陶瓷粉体基础-表征.ppt
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1、陶瓷粉体基础(一)刘杏芹中国科学技术大学,材料科学与工程系nTel:3607627nEmail:参考书:1.JameS.Reed,PrinciplesofCeramicsProcessing(1995年第二版)2.BurtrandI.Lee,EdwardJ.A.Pope,Chemicalprocessingofceramics.(1994)3.“SoftChemistryRoutestoNewMaterials”,Proc.attheInt.Symp.heldinNantes,France19934.徐如人主编,“无机合成与制备化学”,高教出版社,19915.J.JeffreyBrinkera
2、ndG.W.Scherer,Sol-gelScience,ThephysicsandChemistryofSol-gelprocessing,AcademicPress,Inc.,N.Y.19906.张立德等编著“超微粉体制备与应用技术”,中国石化出版社 20017.南仁植 编著“粉末涂料与涂装技术”,化学工业出版社,20008.黄培云主编“粉末冶金原理”,第2版,冶金工业出版社,19979.J.FunkandD.R.Dinger,PredictiveProcessControlofCrowdedParticulateSuspensions,KluwerAcademicPublishers,1
3、9931.1概述:粉体性能的近代范畴与发展粉体性能的近代范畴与发展粉体是颗粒与颗粒间的空隙所构成的分散体系,是固体粒子的集合体。粉体的研究和表征应包括单颗粒、粉体和空隙的性质单颗粒的性质(1)由由材材料料本本身身决决定定的的性性质质:晶晶体体结结构构,固固体体密密度度,熔熔点,弹性,硬度,电磁性质,光学性质,化学性质点,弹性,硬度,电磁性质,光学性质,化学性质(2)由由粉粉体体制制备备方方法法所所决决定定的的性性质质:粒粒度度,颗颗粒粒形形状状,有有效效密密度度,表表面面状状态态,晶晶体体结结构构与与缺缺欠欠,颗颗粒粒内内气气孔孔,表面气体吸附,反应活性表面气体吸附,反应活性(3)与具有均一性
4、能的气体或液体相比较,没有任何两个粉体粒子是完全一样。第一讲:微细无机粉体的表征粉体构成1)一次粒子:普通电镜下放大倍数再增加,也只能看到具有明显轮廓的单个粒子。一次粒子可能是:单晶,如-Al2O3;多晶,a-FeOOH(取向一致)或CaCO3(取向不一致)2)二次或高次粒子:多个一次粒子(坚固或松散)聚集粉体的性质:除除单单颗颗粒粒性性质质外外,还还包包括括:平平均均粒粒度度,粒粒度度分分布布,比比表表面面,松松装装密密度度,摇摇实实密密度度,流流动动性,颗粒间的摩擦状态等性,颗粒间的摩擦状态等粉体空隙的性质:总总孔孔隙隙体体积积P,颗颗粒粒间间的的空空隙隙体体系系P1,颗颗粒粒内内空空隙隙
5、体体积积(P2=PP1),空空隙隙形形状状、空隙大小及其分布空隙大小及其分布1.2粉体的物相组成与化学组成物相组成:以XRD检测高纯粉体为单一物相 -存在相变时,可能同时有两相 -复合物粉体为多相 -杂质物相和孔隙化学组成:各种化学成分分析技术(1)构成粉体的各物相一次晶粒的化学组成(2)粉体合成和制备过程的机械杂质(3)粉体表面吸附的氧、水分和其他气体1.3粒子形状与形貌观测粒子形状与形貌观测(1)颗粒形貌颗粒形貌各种显微镜各种显微镜(光学显微镜(光学显微镜、SEM,TEM,AFM)观测观测决定于粉体制备过程:方法和条件,决定于粉体制备过程:方法和条件,同时也决定于物质的分子或原子排布同时也
6、决定于物质的分子或原子排布规规则则形形状状与与不不规规则则形形状状:如球形、球形、多角形、片状、棒状、针状、树枝状、多孔海绵状,形状形状直接影响粉体的流力性,装密度,气体透过性,直接影响粉体的流力性,装密度,气体透过性,压制性,烧结性。压制性,烧结性。颗粒的显微图像(a)碳化硅微粉显微图像(b)理想的圆形颗粒陶瓷粉体制备工艺影响粉体粒子形貌陶瓷粉体制备工艺影响粉体粒子形貌特定工艺特定形貌和粒径有机物辅助固相反应共沉淀法均匀沉淀法甘氨酸硝酸盐法(2)形状因子)形状因子当颗粒不规则时以形状因子表征当颗粒不规则时以形状因子表征延伸度:定义为n=l/b,其中l为最长尺寸长度,b为颗粒最大的宽度。扁平度
7、:片状粉体m=b/t,b为宽度,t为厚度。齐格(Zigg)指数:延伸度/扁平度=(l/b)/(b/t)=lt/b2其值偏离1愈大,则表示颗粒形状对称性愈小。球形度:与颗粒相同体积的球体表面积对实际表面积之比,既表征了颗粒的对称性,也与表面粗糙度有关。圆形度:与颗粒具有相等投影的圆的周长对颗粒投影像的实际周长之比称为圆形度。粗糙度:(皱度系数)球形度的倒数称粗糙度通过测量颗粒的比表面确定以上形状因子多为使用显微镜方法观测时提出的,在测定颗粒粒径时(如用吸附法,沉淀法,透过法)常用名义直径或当量直径。形状因子用于表示实际粉体颗粒偏离球形的程度。直径为d的均匀球体,其表面积和体积分别为:S=d2,V
8、=d d3/6 6其中和/6分别为表面形状因子表面形状因子和体积形状因体积形状因子。Boddow-Ehilich-Meloy把颗粒形状定义为“颗粒表面上全部点的图象”。则用(R,)=A0+Ancos(n-n)A0颗粒的名义直径;An富里哀系数;n相角;n级数的项数;n级数越多,也就是点取得越多,描述越准确。级数越多,也就是点取得越多,描述越准确。(3)颗粒密度颗粒密度粉体材料的理论密度通常不能代表颗粒的实际密度,粉体材料的理论密度通常不能代表颗粒的实际密度,因为粉体颗粒几乎总是有孔的,包括开孔或半开孔、闭孔。因为粉体颗粒几乎总是有孔的,包括开孔或半开孔、闭孔。真密度真密度粉体的固体密度粉体的固
9、体密度有有效效密密度度颗颗粒粒密密度度用用包包括括闭闭孔孔在在内内的的颗颗粒粒体体积积去去除除得得到到的的值值。用用比比重重瓶瓶测测定定的的密密度度十十分分接接近近这这种种密密度度,故故又又称称比比重重瓶密度瓶密度(GB5161-85)=(F2-F1)液液/V液液(F3-F2)F1比重瓶质量比重瓶质量F2瓶瓶+粉体重粉体重F3充满液体后总重量充满液体后总重量液液液体密度液体密度V比重瓶规定体积比重瓶规定体积(4)显微硬度)显微硬度以显微硬度计测量金刚石角锥压头的压痕对角线长,经计算得到显微硬度。显微硬度。粉末试样与有机树脂粉混匀,在100200MPa下制成压坯,加热至1400C固化样品研磨抛光
10、后,在2030g负荷下测定显微硬度。显微硬度值决定于晶格强度和缺陷、杂质,因而与制备方法与过程密切相关,也代表了粉体塑性。4粉体的工艺性能粉体的工艺性能(1)松装密度与振实密度松装密度与振实密度由粉体压制成型操作中,常采用容量装粉法。要保证压坯的密度和质量恒定重现性,则要求每次装填的粉末应有不变的质量。因而用松装密度或振实密度来描述这种“容积性质”。松装密度规定条件下自然充填容器时单位体积内的粉末密度(GB1478-84,GB5060-85)。振实密度在规定条件下,经过振动后测量粉末密度(GB5162-85)。松装密度取决于颗粒间的黏附力,相对滑动的阻力和粉体空隙被填充的程度。(2)空隙度:)
11、空隙度:空隙体积与粉末样的表观体积之比。P=1-/理/理为相对密度;=理/为相对体积;P=1-1/;一般的说,球形粉体的松装密度最高,空隙度最低,50%,片状粉体P可达90%,SiO2气凝胶空隙度可达95%粒度组成的影响:粒度范围窄的粉体,松装密度低。当不同的粒径粉体按一定比例混合时会得到较大的松装密度,原因是小粒子填充了大粒子的堆积空隙。(3)流流动动性性干压成型时,50g粉末从标准流速漏斗中流出所需的时间,(标准漏斗,是用150目金刚砂粉末,在40秒内测定50g来标定和校准的).另外,还可采用粉末的自然堆积角(又称安息角)实验测定流动性.安息角:让粉末自然下流并堆积在直径1英寸的圆板上,以
12、粉末的高度衡量流动性,粉末的底角为安息角.(4)压缩性和成型性)压缩性和成型性压缩性与烧结性是最为重要的性能。压缩性与烧结性是最为重要的性能。4粒度和粒度分布及其测定粒度和粒度分布及其测定(1)粒度和粒度分布)粒度和粒度分布粒粒子子尺尺寸寸大大小小:粒子大小理论上说应该是一次粒子,但因小粒子极易团聚(疏松时,测试处理过程中可能恢复为一次粒子;但“坚固”或分散不理想时,往往是两次或高次粒子即作用象一个较大颗粒)因此,所谓粒子大小实际是指粒子“颗粒”大小。B)如何定义粒子“颗粒”大小:粒子形状千万种、不规则,其大小的测量是基于某方面的特性,即用特征尺寸:比如“圆形化”了的球的直径或“立方化”了的立
13、方体的边长,称之为“等效”直径。与测量方法紧密相关。颗粒直径(颗粒直径(等效直径直径):粒径或粒度以mm、m、nm表示。粒径分布粒径分布:组成粉体的不同粒径的颗粒占全部粉体的百分含量称为粒度分布或粉体组成。粒径基准:用直径表示的颗粒大小称粒径(取决于测定方法)几何学粒径几何学粒径dg1)按投影几何学原理测得的粒径投影称投影径,还与粉体颗粒的几何形状有关;具有相同投影面积的圆的直径(采用透射电镜测量时的粒径)2)扫描电镜测量时多用:Feret(费莱特)粒径:粒子最大弦的长度Martin(马丁)粒径:平分粒子面积的弦的长度当当量量粒粒径径de,用沉降法,离心法或水力学方法(风筛法,水簸法)测定的粒
14、度。其中斯托克斯径,相当于被测粒子具有相同沉淀速度且服从斯托克斯定律的同质球形粒子的直径;比表面粒径比表面粒径dsp,利用吸附法,透过法和润湿热法测定粉末的比表面,再换算为相同比表面的均匀球形颗粒的直径。衍衍射射粒粒径径dsc利用光或电磁波(如x光等)的衍射现象测得的粒径称为衍射粒径。例如用X射线衍射峰变宽现象的Sherer公式计算d=lkhl=k/cosk:衍射因子k=0.9:x射线波长(=0.05418nm):为半峰宽:为衍射角 等效体积球直径,等效面积球直径,假定原粒子是立方体,边长为a,体积为a3,相同体积球为:4/3(1/2Xv)3=a3所以,等效体积球直径Xv=(6/)1/3a,等
15、效面积球直径Xs=(6/)1/2a显然,XvXs(2)粒度分布基准)粒度分布基准粒度分布是指不同粒径的颗粒在粉体总量中所占的百分数,可用某种统计分布曲线或分布函数描述,可以选择四种不同的基准1)颗粒个数基准分布(频度分布)2)长度基准分布3)面积基准分布4)质量基准分布(质量分布)四种基准之间存在一定的换算关系,但实际应用中频度分布和质量分布最为方便。(3)粒度分布函数)粒度分布函数粒度分布曲线若用数学式表达,成为分布函数。Hatch-Choate由正态几率分布函数导出的粒径的颗粒粒度几率公式f(d)=n/aexp1-1/2(d-da/a)da算术平均粒径a标准偏差(4)列表法与图示法表示粉体
16、粒径的分布Rosin-Rammler 分布曲线示例A)表格表示例如,球磨LiAlSi4O10的粒子尺寸分布:筛尺寸(m)筛上质量(g)筛上质量(%)CMPF(%)CMPL(%)10000.00.01000.05000.180.999.10.93350.502.596.63.42501.457.389.310.71803.0015.074.325.71253.9619.854.545.5903.2616.338.261.8633.1815.922.377.7441.249.712.687.402.5212.60.0100.0B)用图表示:假定粒子密度不随粒子尺寸变化,根据数量,质量,或对一个特定
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