第二章粉体的制备与合成
粉体的定义
粉体的制备方法-------机械法和化学合成法一、粉体的定义：粉体是大量颗粒的集合体，即颗粒群，又称为粉末；颗粒是小尺寸物资的通称，其几何尺寸相对于所测的空间尺度而言比较小，从厘米级到纳米级不等，又称为粒子；颗粒是粉体的组成单元，是研究粉体的出发点。
粉体是由诸多颗粒组成，是大量颗粒的宏观表现，其性质取决于各颗粒，并受颗粒堆积情况、颗粒之间的介质、外界作用力的影响。
二、机械法制备粉体用机械力进行粉碎，可以将各种金属矿物、非金属矿物、煤炭等制成粉体，适用于大规模工业生产。
在粉碎过程中，大块物料在机械力作用下发生破坏而开裂，经破碎成为许多小块、小颗粒，进一步经粉磨成为细粉体。
在出现破坏之前，固体受外力作用，先发生可恢复原形的弹性变形，当外力达到弹性极限时，固体县发生永久变形而进入塑性变形阶段；当塑性变形达到极限时，固体开裂，被破坏。
作用在固体上的应力按作用方向可分为压应力和剪应力。
观察固体破坏时的断面的形状可知，固体在压应力的作用下被压裂，或是在剪应力的作用下产生滑移，或是在两者的共同作用下开裂。
粉碎是在外力作用下使大物块料克服内聚力碎裂成若干小颗粒的加工过程，所使用的外力可以是各能量产生的机械力；粉碎是以单个颗粒的破坏为基础的，是大颗粒破坏的总和。
根据所得产物的粒度不同，可将粉碎分为破碎与粉磨；破碎是使大块物料碎裂成小块物料的加工过程，粉磨是使小块物料碎裂成细粉体的加工过程。
粉碎机械：按照主要作用力的类型（压应力、剪应力）和排料粒度，可以将粉碎机械大致分为破碎机械、粉磨机械、超细粉碎机械。
粉碎作用力以压应力为主、排料中以粒径大于3mm颗粒为主的称为破碎机械；粉碎作用力以压应为主、排粒中以粒径小于3mm颗粒为主的称为粉磨机械；排料中以粒径小于10微米颗粒为主的称为超细粉碎机械。
常用的破碎机械有锤式破碎机、鄂式破碎机、圆锥破碎机、反击式破碎机、锤式破碎机等；粉磨机械有雷蒙磨、轮碾机、筒磨机、振动磨、高压锟式机等。
陶瓷工艺学习题答案
一、绪论及陶瓷原料1、传统陶瓷和特陶的相同和不同之处？2、陶瓷的分类依据？陶瓷的分类？3、陶瓷发展史的四个阶段和三大飞跃？4、宋代五大名窑及其代表产品？5、在按陶瓷的基本物理性能分类法中，陶器、炻器和瓷器的吸水率和相对密度有何区别？6、陶瓷工艺学的内容是什么？7、陶瓷生产基本工艺过程包括哪些工序？8、列举建筑卫生陶瓷产品中属于陶器、炻器和瓷器的产品？9、陶瓷原料分哪几类？10、粘土的定义？评价粘土工艺性能的指标有哪些？11、粘土是如何形成的？高岭土的由来和化学组成；12、粘土按成因和耐火度可分为哪几类？13、粘土的化学组成和矿物组成是怎样的？14、什么是粘土的可塑性、塑性指数和塑性指标？15、粘土在陶瓷生产中有何作用？16、膨润土的特点；17、高铝质原料的特点和在高级耐火材料中的作用；18、简述石英的晶型转化在陶瓷生产中有何意义？19、石英在陶瓷生产中的作用是什么？20、各种石英类原料的共性和区别，指出它们不同的应用领域；21、长石类原料分为哪几类？在陶瓷生产中有何意义？22、钾长石和钠长石的性能比较；23、硅灰石、透辉石、叶腊石（比较说明）作为陶瓷快速烧成原料的特点；24、滑石原料的特点，为什么在使用前需要煅烧？25、氧化铝有哪些晶型？为什么要对工业氧化铝进行预烧？26、氧化锆有哪些晶型？各种晶型之间的相互转变有何特征？27、简述碳化硅原料的晶型及物理性28、简述氮化硅原料的晶型及物理性能。
二、粉体的制备与合成1、解释什么是粉体颗粒、一次颗粒、二次颗粒、团聚？并解释团聚的原因。
2、粉体颗粒粒度的表示方法有哪些？并加以说明。
3、粉体颗粒粒度分布的表示方法有哪些？并加以说明。
4、粉体颗粒粒度测定分析的方法有哪些？并说明原理。
5、粉体颗粒的化学表征方法有哪些？6、粉碎的定义及分类，并加以说明。
7、常用的粉碎方法有哪些？画出三种粉碎流程图。
8、机械法制粉的主要方法有哪些？并说明原理。
9、影响球磨机粉碎效率的主要因素有哪些？10、化学法合成粉体的主要方法有哪些？并说明原理。
粉体制备流程
粉体制备流程粉体制备是将原料粉末通过一定的加工工艺，制备成符合要求的粉末产品的过程。
粉体制备在多个领域都有应用，比如材料科学、化学工程、制药工程等。
下面将详细介绍粉体制备的一般步骤和流程。
1. 原料准备•首先需要准备所需的原料，原料可以是固态物质、液态物质或气态物质。
原料的选择应根据所需制备的粉末特性和用途来确定。
•对于固态原料，要确保其颗粒大小和形状均匀、无结块，并且符合所需粉末的要求。
•对于液态原料，要确保其纯度高、稳定性好，并且符合所需粉末的要求。
2. 破碎和分散•如果原料是固态物质，通常需要进行破碎和分散的处理。
这可以通过机械碾磨、研磨等方法来实现。
•目的是将原料块破碎成颗粒较小的粉末，并且使得粉末分散均匀。
3. 混合和均质•粉体制备过程中，通常需要将多种原料进行混合，以得到所需的成分组合和均匀性。
•常用的混合设备有双轴混合机、容器倾斜式混合机、环保式混合机等。
•混合过程中，要控制混合时间、混合速度和混合温度，以确保混合均匀。
4. 加工和成型•经过混合的原料通常需要进行进一步的加工和成型，以得到所需的产品形态。
•加工和成型的方法有很多种，比如干压制、湿压制、注射成型等，具体的选择要根据原料性质和产品要求来确定。
5. 干燥和烧结•加工和成型后的粉末通常需要进行干燥和烧结的处理。
•干燥的目的是除去粉末中的水分，提高粉末的密实度。
•烧结是指将粉末在高温下加热，使其颗粒间形成金属键或键合，提高粉末的力学性能和化学稳定性。
6. 表面处理•在一些应用中，粉末的表面性质对最终产品的性能有重要影响。
•表面处理方法有很多种，比如涂覆、喷涂、渗透等，具体的选择要根据表面需求来确定。
•表面处理的目的是改善粉末的应用性能，比如提高粉末的润湿性、抗腐蚀性等。
7. 品质检测•粉体制备过程中，需要对产品进行品质检测，以确保产品符合要求。
•常用的品质检测方法有颗粒度分析、比表面积测试、粉末流动性测试、化学成分分析等。
•品质检测的结果将指导后续工艺的优化和改进。
第二章粉体的制备与合成
2020/5/8
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2.2.4 粉体颗粒晶态的表征
1. X射线衍射法(X-Ray Diffraction，XRD)
基本原理是利用X射线在晶体中的衍射现象必须满足布拉格(Bragg)公式： nλ=2dsinθ
具体的X射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉末法、衍射仪法等，其中常用于 纳米陶瓷的方法为粉末法和衍射仪法。
自动筛 微粒沉降仪 移液管，密度差光学沉降仪，β射线返回散射仪，沉 降天平，X射线沉降仪
移液管，X射线沉降仪，光透仪，累积沉降仪
感应区法
湿 湿或干
电阻变化技术 光散射，光衍射，遮光技术
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续表
方法 X射线法
表面积法
其他方法
条件 干 湿 干 干 湿
干或湿
技术和仪器
吸收技术，低角度散射和线叠加
β射线吸收
外表面积渗透 总表面积、气体吸收或压力变化，重力变化，热
导率变化 脂肪酸吸收，同位素，表面活性剂，溶解热 全息照相，超声波衰减，动量传递，热金属丝蒸
发与冷却
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2.2.2 颗粒形状、表面积和扫描技术
获取颗粒形貌的主要目的是获取颗粒反应活性的信息，要准确知道颗粒尺寸、 颗粒尺寸分布、总的表面积和颗粒的体积分布等变量。还可以根据颗粒尺寸分布 状况来判断烧成过程种收缩的影响因素，判断细颗粒的含量对烧成收缩的影响等。 有关的图象处理计数软件很多，如Kontron MOP和Leitz ASM，LEICA等。 描述粒径分布的方式：一是将获得的数据拟合成标准的函数分布（标准分布、 对数标准分布）；另一种方法是利用绘图来表示有关结果。
材料工程基础-第二章 粉末材料制备
机械制粉
物理制粉 化学制粉
第一节 机械制粉法
• 机械制粉法是超细粉体中最常用的方法之一，在金属、 非金属、有机、无机、药材、食品、日化、农药、化 工、电子、军工、航空及航天等行业广泛应用。
•
常用的：辊压式、辊碾式、高速旋转式、球 磨式、介质搅拌式、气流式粉碎机； • 新近开发的：液流式、射流粉碎机、超低温、 超临界、超声粉碎机等。 • 介绍：各种具体粉碎方式及设备的粉碎原理、 功能、特性、结构及适应范围。
旋转撞击式制粉
主要是利用高速旋转的部件产生的强冲击力、剪切力摩擦而使物料 被粉碎。
高速旋转粉碎机由于结构及作用力的方式不同又分为：销棒粉碎机 （针状磨）、摆式粉碎机、轴流式粉碎机（笼式磨）、筛分磨、离 心分级磨等。 （一）销棒粉碎机（针状磨）
转子、定子和 腔壁撞击环
在转子和定子上分别布置一定圈数的撞击齿。
绪
论
行
化 食 颜 能 电 建
业
工 品 料 源 子 材
用
途
涂料、油漆、催化剂、原料处理 粮食加工、调味料、保健食品、食品添加剂 偶氮颜料、氧化铁系列颜料、氧化铬系列 煤粉燃烧、固体火箭推进剂、水煤浆 电子浆料、集成电路基片、电子涂料、荧光粉 水泥、建筑陶瓷生产、复合材料、木粉 梯度材料、金属与陶瓷复合材料、颗粒表面改性 脱硫用超细碳酸钙、固体废弃物的再生利用、粉状污水处理剂 粒度砂、微粉磨料、超硬材料、固体润滑剂、铸造型砂
（3）粉碎物料的热敏性
粉碎过程中的能量大部分转化为热量，应考虑热量对粉碎效果的 影响。尤其是热敏性材料及低溶点、易熔化、易粘结的材料（如 石蜡），将严重影响粉碎机的粉碎效果。 可使物料粉碎至10微米以下。
（二）锤式与摆锤式粉碎机
•
粉体的合成与制备I
一. 溶胶-凝胶法
— Au修饰SiO2纳米粒子的制备
氨水的作用： 保持其他条件不变，不加氨水进入体系，此时测得溶液 的pH～3.5，反应5h 后取沉淀做TEM，SiO2球表面没有任何 Au 颗粒，球外也没有观测到Au 的颗粒，HAuCl4几乎没有 被甲醛还原。
用NaOH 代替氨水调体系的pH 值，当甲醛刚滴加到体 系后，溶液的颜色马上变黑，TEM 观察到绝大多数的Au 颗粒都散落在SiO2球的外部，也没有达到将Au 修饰到 SiO2表面的目的。
第五步：干凝胶的热处理。其目的是消除干凝胶中的气 孔，使制品的相组成和显微结构能满足产品性能要求。 在热处理时发生导致凝胶致密化的烧结过程，由于凝胶 的高比表面积、 高制品质量。
一. 溶胶-凝胶法
超临界干燥
—
基本过程
• 为得到单分散的SiO2球，TEOS 的浓度不能过高。对于 总反应体积 50ml 的体系来说， 2.2mlTEOS 的量是比较 合适的。
一. 溶胶-凝胶法
— Au修饰SiO2纳米粒子的制备
方法：称取SiO2超声分散在去离子水中。在磁力搅拌下， 加入HAuCl4溶液，用氨水调pH，然后滴加甲醛。常温搅 拌。离心，得到修饰的沉淀物。将产物用去离子水洗，在 烘箱内烘干。
3Fe(s) + 4H2O Fe3O4 + 4H2
2Cr(s) + 3H2O
Cr2O3 + 3H2
二. 水热与溶剂热法 — 反应类型
3. 水热沉淀 水热与溶剂热条件下，生成沉淀得到新化合物的反应。
KF + CoCl2
KF + MnCl2
KCoF3
KMnF3
4. 水热热压 在水热热压条件下，材料固化与复合材料的生成反应。 例如：日本对于低含量放射性废料，通过水热热压法， 将含硼的放射性废物与玻璃相混，通过水热热压固化成型 后，深埋于地下。
粉体制备原理与技术
粉体制备原理与技术粉体制备是指将原始材料通过机械、化学和物理方法处理，制成粉末状物质的技术。
粉体制备广泛应用于电子材料、陶瓷材料、金属材料、化工原料、医药、食品等领域。
粉体制备的原理和技术主要包括物理方法、机械方法、化学方法三种。
一、物理方法物理方法主要是利用气态、液态、固态外力（如磨削、撞击等）对物料进行处理，从而达到制备粉末的目的。
物理方法包括：1、凝结法凝结法是将高温金属蒸气通过冷凝器冷却，然后在表面沉积下来，形成一定的粉末形态。
凝结法适用于制备高纯度和特殊结构的金属和非金属材料。
2、气溶胶法气溶胶法是将气态的化学物质喷入高温气氛中，形成微米或亚微米细小颗粒，再利用自由下落或超离心等手段进行收集。
气溶胶法适用于制备特殊形态的粉末，如其形态为球状时，制备涂层材料的效果更佳。
3、溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是在液体介质中形成溶胶，利用物理或化学方法处理形成凝胶，再煅烧得到所需的粉末。
溶胶-凝胶法的特点是制备出的产品纯度高、颗粒尺寸均匀，但生产工艺复杂，成本较高。
二、机械方法机械方法主要是利用机械非均相作用力对原材料进行研磨、切割等处理，破碎成为粉末的方法。
机械方法包括：1、球磨法球磨法是一种通过机械碾磨将原料粉碎成微米甚至纳米级的粉末的方法。
通过球磨法制备出的粉末颗粒尺寸分布范围比较小，形态规则，可形成均匀的合金体系。
2、细化法细化法是通过高频振动、喷射流等力学作用和化学反应过程，使材料粉末实现亚微米级、甚至纳米级的颗粒级细化加工。
三、化学方法化学方法即通过化学反应形成晶体或沉淀，再将其煅烧后得到所需的粉末。
化学方法包括：1、软化化学反应法软化化学反应法是通过添加某些试剂，将反应组分分子分解成无机气相分子，而后这些分子再反应成所需的无机晶体，最后制成粉末。
软化化学反应法适用于制备难度较大的无机晶体粉末。
2、锔合成法锔合成法是先将所需的无机或有机化合物溶解在一定的有机溶剂或水溶剂中，制成溶液，然后将其快速蒸发和烘烤，得到所需的粉末。
第二章 功能陶瓷的制备与工艺学
二、功能陶瓷粉体的制备方法
气体中蒸发法是在惰性气体（或活泼性 气体）中将金属、合金或陶瓷蒸发气化， 然后与惰性气体冲突，冷却、凝结（或 与活泼性气体反应后再冷却凝结）而形 成纳米微粒。 用气体蒸发法制备的纳米微粒主要具有 如下特点：表面清洁；粒度齐整，粒径 分布窄；粒度容易控制。
二、功能陶瓷粉体的制备方法
化学气相反应法制备纳米微粒是利用挥发性的 金属化合物的蒸汽，通过化学反应生成所需要 的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而 制备各类物质的纳米微粒。该法也叫化学沉积 法（简称CVD法）。用气相反应法制备纳米微 粒具有很多优点，如颗粒均匀、纯度高、粒度 小、分散性好、化学反应活性高、工艺可控和 过程连续等。此法适合于制备各类金属、金属 化合物以及非金属化合物纳米微粒，如：各种 金属、氮化物、碳化物、硼化物等。
f 水热法： g 溶剂蒸发法：分为喷雾干燥法、喷雾热分解法、冷冻干燥法 h 微乳液法：
二、功能陶瓷粉体的制备方法
3、气相法：物理气相沉积法和化学气相沉 积法
气相法是直接利用气体或者通过各种手段 将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理 变化或化学变化，最后在冷却过程中凝聚长大 形成纳米微粒的方法。气相法又大致可分为： 气体中蒸发法(物理)、化学气相反应法、化学 气相凝聚法和溅射法。
共沉淀法
含多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有离子完全 沉淀的方法称为共沉淀法。 研究的思路： 确定制备的化合物的形式如：含钇的氧化锆，和 FeMnZn铁氧体 选择合适的溶液 选择合适的沉淀剂 共沉淀条件如：反应温度、反应时间、沉淀剂用量、 反应物的浓度等 产物的分析：a.沉淀物的成分分析（原子吸收、等离 子发射光谱ICP等）；b.沉淀物的热解(TGA)；c.产物分 析（成分、相结构XRD、形貌SEM等）
粉体的合成制备方法
粉体的合成制备方法发展状况如今，粉体的合成制备经过多年的发展，制备合成方法已经变得各种各样按理论也可分为物理和化学方法等纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。
1.物理方法(1)真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。
其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。
2)物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。
其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。
(3)机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。
其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。
2. 化学方法(1)气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。
其特点产品纯度高，粒度分布窄。
(2)沉淀法把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。
其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。
(3)水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。
其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。
(4)溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。
其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。
(5)微乳液法两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。
其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。
按照反应物的相可分为三类气相合成法，固相合成法和液相合成法。
一、气相合成法（1）电阻加热法是通过电阻加热来实现气相粉体制备的方法，典型工艺如蒸发冷凝工艺及化学气相沉积工艺。
前者可制备多种金属纳米粉体；后者可制备氧化物粉体，也可制备氮化物和碳化物等非氧化物粉体。
（2）电子束加热法同样有蒸发冷凝和CVD两种工艺，只是以电子束加热。
该法是从制模工艺发展而来，为避免形成薄膜材料，采用流动油面积。
材料制备与加工期末复习重点(粉体部分)
材料制备与加工期末复习重点--粉体部分第二章 粉末材料制备1. 从制备过程来看，制粉方法可以分为几大类？各自主要特征是什么？ ① 机械制粉：通过机械破碎、研磨或气流研磨的方法机械法达到的最小粉体粒度有一定限制，而且制备过程中极易引入杂质，但具有成本低、产量高、制备工艺简单等特点。
② 物理制粉：采用蒸发凝聚或液体雾化的方法③ 化学制粉：依靠化学或电化学反应过程物理法和化学法，是通过相变或化学反应，经历晶核形成和晶体生长形成固体粒子，其工艺过程精细，粉体性能可控性好，成本相对较高。
2. 球磨包括哪几个基本要素？球磨筒、磨球、研磨物料、研磨介质3. 球磨方式有哪几种？滚筒式、振动式、搅动式。
4. 提高球磨效率的基本原则？提高球磨效率的两个基本准则：① 动能准则：提高磨球的动能。
② 碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率。
5. 雾化制粉中包含哪几个基本过程？① 过程一:一个大的液珠在受到外力冲击的瞬间，破碎成数个小液滴。
② 过程二:液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相互接触，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，体系的总表面能降低，属于自发过程。
③ 过程三:液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。
6. 雾化制粉的两条基本准则？提高雾化制粉效率的两条基本准则：① 能量交换准则：提高液体从系统中吸收能量的效率，以利于表面自由能的增加；② 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。
7. 沉淀法（直接沉淀法、共沉淀法、均匀沉淀法）沉淀法的原理：在难溶盐的溶液中，当浓度大于它在该温度下的溶解度时，就出现沉淀。
质分子或离子互相碰撞聚结成晶核，晶粒。
影响因素浓度、温度、pH 值、沉淀剂加入方式、反应时间等。
① 直接沉淀法：燥、煅烧获得所需粉体。
盐溶液→滴加沉淀剂→搅拌→沉淀物→洗涤→干燥→煅烧→粉体。
常使用铵盐法或草酸盐法。
AlCl 3+3NH 4OH →Al(OH)3+3NH 4Cl2Al(OH)3→Al 2O 3+3H 2O 机械制粉 物理制粉②共沉淀法：两种或两种以上金属盐溶液的混合沉淀过程。
粉末冶金原理第二章
(2)多相反应的特点
1)多相反应的速度方程式。 ① 界面上的化学反应速度比反应剂扩散到界面的速度快得 多，于是ci=0。这种反应是由扩散环节控制的，其速度=(D/δ) A(c-ci)=k1Ac0。 ② 化学反应比扩散过程的速度要慢得多，这种反应是由化 学环节控制的，其速度=，n是反应级数。
1.金属氧化物还原的热力学
3)位于图中最下面的几条关系线所代表的金属如钙、镁等与 氧的亲和力最大，所以，钛、锆、钴、铀等氧化物可以用钙、 镁作还原剂，即所谓的金属热还原。
1.金属氧化物还原的热力学
图2-10 金属氧化物Δ -T
例CO2还-2原就时ApCl2OO/是3生多成少反？应，求在1620℃下，Al2O3被
(2)多相反应的特点
③ 若扩散过程与化学反应的速度相近，这种反应是由中间 环节控制的。这种反应较普遍，在扩散层中具有浓度差，但 ci≠0。其速度=k1A(c-ci)=k2Acn，设n=1，则k1A(c-ci)=，所以c i=k1c/(k1+k2)，将ci值代入k1A(c-ci)得:速度=k1k2Ac/(k1+k2)=kA c。如果k2<<k1，则k=k2，即化学反应速度常数比扩散系数小 得多，扩散进行得快，在浓度差较小的条件下能够有足够的 反应剂输送到反应区，整个反应速度取决于化学反应速度， 过程受化学环节控制。如果k1<<k2，则k=k1=D/δ，即化学反 应速度常数比扩散系数大得多，扩散进行得慢，整个反应速 度取决于反应剂通过厚度为δ的扩散层的扩散速度,过程受扩 散环节控制。当过程为扩散环节控制时，化学动力学的结论 很难反映化学反应的机理。 2)多相反应的机理。
图2-11 氧化物的Δ -T图附加的专用坐标解说图
粉体制备与合成(精)
粒度分佈曲線包括累積分佈曲線和頻率分佈曲線， 如圖2.2所示。 其中圖(a)為頻率分佈曲線， 圖(b)為累積分佈曲線。
15
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顆粒粒徑包括眾數直徑(dm) 、 中位徑 (d50或 d1/2)和平均粒徑（d-）。
眾數直徑是指顆粒出現最多的粒度值，即頻率曲 線的最高峰值； d50、d90、d10分別指在累積分布曲線上占顆粒總 量為50％、90％、及10％所對應的粒子直徑，
粉体製備與合成
1
粉體的製備與合成
所謂粉體 （powder），就是大量固體粒子的集合系， 它表示物質的一種存在狀態，既不同於氣體、液體、也 不完全同於固體。因此，有人將粉體看作是氣、液、固 三態之外的第四相。 粉體由一個個固體顆粒組成，它仍有很多固體的屬性， 如物質結構、密度、顏色、幾何尺寸等。
3
粉體的製備方法一般可分為粉碎法和合成法兩種， 粉碎法是由粗顆粒來獲得細粉的方法，通常採用 機械粉碎、氣流粉碎、球磨和高能珠磨。 但是，在粉碎過程中難免混入雜質，另外，無論 哪種粉碎方式，都不易制得粒徑在1μm以下的微 細顆粒。 合成法是由離子、原子或分子通過反應、成核和 生長、收集、後處理來獲得微細顆粒的方法。 這種方法的特點是純度、粒度可控均勻性好、顆 粒微細、並且可以實現顆粒在分子級水準上的複 合、均化。通常合成法包括固相法、液相法和氣 相法。
Δd50指半數直徑，即最高峰的半高寬平均粒徑。
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粉體的顆粒尺寸及分佈、顆粒形狀等是其最基本 的性質，對陶瓷的成型、燒結有直接的影響。 由於團聚體對物體的性能有極重要的影響，所以 一般情況下團聚體的表徵單獨歸為一類討論。
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2.l.1· 4粉體顆粒的測試方法及原 理
粉体合成与制备
粉体制备的重要性与应用领域
重要性
粉体制备是材料科学和工程领域的重 要技术之一，对于制备高性能材料、 开发新材料、优化材料性能等方面具 有重要意义。
应用领域
粉体制备技术在陶瓷、金属、塑料、 涂料、电池、催化剂等领域广泛应用， 涉及到能源、环保、电子信息等多个 领域。
粉体制备技术的发展历程
01
传统制备技术
传统制备技术包括机械研磨法、化学沉淀法、气相沉积法等，这些技术
具有操作简单、成本低等优点，但制备的粉体纯度低、粒度分布不均匀。
02 03
现代制备技术
现代制备技术包括化学气相沉积法、物理气相沉积法、溶胶-凝胶法等， 这些技术具有制备的粉体纯度高、粒度分布窄等优点，但设备成本高、 操作复杂。
新型制备技术
THANK YOU
环境湿度
环境湿度对粉体制备过程中水分的蒸发和吸收具有重要影响，进而影响粉体的 粒度和形貌。
制备工艺参数
合成方法
不同的合成方法如化学沉淀法、溶胶-凝胶法、喷 雾热解法等对粉体的合成与制备具有重要影响。
搅拌速度
搅拌速度影响粉体制备过程中的混合程度和反应 速度，进而影响粉体的粒度和形貌。
结晶与老化条件
结晶与老化条件影响粉体的晶体结构和相组成， 进而影响粉体的性能和应用。
物理气相沉积法
通过加热、电弧、激光等手段将气体元素或化合物蒸发并沉积 在基材上，形成粉体。该方法可以制备高纯度、粒度均匀的粉 体，但设备成本较高。
化学法
化学沉淀法
通过向溶液中加入沉淀剂，使溶液中的离子形成不溶性的沉淀物，再经过滤、洗涤、干燥 等步骤获得粉体。该方法可以制备高纯度、粒度较细的粉体，但工艺较为复杂。
04
粉体制备的挑战与解决方案
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表面分析要求电子束或离子束在样品内的传统深度小于
200nm。
陶瓷工艺学
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2.2.4 粉体颗粒晶态的表征
1. X射线衍射法(X-Ray Diffraction，XRD) 基本原理是利用X射线在晶体中的衍射现象必须
满足布拉格(Bragg)公式： nλ=2dsinθ
具体的X射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉末 法、衍射仪法等，其中常用于纳米陶瓷的方法为粉 末法和衍射仪法。
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第二章 粉体的制备与合成
体积直径：某种颗粒所具有的体积用同样体积的球 来与之相当，这种球的直径，就代表该颗粒的大小， 即体积直径。
V球
1 6
d 3
V V球
dv
3
6V
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第二章 粉体的制备与合成
斯托克斯径：也称为等沉降速度相当径。斯托克斯 假设：当速度达到极限值时，在无限大范围的粘性 流体中沉降的球体颗粒的阻力，完全由流体的粘滞 力所致。这时可用下式表示沉降速度与球径的关系 （Re≤0.2）：
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2.2.3 粉体颗粒的化学表征
一、 粉体化学成分确定
•(1) 分析化学方法 •(2) X射线荧光技术(X-ray fluorescence technique)(XRF) •(3) 质谱(mass spectroscopy)(MS) •(4) 中子激活分析(neutron activation analysis) •(5) 电子微探针(electron probe microanalyzer)(EPMA) •(6) 离子微探针(ion probe microanalyer)(IPMA)
要求不严格 寸有一定要求，厚 100~200 nm或者
度<500nm
复型
优点：简单，直观， 可进行形貌分析，分辨率高。 缺点：样品少，代表性差，仪器价格昂贵。
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第二章 粉体的制备与合成
（4） X射线衍射线线宽法
（适用范围1~100 nm的晶粒尺寸）
当晶粒度小于100 nm时，细小晶粒可引起X-衍射线的 宽化，其X-衍射线强度的半宽度B与晶粒尺寸D关系可 用谢乐公式表示。
第二章 粉体的制备与合成
续表
方法 X射线法
表面积法
其他方法
条件 干 湿 干 干 湿
干或湿
技术和仪器
吸收技术，低角度散射和线叠加
β射线吸收
外表面积渗透 总表面积、气体吸收或压力变化，重力变化，热
导率变化 脂肪酸吸收，同位素，表面活性剂，溶解热 全息照相，超声波衰减，动量传递，热金属丝蒸
发与冷却
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第二章 粉体的制备与合成
（5） 吸附法（比表面积法）（<100 m）
原理：粉体的 比表面积随粒径的减少而迅速增加的原理，通 过粉体层中比表面积的信息与粒径的关系求得平均粒径。 （局限：不能求得粒度分布）
（6）感应区法:电阻变化法；光学方法 （7）X小角散射
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自动图像与分析仪
筛分法
干或湿
编织筛和微孔筛
湿
自动筛
沉降法
干/重力沉降
微粒沉降仪
湿/重力沉降
移液管，密度差光学沉降仪，β射线返回散射仪， 沉降天平，X射线沉降仪
湿/离心沉降 移液管，X射线沉降仪，光透仪，累积沉降仪
感应区法
湿 湿或干
电阻变化技术 光散射，光衍射，遮光技术
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流动性、变形性、可压缩性等 （非固体属性）
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第二章 粉体的制备与合成
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第二章 粉体的制备与合成
• 组成粉体的固体颗粒的粒径是粉体最重要的物理性能，对粉 体的比表面积、可压缩性、流动性和工艺性能有重要影响， 同时也决定了粉体的应用范围。
增值法：固固定定高时度间：：测测量量浓浓度度随随时高间度的的变变化化。。
累积法：测量颗粒从悬浮液中沉降出来的速度。
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第二章 粉体的制备与合成
Q: 粒度较大的颗 粒，沉降速度过 快，采取何措施
有利于检测？
stk(s18f )gds2tk
重力沉降
stk(s 18f )2rds2tk
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扫描电镜（SEM）
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b
第二章 粉体的制备与合成
c 500 x
a
滤纸
100 m
2 m
10000 x
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5 mm
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a1
第二章 粉体的制备与合成
b1
1 cm
1 cm
上面所介绍的探针技术在样品内的穿透深度大约是1 m。
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二、表面化学成分
•(1) X射线质子发射谱(X-ray photoemission spectroscopy)(XPS)或化学分析电子(electron spectroscopy for chemical analysis)(ESCA) •(2) 俄歇电子谱(Auger electron spectroscopy)(AES) •(3) 二次离子质谱(secondary-ion mass spectrometry )(SIMS) •(4) 扫描俄歇电子显微镜(scanning Auger microscopy)(SAM)
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第二章 粉体的制备与合成
（1）筛分法（>37 m）
筛网开口 直径
r1
颗粒粒度 d > r1
r2 < d < r1 r2
优点：操作便捷 缺点：分辨率低，精确度小
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d < r2
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（2）沉降法 （重力沉降：>100 nm；离心沉降：≈100 nm）
Scherrer 公式：
B 0.89 Dcos
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Intensity （ 111） （ 200） （ 220） （ 311） （ 222）
Intensity
TiN粉末的XRD图
6000
5000 4000
TiN
3000
2000
1000
0
20
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第二章 粉体的制备与合成
频率分布――表示与各个粒径相对应的粒子占全部颗粒的百分含量。
累积分布――表示小于或大于某一粒径的粒子占全部颗粒的百分含量。
Q:
累积分布是频率分布的积分形式。
1. 样品中占颗粒总量80%
的颗粒的粒径是多少？
粒度分布曲线：包括累积分布曲线和频率分布曲线。
2.1.1.1 粉体颗粒
粉体颗粒：组成粉体的颗粒称为粉体颗粒，是指在物质的结 构不发生改变的情况下，分散或细化得到的固态基本颗粒。
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第二章 粉体的制备与合成
2.1.1.1 粉体颗粒
一次颗粒（单颗粒，真颗粒）：没 有堆积、絮联等结构的最小单元的 颗粒。
二次颗粒（假颗粒）：在一定程度 上团聚了的颗粒。
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第二章 粉体的制备与合成
2. 电子衍射法(E1ectron Diffraction)
电子衍射法与X射线法原理相同，遵循劳厄方 程或布拉格方程所规定的衍射条件和几何关系。
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第二章 粉体的制备与合成
团聚：一次颗粒之间由于各种力的作用而聚集在一起成为 二次颗粒的现象。可分为软团聚和硬团聚。
软团聚 团聚的原因: 分子间的范德华引力；颗粒间的静电引力；吸附 水分产生的毛细管力；颗粒间的磁引力；颗粒表面不平滑引起 的机械纠缠力。
团聚体（即二次颗粒）易被外力破 碎而重新分散成一次颗粒，对粉 末的烧结性和材料的显微组织不 会造成大的不利影响。
2.1.1.2 粉体颗粒的粒度
粒度：颗粒在空间范围所占大小的线性尺寸。 d
粒度的表示方法：
d
V d
球形颗粒：直径
V颗粒的某种意义的相当球或者相
当圆的直径（即等当直径）
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几种等当直径的定义
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a2
b2
70 nm
200 nm
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500 nm
500 nm
不同粒度二氧化硅纳米颗粒的照片和SEM图
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TEM
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20 nm 二氧化硅纳米颗粒的
TEM图
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实心二氧化硅纳米颗 粒的TEM图
30
40
50
60
70
80
2 （ Degree）
6000 5000 4000 3000 2000 1000
0
B
42
43
2 （ Degree）
B 0.89 Dcos