13_粉末的制取
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粉末的制备
从制备方法的原理可以分为三大类： 机械制备 物理制备 化学制备
物理制备
一、粉末的机械制备方法
机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材 料的内部结合力，使材料分裂产生新的界面。 分为研磨、锤捣、辊轧等 机械研磨（球磨） 研磨 气流研磨
球磨法
• 四个基本要素 球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质 • 基本原理
(式中：Me’—还原剂；MeX—被还原的化合物) ④ 还原-化合法：如：MeO+2C→MeC+CO 目前铁粉大部分由还原法生产。
电解法
• 电解法是又一种制取金属粉末的方法，它的基本原 理和电镀相同。Fe、Ni、Cr、Cu、Zn等的粉末，都 可用电解法制造。
• 电解铁粉与铜粉都是用电解金属盐的水溶液制造的。 它们有时直接呈粉状析出，有时需将电解析出物进 一步机械粉碎，以制成粉末。
例：在氨水溶液中制备氢氧化锆-氢氧化钇复合粉体。
ZrOCl2十4NH4OHZr(OH)4十2NH4Cl十2NH3十H2O YCl3十3NH4OHY(OH)3十3NH4Cl
CVD法
主要原理：利用挥发性化合物的蒸气通过分 解或相互反应合成所需粉体的方法。
1）分解沉积：
CH3SiCl3 (↑) → SiC (↓) + 3HCl (↑)
1 直接沉淀法
向盐溶液中直接加入沉淀剂进行反应得到细小沉 淀物的方法。
2 均匀沉淀法
依靠溶液内部缓慢均匀地生成沉淀剂而进行沉淀 反应的方法。
（例如：尿素水解制备盐类）
(NH2)2CO十3H2O2NH4OH（沉淀剂）十CO2
3 共沉淀法
在溶液中同时沉淀两种或两种以上金属离子得到均 匀性好的复合氧化物的方法。
n临界＝
30 R
42.4 D
转/分
n工作 0.75n临界
42.4 32 0.75 转/ 分 D D
振动球磨
• 工作原理：
振动球磨机结构示意图
1—筒体；2一偏心轴；3一马达； 4一弹簧；5一弹性联轴节
搅拌球磨
• 工作原理：又称为高能球磨
搅动球磨机结构示意图 1—圆筒；2—冷却套；3—冷却剂 入口；4—冷却剂出口；5—轴； 6，7，8—水平搅拌转子；9—研磨体
（球磨筒）传递机械能 （磨球、球磨物料及介 质）产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力等 （物料）细化（脆性粉末颗粒：大颗粒的不断破碎 过程；塑性较强粉末：存在着磨削、变形、加工硬 化、断裂和冷焊等行为。）
• 提高球磨效率的基本原则
（1）动能准则：提高球磨的动能。 （2）碰撞几率准则：提高球磨的有效碰撞几率。
离心雾化法（Centrifugal Atomization） 借助离心力的作用，将液态金属破碎为小液 滴，然后凝固为固态粉末颗粒。 旋转电极法、旋转圆盘法、旋转水流法、旋 转坩埚法等
Biblioteka Baidu
• (1)旋转圆盘法/D.P.G法
最 早 于 1976 年 由 美 国 的 Pratt ＆ Whitney 飞 机 制 造 公司研制出来、用以制备 超合金粉末，而后这种离 心雾化装置相继在日本、 前苏联等国问世。
电阻加热蒸发
激光加热蒸发
电子束加热蒸发
高频感应加热蒸发
三、粉末的化学制备方法
• 液相沉淀法 • 化学气相沉积法（CVD） • 还原反应法 • 电解法
液相沉淀法
主要原理：在液相中采用各种水溶性化合物经 混合、发生化学反应生成不溶于水的沉淀， 将沉淀洗涤并热分解可形成超细粉。 沉淀法可以分为直接沉淀法、均匀沉淀法和共 沉淀法等。
坩埚内液态金属在压力下过
饱和溶解气体（氮、氩、氢 等），突然向真空开放，气体 膨胀，脱溶，金属雾化
多级雾化法
多种雾化机构组合在一起；第一级一般为双流雾化、 后几级为离心雾化或机械作用力雾化等
多级雾化装置原理图
1—漏包；2—熔体；3—喷嘴；4—旋转盘； 5—雾化锥；6—高压气流；7—冷却介质
固体雾化法
快速凝固准则：提高雾化液滴的冷却速度，防 止液体微粒的再次聚集。
• 雾化方法
双流雾化法 离心雾化法 真空雾化法 机械作用力雾化法 特殊雾化法：多级雾化、固体雾化
双流雾化法（Double-Stream Atomization）： 金属液流和雾化介质流
类型
气雾化（亚音速气流~、超声~）和水雾化
双流雾化制粉示意图
• 球磨方式分类
滚筒式球磨
振动球磨
搅拌球磨
不同球磨方式的运动特征
滚筒式球磨
效果最好
离心力 重力
泻落状态
抛落状态
临界转速
转速和载荷低
转速和载荷适中
转速快
只发生研磨 体滑动，粉 碎靠筒和球 体表面摩擦
粉碎靠球落 下时的冲击 作用和球与 球间的摩擦
离心力＞重 力，球与筒 体一起转动 无研磨效果
球和物料随球磨筒转速不同的三种状态
• 高速气流中含有可除去的固体介质，即易清除 的固体颗粒（食盐）、同种金属粉末等
1、雾化室；2、水环；3、雾化器；4、输送管道； 5、卸料阀；6、发送罐；7、空气压缩机；8、贮仓
固体雾化实验装置示意图
物理蒸发冷凝法/物理气相沉积法（PVD）
采用不同的能量输入方式使金属汽化，然后再在冷 凝壁上沉积，从而获得金属粉末。 • 类型 ①电阻加热方式 ②等离子束加热方式 ③激光加热方式 ④电子束加热方式 ⑤高频感应加热方式
• 雾化法 • 物理蒸发冷凝法/物理气相沉积 (PVD)法
雾化法
• 定义 通过高压雾化介质强烈冲击液流，或通过 离心力使之破碎、冷却来实现的一种典 型物理制粉方法。
• 基本原理
过程一：大液珠数个小液滴。 过程二：破碎颗粒一个较大液体颗粒 过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。
• 提高雾化制粉效率的两条基本准则 能量交换准则：提高单位时间内单位质量液体 从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由 能的增加；
气流研磨法
• 定义与基本要素
（1）定义：不需磨球及其它研磨介质，而通过气 体传输粉料的研磨方法。 （2）基本要素：研磨设备、气体、研磨物料。
• 提高气流研磨效率的基本原则 ① 动能原则：提高粉末颗粒的动能； ② 碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率。
单轨道式气流磨
旋涡研磨
二、粉末的物理制备方法
• 电解粉末纯度高，颗粒呈树枝状或针状，其压制 性和烧结性都很好，但生产率低，成本高。 • 纯铜粉大多是用该法制成。电解铁粉由于价格高， 仅用于要求纯度高或制造高密度零件的场合。
以铜粉制备为例，水溶液一般为硫酸铜和少许硫酸， 阳极为铜板。在阳极，铜将失去电子变成离子进入 溶液，OH-失去电子变成水和氧气： Cu→Cu2++2e 2OH-2e→H2O+O2↑
1—带叶片的旋转 圆盘；2—漏包
• (2)旋转水流雾化法
最早由美国钒合金钢公 司用来制造不锈钢粉。
1—漏包；2—电热体； 3—金属液流；4—水流； 5—环形喷射器；6—雾 化室；7—进水管；8— 进气管
• (3)旋转电极法
• 1974 年，首先由美国提出，将雾化金属制成自 耗阳极，阴极则采用钨电极。
2）反应沉积：
TiCl4 (↑) + CH4 (↑) → TiC (↓) + 4HCl (↑)
还原反应法
基本原理：MeO+X(还原剂)=Me(金属)+XO 方法：
① 碳还原法：如：FeO+C → Fe +CO
② 气体还原法：如：Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2
③ 金属还原法：如：MeX+Me’→Me’X+Me
• (4)旋转坩埚法
• 又称旋转锭模法
• (5)其它离心雾化制粉方法
(a)旋转轮；
(b)旋转杯；
(c)旋转网
机械作用力雾化法
双辊（三辊）雾化法
a、水溶液急冷式, b、快淬辊式 1-惰性气体；2-喷嘴；3-感应加热器；4-双辊；5-急冷装置
电动力学雾化法
真空雾化法（可溶性气体雾化法）
• 利用不同压力下气体在液态金属中的溶解度不同 而将金属雾化成粉末的工艺方法
而在阴极，铜离子得到电子析出铜，氢离子得到电子 放出氢气： Cu2++2e→Cu 2H++2e→H2↑
铜离子在阴极析出可以有两种形式，即电镀层和铜 粉。一般电解液中铜离子浓度较低、电流密度较 强时易得到铜粉。
根据电解法的原理可知，经此法制得的粉料纯度高。 另外粉料粒形多呈树枝状，故压制性能也较好。 但其成本较高，因制备过程控制较为复杂、耗电 量大。
从制备方法的原理可以分为三大类： 机械制备 物理制备 化学制备
物理制备
一、粉末的机械制备方法
机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材 料的内部结合力，使材料分裂产生新的界面。 分为研磨、锤捣、辊轧等 机械研磨（球磨） 研磨 气流研磨
球磨法
• 四个基本要素 球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质 • 基本原理
(式中：Me’—还原剂；MeX—被还原的化合物) ④ 还原-化合法：如：MeO+2C→MeC+CO 目前铁粉大部分由还原法生产。
电解法
• 电解法是又一种制取金属粉末的方法，它的基本原 理和电镀相同。Fe、Ni、Cr、Cu、Zn等的粉末，都 可用电解法制造。
• 电解铁粉与铜粉都是用电解金属盐的水溶液制造的。 它们有时直接呈粉状析出，有时需将电解析出物进 一步机械粉碎，以制成粉末。
例：在氨水溶液中制备氢氧化锆-氢氧化钇复合粉体。
ZrOCl2十4NH4OHZr(OH)4十2NH4Cl十2NH3十H2O YCl3十3NH4OHY(OH)3十3NH4Cl
CVD法
主要原理：利用挥发性化合物的蒸气通过分 解或相互反应合成所需粉体的方法。
1）分解沉积：
CH3SiCl3 (↑) → SiC (↓) + 3HCl (↑)
1 直接沉淀法
向盐溶液中直接加入沉淀剂进行反应得到细小沉 淀物的方法。
2 均匀沉淀法
依靠溶液内部缓慢均匀地生成沉淀剂而进行沉淀 反应的方法。
（例如：尿素水解制备盐类）
(NH2)2CO十3H2O2NH4OH（沉淀剂）十CO2
3 共沉淀法
在溶液中同时沉淀两种或两种以上金属离子得到均 匀性好的复合氧化物的方法。
n临界＝
30 R
42.4 D
转/分
n工作 0.75n临界
42.4 32 0.75 转/ 分 D D
振动球磨
• 工作原理：
振动球磨机结构示意图
1—筒体；2一偏心轴；3一马达； 4一弹簧；5一弹性联轴节
搅拌球磨
• 工作原理：又称为高能球磨
搅动球磨机结构示意图 1—圆筒；2—冷却套；3—冷却剂 入口；4—冷却剂出口；5—轴； 6，7，8—水平搅拌转子；9—研磨体
（球磨筒）传递机械能 （磨球、球磨物料及介 质）产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力等 （物料）细化（脆性粉末颗粒：大颗粒的不断破碎 过程；塑性较强粉末：存在着磨削、变形、加工硬 化、断裂和冷焊等行为。）
• 提高球磨效率的基本原则
（1）动能准则：提高球磨的动能。 （2）碰撞几率准则：提高球磨的有效碰撞几率。
离心雾化法（Centrifugal Atomization） 借助离心力的作用，将液态金属破碎为小液 滴，然后凝固为固态粉末颗粒。 旋转电极法、旋转圆盘法、旋转水流法、旋 转坩埚法等
Biblioteka Baidu
• (1)旋转圆盘法/D.P.G法
最 早 于 1976 年 由 美 国 的 Pratt ＆ Whitney 飞 机 制 造 公司研制出来、用以制备 超合金粉末，而后这种离 心雾化装置相继在日本、 前苏联等国问世。
电阻加热蒸发
激光加热蒸发
电子束加热蒸发
高频感应加热蒸发
三、粉末的化学制备方法
• 液相沉淀法 • 化学气相沉积法（CVD） • 还原反应法 • 电解法
液相沉淀法
主要原理：在液相中采用各种水溶性化合物经 混合、发生化学反应生成不溶于水的沉淀， 将沉淀洗涤并热分解可形成超细粉。 沉淀法可以分为直接沉淀法、均匀沉淀法和共 沉淀法等。
坩埚内液态金属在压力下过
饱和溶解气体（氮、氩、氢 等），突然向真空开放，气体 膨胀，脱溶，金属雾化
多级雾化法
多种雾化机构组合在一起；第一级一般为双流雾化、 后几级为离心雾化或机械作用力雾化等
多级雾化装置原理图
1—漏包；2—熔体；3—喷嘴；4—旋转盘； 5—雾化锥；6—高压气流；7—冷却介质
固体雾化法
快速凝固准则：提高雾化液滴的冷却速度，防 止液体微粒的再次聚集。
• 雾化方法
双流雾化法 离心雾化法 真空雾化法 机械作用力雾化法 特殊雾化法：多级雾化、固体雾化
双流雾化法（Double-Stream Atomization）： 金属液流和雾化介质流
类型
气雾化（亚音速气流~、超声~）和水雾化
双流雾化制粉示意图
• 球磨方式分类
滚筒式球磨
振动球磨
搅拌球磨
不同球磨方式的运动特征
滚筒式球磨
效果最好
离心力 重力
泻落状态
抛落状态
临界转速
转速和载荷低
转速和载荷适中
转速快
只发生研磨 体滑动，粉 碎靠筒和球 体表面摩擦
粉碎靠球落 下时的冲击 作用和球与 球间的摩擦
离心力＞重 力，球与筒 体一起转动 无研磨效果
球和物料随球磨筒转速不同的三种状态
• 高速气流中含有可除去的固体介质，即易清除 的固体颗粒（食盐）、同种金属粉末等
1、雾化室；2、水环；3、雾化器；4、输送管道； 5、卸料阀；6、发送罐；7、空气压缩机；8、贮仓
固体雾化实验装置示意图
物理蒸发冷凝法/物理气相沉积法（PVD）
采用不同的能量输入方式使金属汽化，然后再在冷 凝壁上沉积，从而获得金属粉末。 • 类型 ①电阻加热方式 ②等离子束加热方式 ③激光加热方式 ④电子束加热方式 ⑤高频感应加热方式
• 雾化法 • 物理蒸发冷凝法/物理气相沉积 (PVD)法
雾化法
• 定义 通过高压雾化介质强烈冲击液流，或通过 离心力使之破碎、冷却来实现的一种典 型物理制粉方法。
• 基本原理
过程一：大液珠数个小液滴。 过程二：破碎颗粒一个较大液体颗粒 过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。
• 提高雾化制粉效率的两条基本准则 能量交换准则：提高单位时间内单位质量液体 从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由 能的增加；
气流研磨法
• 定义与基本要素
（1）定义：不需磨球及其它研磨介质，而通过气 体传输粉料的研磨方法。 （2）基本要素：研磨设备、气体、研磨物料。
• 提高气流研磨效率的基本原则 ① 动能原则：提高粉末颗粒的动能； ② 碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率。
单轨道式气流磨
旋涡研磨
二、粉末的物理制备方法
• 电解粉末纯度高，颗粒呈树枝状或针状，其压制 性和烧结性都很好，但生产率低，成本高。 • 纯铜粉大多是用该法制成。电解铁粉由于价格高， 仅用于要求纯度高或制造高密度零件的场合。
以铜粉制备为例，水溶液一般为硫酸铜和少许硫酸， 阳极为铜板。在阳极，铜将失去电子变成离子进入 溶液，OH-失去电子变成水和氧气： Cu→Cu2++2e 2OH-2e→H2O+O2↑
1—带叶片的旋转 圆盘；2—漏包
• (2)旋转水流雾化法
最早由美国钒合金钢公 司用来制造不锈钢粉。
1—漏包；2—电热体； 3—金属液流；4—水流； 5—环形喷射器；6—雾 化室；7—进水管；8— 进气管
• (3)旋转电极法
• 1974 年，首先由美国提出，将雾化金属制成自 耗阳极，阴极则采用钨电极。
2）反应沉积：
TiCl4 (↑) + CH4 (↑) → TiC (↓) + 4HCl (↑)
还原反应法
基本原理：MeO+X(还原剂)=Me(金属)+XO 方法：
① 碳还原法：如：FeO+C → Fe +CO
② 气体还原法：如：Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2
③ 金属还原法：如：MeX+Me’→Me’X+Me
• (4)旋转坩埚法
• 又称旋转锭模法
• (5)其它离心雾化制粉方法
(a)旋转轮；
(b)旋转杯；
(c)旋转网
机械作用力雾化法
双辊（三辊）雾化法
a、水溶液急冷式, b、快淬辊式 1-惰性气体；2-喷嘴；3-感应加热器；4-双辊；5-急冷装置
电动力学雾化法
真空雾化法（可溶性气体雾化法）
• 利用不同压力下气体在液态金属中的溶解度不同 而将金属雾化成粉末的工艺方法
而在阴极，铜离子得到电子析出铜，氢离子得到电子 放出氢气： Cu2++2e→Cu 2H++2e→H2↑
铜离子在阴极析出可以有两种形式，即电镀层和铜 粉。一般电解液中铜离子浓度较低、电流密度较 强时易得到铜粉。
根据电解法的原理可知，经此法制得的粉料纯度高。 另外粉料粒形多呈树枝状，故压制性能也较好。 但其成本较高，因制备过程控制较为复杂、耗电 量大。