制取金属或用金属粉末（或金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原金属粉末与非金属粉末的混合物）作为原料，经过成形和烧结，制造金属材料、复料，经过成形和烧结，制造金属材料、复合以及各种类型制品的工艺技术。合以及各种类型制品的工艺技术。第2页，本讲稿共134页（1 1）粉末冶金方法能生产用）粉末冶金方法能生产用普通熔炼法普通熔炼法无无法生产的具有特殊性能的材料；法生产的具有特殊性能的材料；新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高新型多孔生物材料，多孔分离膜材料、高性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等；性能结构陶瓷和功能陶瓷材料等；可实现多种类型材料的复合可实现多种类型材料的复合，如金属与非，如金属与非金属组成的摩擦材料；金属组成的摩擦材料；能生产各种复合材料；能生产各种复合材料；第3页，本讲稿共134页（2 2）粉末冶金方法生产的某些材料，与普）粉末冶金方法生产的某些材料，与普通的熔炼方法相比，通的熔炼方法相比，性能优越性能优越。可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、可以最大限度地减少合金成分偏聚，消除粗大、不均匀的铸造组织。可制备高性能稀土永磁材料、不均匀的铸造组织。可制备高性能稀土永磁材料、稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高稀土储氢材料、稀土发光材料、稀土催化剂、高温超导材料、新型金属材料温超导材料、新型金属材料；可制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体可制备非晶、微晶、准晶、纳米晶和超饱和固溶体等一系列高性能非平衡材料等一系列高性能非平衡材料；第4页，本讲稿共134页粉末冶金的粉末冶金的不足不足之处：之处：粉末的成本高；粉末冶金制品的大小和粉末的成本高；粉末冶金制品的大小和形状受到一定的限制；烧结零件的韧性形状受到一定的限制；烧结零件的韧性较差；较差；第5页，本讲稿共134页原料粉末原料粉末其它添加剂其它添加剂热压热压 松装烧结松装烧结 粉浆烧注粉浆烧注混合混合压制压制等静压制等静压制 轧制轧制 挤压挤压烧结烧结烧结烧结浸适浸适 热处理热处理 电镀电镀预烧结预烧结高温烧结高温烧结 复压复压锻打锻打复烧复烧拉丝拉丝烧结烧结精整精整锻造锻造 轧制轧制 挤压挤压 烧结烧结（浸油）（浸油）热处理热处理粉末冶金成品粉末冶金成品第6页，本讲稿共134页8 机械制粉8 物理制粉8 化学制粉粉末的制备方法粉末的制备方法第7页，本讲稿共134页第8页，本讲稿共134页粉末的特性粉末的特性小尺寸效应、表面与界面效应、量子小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应尺寸效应、宏观量子隧道效应第9页，本讲稿共134页2.2 粉末的制备粉末的制备8 机械研磨机械研磨8 气流研磨气流研磨2.2.1 机械制粉法机械制粉法第10页，本讲稿共134页 机机械械制制粉粉方方法法的的实实质质就就是是利利用用动动能能来来破破坏坏材料的内结合力，使材料分裂产生新的材料的内结合力，使材料分裂产生新的界面界面。一、一、机械研磨法机械研磨法-milling 能够提供动能的方法可以设计出许多种，能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有例如有锤捣、研磨、辊轧锤捣、研磨、辊轧等，其中除研磨外，等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要用于物料破碎及粗其他几种粉碎方法主要用于物料破碎及粗粉制备。粉制备。第11页，本讲稿共134页 物物料料颗颗粒粒受受机机械械力力作作用用而而被被粉粉碎碎时时，还还会会发发生生物物质质结结构构及及表表面面物物理理化化学学性性质质的的变变化化，这这种种因因机机械械载载荷荷作作用用导导致致颗颗粒粒晶晶体体结结构构和和物物理理化化学学性性质质的的变变化化称称为为机机械力化学械力化学。机械研磨的理论基础机械研磨的理论基础 机械力化学机械力化学第12页，本讲稿共134页颗颗粒粒结结构构变变化化，如如表表面面结结构构自自发发地地重重组组，形成非晶态结构或重结晶；形成非晶态结构或重结晶；颗颗粒粒表表面面物物理理化化学学性性质质变变化化，如如表表面面电电性性、物物理理与与化化学学吸吸附附、溶溶解解性性、分分散散与与团团聚聚性性质；质；在在局局部部受受反反复复应应力力作作用用区区域域产产生生化化学学反反应应，如如由由一一种种物物质质转转变变为为另另一一种种物物质质，释释放放出出气气体体、外外来来离离子子进进入入晶晶体体结结构构中中引引起起原物料中化学组成变化。原物料中化学组成变化。第13页，本讲稿共134页球磨制粉包括四个基本要素：球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒球磨筒磨球磨球研磨物料研磨物料研磨介质研磨介质球磨制粉球磨制粉第14页，本讲稿共134页 在球磨过程中，球磨筒将在球磨过程中，球磨筒将机械能机械能传递到筒传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生内的球磨物料及介质上，相互间产生正向冲正向冲击力击力、侧向挤压力侧向挤压力、摩擦力摩擦力等，当这些复杂的等，当这些复杂的外力作用到外力作用到脆性脆性粉末颗粒上时，细化过程实质粉末颗粒上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程；如果粉末的上就是大颗粒的不断解理过程；如果粉末的塑塑性性较强，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着较强，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着磨削磨削、变形变形、加工硬化加工硬化、断裂断裂和和冷焊冷焊等行为，不等行为，不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。则是一致的。第15页，本讲稿共134页A、动能准则：、动能准则：提高提高磨球磨球的动能的动能B、碰撞几率准则：、碰撞几率准则：提高提高磨球磨球的有效碰撞几率的有效碰撞几率球磨制粉的基本原则球磨制粉的基本原则第16页，本讲稿共134页滚筒式滚筒式行星式行星式振动式振动式搅动式搅动式球磨制粉的基本方式球磨制粉的基本方式第17页，本讲稿共134页 转转速速较较低低时时，球球料料混混合合体体与与筒筒壁壁做做相相对对滑滑动动运运动动并并保保持持一一定定的的斜斜度度。随随转转速速的的增增加加，球球料料混混合合体体斜斜度度增增加加，抬升高度加大，这时抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁磨球并不脱离筒壁；转转速速达达一一临临界界值值V V临临1 1时时，磨磨球球开开始始抛抛落落下下来来，形形成了球与筒及球与球间的碰撞；成了球与筒及球与球间的碰撞；转转速速增增加加到到某某一一值值时时，磨磨球球的的离离心心力力大大于于其其重重力力，这这时时磨磨球球、粉粉料料与与磨磨筒筒处处于于相相对对静静止止状状态态，此此时研磨作用停止，这个转速被称为时研磨作用停止，这个转速被称为临界转速临界转速V V临临2 2。第18页，本讲稿共134页 假设假设:只一个球；只一个球；球直径比球磨桶直径小；球直径比球磨桶直径小；球受到两个力作用：球受到两个力作用：P：离心力：离心力 G：重力，：重力，a:加速度，加速度，g：重力加速度：重力加速度 R:球磨筒半径，球磨筒半径，D球磨筒直径球磨筒直径 V 为线速度为线速度；n为球磨筒转速；为球磨筒转速；第19页，本讲稿共134页第20页，本讲稿共134页在抛落点平衡时（在抛落点平衡时（A点）：二力相等，点）：二力相等，PP，线速度线速度v与球磨筒转速与球磨筒转速n之间的关系：之间的关系：所以所以第21页，本讲稿共134页故，临界转速为：故，临界转速为：以以g9.8m/s2代入得：代入得：代入代入得得临临界界状状态态 当当转转速速加加快快，球球不不落落下下，球球转转到到最最高高点点A1点点，此此时时在在这这临临界界状态下，状态下，第22页，本讲稿共134页D是磨筒的直径是磨筒的直径滚筒球磨的转速应有一个限定条件V临临1 V 实际实际 V临临2第23页，本讲稿共134页 限定条件实际上与限定条件实际上与动能准则动能准则相悖，相悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很有限的。因此滚筒球磨的球磨效率是很有限的。为了克服这个不足，人们又进一步开为了克服这个不足，人们又进一步开发了新的球磨方法。发了新的球磨方法。第24页，本讲稿共134页特点特点：通过振动方式输入能量，高能：通过振动方式输入能量，高能高效；能高速工作，结构简单，节能；高效；能高速工作，结构简单，节能；填充率较高，磨粉粒度小，生产效率填充率较高，磨粉粒度小，生产效率高。高。基本规律基本规律：振动频率、振幅越高，粉：振动频率、振幅越高，粉体粒度越细；粉料填充率越大，则粉体粒度越细；粉料填充率越大，则粉末粒度越粗；研磨介质的填充率有一末粒度越粗；研磨介质的填充率有一个最优范围，一般为个最优范围，一般为60%-80%。第25页，本讲稿共134页特点特点：效率较低；转速较慢；填充：效率较低；转速较慢；填充率有限；粉体杂质含量较高；多作率有限；粉体杂质含量较高；多作为实验室研究用。为实验室研究用。行星球磨行星球磨第26页，本讲稿共134页 只只要要转转速速和和装装球球量量合合适适，在在任任何何情情况况下下磨磨筒筒底底部部都都不不会会出出现现死死角角；由由于于磨磨球球的的动动能能是是由由转转轴轴横横臂臂的的搅搅动动提提供供的的，研研磨磨时时不不会会存存在在如如滚滚筒筒球球磨磨那那样样有有临临界界转转速速的限制，因此，磨球的动能大大增加。的限制，因此，磨球的动能大大增加。同同时时还还可可以以采采用用提提高高搅搅动动转转速速、减减小小磨磨球球直直径径的的办办法法来来提提高高磨磨球球的的总总撞撞击击几几率率而而不不减减小小研研磨磨球球的的总总动动能能，这这样样才才符符合合了了提提高高机机械械球球磨磨效效率率的的两两个基本准则。个基本准则。第27页，本讲稿共134页特点特点：研磨效率及能量利用率在机械：研磨效率及能量利用率在机械研磨机中最高；粉体粒度能达到亚微研磨机中最高；粉体粒度能达到亚微米级；适于工业化生产。米级；适于工业化生产。第28页，本讲稿共134页气流研磨法气流研磨法 通过通过气体传输粉料气体传输粉料的一种研磨方法。与机的一种研磨方法。与机械研磨法不同的是，气流研磨械研磨法不同的是，气流研磨不不需要磨球及需要磨球及其它辅助研磨介质。研磨腔内是粉末与气体其它辅助研磨介质。研磨腔内是粉末与气体的的两相混合物两相混合物。根据粉料的化学性质，可采用不同的气源，根据粉料的化学性质，可采用不同的气源，如陶瓷粉多采用空气，而金属粉末则需要用惰如陶瓷粉多采用空气，而金属粉末则需要用惰性气体或还原性气体。由于性气体或还原性气体。由于不使用研磨球及研不使用研磨球及研磨介质磨介质，所以气流研磨粉的化学，所以气流研磨粉的化学纯度纯度一般比一般比机械研磨法的要高。机械研磨法的要高。第29页，本讲稿共134页1.动能准则动能准则：提高粉末颗粒的动能提高粉末颗粒的动能2.碰撞几率准则碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率提高粉末颗粒的碰撞几率气流研磨制粉的基本原则气流研磨制粉的基本原则第30页，本讲稿共134页由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此，提由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此，提高颗粒的动能必须要提高高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度载流气体的速度。两种办法来实现：两种办法来实现：提高气体的入口压力气体喷嘴的气体动力学设计通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达超音速超音速第31页，本讲稿共134页气流研磨三种类型：气流研磨三种类型：旋涡研磨旋涡研磨冷流冲击冷流冲击流态化床气流磨流态化床气流磨第32页，本讲稿共134页旋涡研磨旋涡研磨（汉米塔克研磨机）（汉米塔克研磨机）（汉米塔克研磨机）（汉米塔克研磨机）适用于软金属适用于软金属粉末；粉末颗粉末；粉末颗粒大多具有表粒大多具有表面凹型特征面凹型特征（蝶状粉末蝶状粉末）。冷流冲击冷流冲击-利用金属的利用金属的冷脆性冷脆性第33页，本讲稿共134页拉瓦尔管拉瓦尔管一种先收缩后扩张、用以产生一种先收缩后扩张、用以产生超声速气超声速气流流的管道，管的横截面为圆形或矩形。的管道，管的横截面为圆形或矩形。1883年，瑞典工程师年，瑞典工程师C.G.P.de拉瓦尔拉瓦尔在在他发明的汽轮机中，首先使用这种管道，他发明的汽轮机中，首先使用这种管道，因而得名。因而得名。拉瓦尔管广泛使用于超声速风洞（见风拉瓦尔管广泛使用于超声速风洞（见风洞）、喷气发动机、汽轮机、火箭推进洞）、喷气发动机、汽轮机、火箭推进器等需用超声速气流的设备中。器等需用超声速气流的设备中。第34页，本讲稿共134页加速效应加速效应：加速后的气体可超过音速；加速后的气体可超过音速；冷却效应冷却效应：气粉混合物的温度能降到零度以下气粉混合物的温度能降到零度以下。这两点对于颗粒的粉碎十分有利，其一是颗粒的撞击这两点对于颗粒的粉碎十分有利，其一是颗粒的撞击动能增大，其二是金属颗粒的冷脆性提高。动能增大，其二是金属颗粒的冷脆性提高。夹带有粉料的高压气流通过夹带有粉料的高压气流通过拉瓦尔管拉瓦尔管型硬质合金喷型硬质合金喷嘴喷向空间时，气体压力急剧下降，形成绝热膨胀嘴喷向空间时，气体压力急剧下降，形成绝热膨胀过程。这一过程会同时产生两种效应：过程。这一过程会同时产生两种效应：第35页，本讲稿共134页原理原理：物料在研磨室流态化，加速，：物料在研磨室流态化，加速，自身相互自身相互碰撞、摩擦而细化；粉料随碰撞、摩擦而细化；粉料随气体循环运动；气体循环运动；与冷流冲击与冷流冲击不同不同的是粉末颗粒的粉碎的是粉末颗粒的粉碎是颗粒间不断碰撞、摩擦作用的结果，是颗粒间不断碰撞、摩擦作用的结果，因此只要保持因此只要保持足够的研磨时间足够的研磨时间，粉末，粉末就能细化到一定程度。就能细化到一定程度。流态化床气流磨流态化床气流磨第36页，本讲稿共134页可获得超细粉体，粉末粒度均匀；可获得超细粉体，粉末粒度均匀；由由于于气气体体绝绝热热膨膨胀胀造造成成温温度度下下降降，故故可可研研磨磨低低熔点物料；熔点物料；粉粉末末不不与与研研磨磨系系统统部部件件发发生生过过度度的的磨磨损损，因因此此粉末杂质含量少；粉末杂质含量少；针针对对不不同同的的性性质质的的粉粉末末，可可使使用用空空气气、N2、Ar等惰性气体。等惰性气体。流态化床气流磨的流态化床气流磨的特点特点：第37页，本讲稿共134页2.2.2 物理制粉法物理制粉法8 雾化法雾化法8 物理蒸发冷凝法物理蒸发冷凝法第38页，本讲稿共134页 雾雾化化法法是是一一种种典典型型的的物物理理制制粉粉方方法法，是是通通过过高高压压雾雾化化介介质质，如如气气体体或或水水强强烈烈冲冲击击液液流流，或或通通过过离离心心力力使使之之破破碎碎、冷冷却却凝凝固来实现的。固来实现的。一、雾化制粉法一、雾化制粉法第39页，本讲稿共134页u 雾化原理雾化原理雾化雾化聚并聚并凝固凝固第40页，本讲稿共134页过过程程一一：大大的的液液珠珠当当受受到到外外力力冲冲击击的的瞬瞬间间，破破碎碎成成数数个个小小液液滴滴，假假设设在在破破碎碎瞬瞬间间液液体体温温度度不不变变，则则液液体体的的能能量量变变化化可可近近似似为为液液体体的的表面能表面能增加。增加。很很明明显显，雾雾化化时时液液体体吸吸收收的的能能量量与与雾雾化化液液滴滴的的粒粒径径存存在在一一个个对对应应关关系系，即即：吸吸收收的的能能量越高则粒径越小量越高则粒径越小；反之亦然。；反之亦然。第41页，本讲稿共134页过程二过程二：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相互粒间相互接触接触，再次成为一个较大的液体颗粒，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体并且液体颗粒形状向球形转化，这个过程中，体系的系的总表面能降低总表面能降低，属于，属于自发过程自发过程。过程三过程三：液体颗粒冷却形成小的：液体颗粒冷却形成小的固体固体颗粒。颗粒。第42页，本讲稿共134页A、能量交换准则、能量交换准则 提高单位时间、单位质量液体从系统中吸收提高单位时间、单位质量液体从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。能量的效率，以克服表面自由能的增加。B、快速凝固准则、快速凝固准则 提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。粒的再次聚集。提高雾化制粉效率基本准则提高雾化制粉效率基本准则第43页，本讲稿共134页u 雾化制粉分类雾化制粉分类双流雾化双流雾化:指被雾化的液体流和喷射的介质流；指被雾化的液体流和喷射的介质流；单流雾化单流雾化：直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化。雾化。第44页，本讲稿共134页 双流雾化法双流雾化法气雾化气雾化水雾化水雾化注：适合于金属粉末制备注：适合于金属粉末制备第45页，本讲稿共134页 金属液金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气气体体或或水水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。气流气流液流液流模具模具第46页，本讲稿共134页雾化过程的四种情况雾化过程的四种情况动动能能交交换换：雾雾化化介介质质的的动动能能转转变变为为金金属属液液滴滴的的表表面面能；能；热量交换热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热；：雾化介质带走大量的液固相变潜热；流流变变特特性性变变化化：液液态态金金属属的的粘粘度度及及表表面面张张力力随随温温度度的的降低而不断发生变化；降低而不断发生变化；化化学学反反应应：高高比比表表面面积积颗颗粒粒（液液滴滴或或粉粉粒粒）的的化化学学活性很强，会发生一定程度的化学反应。活性很强，会发生一定程度的化学反应。第47页，本讲稿共134页气雾化的四个区域气雾化的四个区域负压紊流区负压紊流区：高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心孔下方高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心孔下方形成负压紊流层；形成负压紊流层；颗粒形成区颗粒形成区：在气流冲击下，金属液流分裂为许多在气流冲击下，金属液流分裂为许多液滴；液滴；有效雾化区有效雾化区：气流汇集点对原始液滴产生强烈破碎作气流汇集点对原始液滴产生强烈破碎作用，进一步细化；用，进一步细化；冷却凝固区冷却凝固区：细化的液滴的热量迅速传递给雾化介细化的液滴的热量迅速传递给雾化介质，凝固为粉末颗粒。质，凝固为粉末颗粒。第48页，本讲稿共134页气雾化制粉的影响因素气雾化制粉的影响因素（1 1）气体动能）气体动能（2 2）喷嘴结构）喷嘴结构（3 3）液流性质）液流性质（4 4）喷射方式）喷射方式第49页，本讲稿共134页（1）气体动能）气体动能 根据气体动力学原理，喷嘴出口处的气根据气体动力学原理，喷嘴出口处的气流速度可由下式表示流速度可由下式表示式中式中 g重力加速度；重力加速度；R气体常数；气体常数；K压容比，即压容比，即Cp/Cv，空气的，空气的K值等值等1.4；T压缩气体进喷嘴前的温度，压缩气体进喷嘴前的温度，K；P1气体流往环境的压力；气体流往环境的压力；P2使气体流出喷嘴的压力；使气体流出喷嘴的压力；第50页，本讲稿共134页如果以空气为雾化介质进行雾化，假设如果以空气为雾化介质进行雾化，假设T不变化，将不变化，将P1=1大气压，大气压，K=1.4代入，则代入，则 K为由为由g和和R合成的一个比例常数。可知，随着气体合成的一个比例常数。可知，随着气体压力压力P的增大，气体的流速的增大，气体的流速V也同时增大，但存在一个也同时增大，但存在一个极限值。极限值。第51页，本讲稿共134页 雾化介质的动能雾化介质的动能 N=Mv2/2其中质量其中质量M与气体流量相对应，与气体流量相对应，v为流速为流速 比较比较M与与v，v对提高动能的效果更显著，可对提高动能的效果更显著，可得出以下结论：得出以下结论：增大气体压力增大气体压力，能够增加气体的喷射速度，能够增加气体的喷射速度，因而有利于金属液体雾化率的提高。前提条件，因而有利于金属液体雾化率的提高。前提条件，即保持金属液的流量为定值。即保持金属液的流量为定值。第52页，本讲稿共134页 Vg表示喷嘴处的气体体积流量，表示喷嘴处的气体体积流量，ml表示金属液漏嘴表示金属液漏嘴端的质量流量。端的质量流量。第53页，本讲稿共134页（2）喷嘴结构）喷嘴结构嘴结构应具备以下基本条件：嘴结构应具备以下基本条件：使雾化介质获得尽可能高的出口速度；使雾化介质与金属液流之间形成合理的喷射角度；使金属液流产生最大的紊流；使金属液流雾化稳定，不会因出口负压造成喷嘴堵塞。第54页，本讲稿共134页（3）液流性质液流性质金属液的表面张力金属液的表面张力金属液的粘度金属液的粘度金属液的的化学组成金属液的的化学组成金属液的过热温度金属液的过热温度第55页，本讲稿共134页（4）喷射方式）喷射方式按照雾化介质对流体的喷射角度不同按照雾化介质对流体的喷射角度不同第56页，本讲稿共134页 离心雾化法离心雾化法 离离心心雾雾化化法法是是借借助助离离心心力力的的作作用用将将液液态态金金属属破破碎碎为为小小液液滴滴，然然后后凝凝固固为为固固态态粉粉末末颗颗粒粒的的方方法。法。1974年年，首首先先由由美美国国提提出出旋旋转转电电极极雾雾化化制制粉粉法法，后后来来又又发发展展了了旋旋转转锭锭模模、旋旋转转园园盘盘等等离离心雾化方法。心雾化方法。第57页，本讲稿共134页旋转电极法旋转电极法粉末平均粒度为粉末平均粒度为D=（M0.12/wd0.64）(r/m)0.43式中式中 M 熔化速度熔化速度 d阳极直径阳极直径 w角速度角速度 D熔体表面张力熔体表面张力 m密度密度第58页，本讲稿共134页旋转锭模法（旋转坩埚法）旋转锭模法（旋转坩埚法）第59页，本讲稿共134页旋转盘法旋转盘法 旋旋转转盘盘法法最最早早于于1976的的美美国国Pratt&Whitney 飞机制造公司研制出，用来制备超合金粉末。飞机制造公司研制出，用来制备超合金粉末。这这种种方方法法获获得得的的粉粉末末平平均均粒粒度度同同园园盘盘转转速速有有关关，转速越高，则平均粒度越小转速越高，则平均粒度越小，细粉收得率越高。，细粉收得率越高。第60页，本讲稿共134页雾化制粉的一些特性雾化制粉的一些特性 1、雾化制粉主要用于金属或合金雾化制粉主要用于金属或合金，对于一些可熔的氧，对于一些可熔的氧化物陶瓷材料，也可采用这种方法进行加工。但由于氧化化物陶瓷材料，也可采用这种方法进行加工。但由于氧化物陶瓷熔体的粘度、表面张力很大，所以一般不能获得细物陶瓷熔体的粘度、表面张力很大，所以一般不能获得细微陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，例如，硅微陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，例如，硅酸铝纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。酸铝纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。2、雾化制粉是一种、雾化制粉是一种快速凝固技术快速凝固技术(RST)，能够增，能够增加金属元素的固溶度。加金属元素的固溶度。第61页，本讲稿共134页 3.极大地极大地降低了成分偏析降低了成分偏析，粉末成分均匀，粉末成分均匀，某些有害相，如高温合金中的某些有害相，如高温合金中的 相，可能因激冷而相，可能因激冷而受到抑制，甚至消除。受到抑制，甚至消除。4.冷速提高，枝晶间距减小，冷速提高，枝晶间距减小，晶粒细化晶粒细化，材料，材料的晶体结构向非稳态转变，可获得细晶、微晶、的晶体结构向非稳态转变，可获得细晶、微晶、准晶直至非晶粉末。准晶直至非晶粉末。第62页，本讲稿共134页二、物理蒸发冷凝法二、物理蒸发冷凝法 物物理理蒸蒸发发冷冷凝凝制制粉粉是是一一种种制制备备超超微微金金属属粉粉末末的的重重要要方方法法，采采用用不不同同的的能能量量输输入入方方式式，使使金金属属气气化化，然然后后再再在在冷凝壁上沉积从而获得金属粉末。冷凝壁上沉积从而获得金属粉末。由由于于粉粉末末的的粒粒度度很很小小，比比表表面面积积很很大大，因因而而化化学学活活性性很很强强。为为防防止止金金属属粉粉末末氧氧化化，在在冷冷凝凝室室内内一一般般都都要要通通入入惰惰性性气气体体。这这样样在在金金属属蒸蒸气气脱脱离离熔熔体体的的很很短短时时间间内内，会被周围气体迅速冷却，金属原子很快聚集成超微颗粒。会被周围气体迅速冷却，金属原子很快聚集成超微颗粒。同同其其他他金金属属粉粉末末制制备备方方法法相相比比，物物理理蒸蒸发发冷冷凝凝法法生生产产效效率率是是较较低低，但但这这种种方方法法可可获获得得最最小小粒粒径径达达2nm的的纳纳米米颗粒。颗粒。第63页，本讲稿共134页电阻加热方式电阻加热方式等离子体加热方式等离子体加热方式激光加热方式激光加热方式 电子束加热方式电子束加热方式高频感应加热方式高频感应加热方式按能量输入方式来划分：按能量输入方式来划分：第64页，本讲稿共134页2.2.3 化学制粉法化学制粉法 化学气相沉积法化学气相沉积法 化学还原法化学还原法 电化学制粉法电化学制粉法第65页，本讲稿共134页 气相沉积制粉是通过某种形式的能量气相沉积制粉是通过某种形式的能量输入，使气相物质发生输入，使气相物质发生气气-固相变固相变或或气相化气相化学反应学反应，生成金属或陶瓷粉体。，生成金属或陶瓷粉体。v 物理气相沉积法物理气相沉积法v 化学气相沉积法化学气相沉积法第66页，本讲稿共134页一、化学气相沉积的反应类型一、化学气相沉积的反应类型分解反应8 化学气相沉积法化学气相沉积法化合反应第67页，本讲稿共134页二、化学气相沉积制粉原理二、化学气相沉积制粉原理1、化学反应化学反应2、均相形核、均相形核3、晶粒生长、晶粒生长4、团、团 聚聚制粉过程包括四个步骤制粉过程包括四个步骤:第68页，本讲稿共134页由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：1）反应温度；）反应温度；2）气相反应物浓度；）气相反应物浓度；3）气相生成物浓度）气相生成物浓度1.化学反应化学反应对一个确定的化学反应，判断其能否进行的热力学判据为：第69页，本讲稿共134页 气相反应发生后的瞬间，在反应区内形成了产物蒸气，气相反应发生后的瞬间，在反应区内形成了产物蒸气，当反应进行到一定程度时，产物蒸气浓度达到过饱和状态，当反应进行到一定程度时，产物蒸气浓度达到过饱和状态，这时产物这时产物晶核晶核就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成基就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成基底，因此反应产物晶核的形成是个底，因此反应产物晶核的形成是个均匀形核过程均匀形核过程。假设晶核为球形，半径为假设晶核为球形，半径为r r，则形成一个晶核，体系，则形成一个晶核，体系自由能的变化为：自由能的变化为：2.2.均匀形核均匀形核为固气相的体积为固气相的体积自由能差自由能差；为晶核的为晶核的表面能表面能。第70页，本讲稿共134页-临界形核半径临界形核半径对应大小的晶核则被称为对应大小的晶核则被称为临界晶核临界晶核。第71页，本讲稿共134页晶核的表面能；晶核的表面能；晶核中原子或分子的体积；晶核中原子或分子的体积；玻尔兹曼常数；玻尔兹曼常数；产物的气相分压；产物的气相分压；产物的饱和蒸气压；产物的饱和蒸气压；过饱和程度。过饱和程度。P0P/P0第72页，本讲稿共134页结论：结论：温度越高温度越高，过饱和度越大过饱和度越大，则，则临界晶核尺寸越小，晶核形成能越临界晶核尺寸越小，晶核形成能越低，对晶体生成越有利。低，对晶体生成越有利。第73页，本讲稿共134页 均相晶核形成之后，稳定存在的晶核便开始晶粒生长过程。小晶粒通过对气相产物分子的吸附或重构，使自身不断长大。理论和实践表明：晶粒生长过程主要受产物分子从反应体系中向晶粒表面的扩散迁移速率所控制。3.晶粒生长晶粒生长 第74页，本讲稿共134页 颗粒之间由于存在着较弱的吸附力作用，主要包括范德华力、静电引力等，颗粒之间会发生聚集，颗粒越小，则聚集效果越明显，这一现象被称为团聚。对于超微粉末，团聚是一个普遍存在并不容忽视的问题。4.团团 聚聚 第75页，本讲稿共134页三、化学气相沉积类型三、化学气相沉积类型 热分解法热分解法热分解法中最为典型的就是羰基物热分解，它是一种由金属羰基化合物加热分解制取粉末的方法，整个过程的关键环节就是制备金属羰基化合物 第76页，本讲稿共134页第一步：合成羰基镍第一步：合成羰基镍(放热反应）放热反应）第二步：羰基镍热分解（吸热反应）第二步：羰基镍热分解（吸热反应）第77页，本讲稿共134页气相氢还原气相氢还原：还原剂-氢气气相金属热还原气相金属热还原：还原剂-低熔点、低沸点金属（Mg、Ca、Na.）两类反应的反应物均选用低沸点的金属卤化物为主 气相还原法气相还原法第78页，本讲稿共134页 复合反应法是一种重要的制取无机化合物，复合反应法是一种重要的制取无机化合物，包括包括碳化物碳化物、氮化物氮化物、硼化物硼化物和和硅化物硅化物等方法，等方法，这种方法既可制备各种陶瓷粉体也可进行陶瓷薄这种方法既可制备各种陶瓷粉体也可进行陶瓷薄膜的沉积。所用的原料是金属卤化物膜的沉积。所用的原料是金属卤化物(以氯化物以氯化物为主为主)，在一定温度下，以气态参与化学反应。，在一定温度下，以气态参与化学反应。复合反应法复合反应法第79页，本讲稿共134页 碳化物反应通式碳化物反应通式例如例如：第80页，本讲稿共134页氮化物反应通式氮化物反应通式例如：例如：第81页，本讲稿共134页硼化物反应通式硼化物反应通式例如：例如：第82页，本讲稿共134页硅化物反应通式硅化物反应通式例如：例如：第83页，本讲稿共134页8 化学还原法化学还原法一、还原制粉的基本原理一、还原制粉的基本原理依据热力学原理确定反应能否发生依据热力学原理确定反应能否发生氧位图第84页，本讲稿共134页二、典型还原制粉类型二、典型还原制粉类型 氢还原法氢还原法 碳还原法碳还原法第85页，本讲稿共134页 还原化合法还原化合法第86页，本讲稿共134页8 电化学制粉法电化学制粉法一、电化学制粉分类一、电化学制粉分类v 水溶液电解水溶液电解v 有机电解质电解有机电解质电解v 熔盐电解熔盐电解v 液体金属阴极电解液体金属阴极电解第87页，本讲稿共134页电化学体系：电化学体系：阳极：阳极：Cu（纯）（纯）阴极：阴极：Cu粉粉电解液：电解液：CuSO4、H2SO4、H2O以铜电解制粉为例以铜电解制粉为例第88页，本讲稿共134页电化学反应电化学反应阴极反应：阴极反应：阳极反应：阳极反应：第89页，本讲稿共134页电化学制粉的影响因素电化学制粉的影响因素4 电流密度电流密度4 金属离子浓度金属离子浓度4 氢离子浓度氢离子浓度4 电解液温度电解液温度4 刷粉周期刷粉周期第90页，本讲稿共134页2.3 粉末颗粒的特性及表征粉末颗粒的特性及表征4 颗粒大小和形状表征4 粉体特性的表征4 粉体的粒度与比表面测定第91页，本讲稿共134页Fine particle 颗粒颗粒从个体颗粒出发，称为颗粒学。从个体颗粒出发，称为颗粒学。Powder 粉体粉体从集合粉体出发，称为粉体工程学。从集合粉体出发，称为粉体工程学。第92页，本讲稿共134页一、颗粒大小和形状表征一、颗粒大小和形状表征 材材料料的的机机械械、物物理理和和化化学学性性质质描描述述了了组组成成材材料料的的物物质质组组态态的的基基本本特特性性。当当物物质质被被“分分割割”成成为为粉粉体体之之后后，上上述述三三类类性性质质则则不不能能全全面面描描述述材材料料的的性性质质，必必须须对对粉粉体体材材料料的的组组成成单单元元-颗颗粒粒，进行详细描述。，进行详细描述。颗颗粒粒的的大大小小和和形形状状是是粉粉体体材材料料最最重重要要的的物物性表征量。性表征量。第93页，本讲稿共134页直径直径D直径直径D、高度、高度H？颗粒的大小颗粒的大小第94页，本讲稿共134页 人为规定了一些所谓人为规定了一些所谓尺寸尺寸的表征方法，主的表征方法，主要包括：要包括：三轴径三轴径当量径当量径定向径定向径第95页，本讲稿共134页（1）三轴径三轴径高度高度h：颗粒最低势能态时：颗粒最低势能态时正视正视投影图的高度；投影图的高度；宽度宽度b：颗粒：颗粒俯视俯视投影图的最小平行线夹距；投影图的最小平行线夹距；长度长度l：颗粒：颗粒俯视俯视投影图中与宽度方向垂直的平行线夹距。投影图中与宽度方向垂直的平行线夹距。设颗粒处于一小水平面上，正视和俯视投影图设颗粒处于一小水平面上，正视和俯视投影图如图所示。在两个投影图中，定义一组描述颗粒如图所示。在两个投影图中，定义一组描述颗粒大小的几何量：大小的几何量：高、宽、长高、宽、长。定义规则如下：定义规则如下：第96页，本讲稿共134页三轴调和平均径三轴调和平均径 与颗粒外接长方体比表面积相等的与颗粒外接长方体比表面积相等的球的直径。球的直径。三轴平均径计算公式：三轴平均径计算公式：三轴平均径三轴平均径 三轴算术平均值。三轴算术平均值。三轴几何平均径三轴几何平均径 与颗粒外接长方体体积相等的与颗粒外接长方体体积相等的立方体的棱长。立方体的棱长。第97页，本讲稿共134页（2）当量径）当量径等效圆球体积直径等效圆球体积直径等效圆球体积直径等效圆球体积直径 颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径。圆的直径。第98页，本讲稿共134页等体积球当量径等体积球当量径 与颗粒同体积球的直径等表面积球当量径等表面积球当量径 与颗粒等表面积球的直径第99页，本讲稿共134页比表面积球当量径比表面积球当量径 与颗粒具有相同的比表面积的球的直径投影圆当量径投影圆当量径 与颗粒投影面积相等的圆的直径等周长圆当量径等周长圆当量径 与颗粒投影周长相等的圆的直径第100页，本讲稿共134页（3）定向径）定向径沿一定方向的颗粒的一维尺度。定向径包括三种：沿一定方向的颗粒的一维尺度。定向径包括三种：第101页，本讲稿共134页 注意注意:以以上上各各种种粒粒径径是是纯纯粹粹的的几几何何表表征征量量，描描述述了了颗颗粒粒在在三三维维空空间间中中的的线线性性尺尺度度。在在实实际际粉粉末末颗颗粒粒测测量量中中，还还要要依依据据物物理理测测量量原原理理，例例如如运运动动阻阻力力，介介质质中中的的运运动动速速度度等等获获得得的的颗颗粒粒粒粒径径，这这时时的的粒粒径径已已经经失失去去了了通通常常的的几几何何学学大大小小的的概概念念，而而转转化化为为材材料料物物理理性性能能的的描述。描述。因因此此，除除球球体体以以外外的的任任何何形形状状的的颗颗粒粒并并没没有有一一个个绝绝对对的的粒粒径径值值，描描述述它它的的大大小小必必须须要要同同时时说说明明依依据的规则据的规则和和测量的方法测量的方法。第102页，本讲稿共134页 颗颗粒粒的的形形状状对对粉粉体体的的物物理理性性能能、化化学学性性能能、输输运运性性能能和和工工艺艺性性能能有有很很大大的的影影响响。例例如如，球球形形颗颗粒粒粉粉体体的的流流动动性性、填填形形性性好好，粉粉末末结结合合后后材材料料的的均均匀匀性性高高。涂涂料料中中所所用用的的粉粉末末则则希希望望是是片片状状颗颗粒粒，这这样样粉粉末末的的覆覆盖盖性性就就会会较较其其他他形形状状的的好好。科科学学地地描描述述颗颗粒粒的的形形状状对对粉粉体体的的应应用用会会有有很很大大的的帮帮助。同颗粒大小相比，描述颗粒形状更加困难些。助。同颗粒大小相比，描述颗粒形状更加困难些。为为方方便便和和归归一一化化起起见见，人人们们规规定定了了某某种种方方法法，使使形形状状的的描描述述量量化化，并并且且是是无无量量纲纲的的量量。这这些些形形状状表表征征量量可可统统称称为为形状因子形状因子，主要有以下几种：，主要有以下几种：颗粒的形状第103页，本讲稿共134页与颗粒等体积的球的表面积与颗粒的表面积之比球形度球形度可以看出：可以看出：1.；2.颗粒为球形时，达最大值。第104页，本讲