第4章 材料的粉末工艺,思考题讲解

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
(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。
液相沉淀法 化学气相沉积法（CVD） 还原反应法 电化学法
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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、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。
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9、什么是均匀沉淀法和共沉淀法？
热压/热等静压烧结
指在给粉体加热的同时进行加压，以增大粉体颗粒 间的接触应力，加大致密化的动力，使颗粒通过塑 性流动进行重新排列，改善堆积状况，提高烧结速 率，降低烧结温度。
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活化烧结
采用化学或物理措施，使烧结温度降低，烧结速度 加快，或使烧结体密度和其它性能得到提高。如放 电等离子体烧结（SPS）,微波烧结等。
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粒径的主要表示方法有：
1）等体积球相当径：用等体积球的直径来描述不规则 形状颗粒的尺寸。 2）等表面积球相当径：用等表面积球的直径来描述不 规则形状颗粒的尺寸。
3） 等沉降速度相当径：利用颗粒在液体中的沉降速度 与粒径的关系来确定颗粒的粒径。
4） 投影径：利用显微镜观察颗粒的投影，可测量颗粒 的粒径。 5） 筛分径：当颗粒通过粗筛网并停留在细筛网上时， 粗细筛孔的孔径范围称为筛分径。
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5 、超细粉体会使材料性能产生哪些 性质的变化？
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材料的熔点降低
式中： T为块状物质的熔点 (T∞) 与超细粒子的熔 点之差； 为固液界面的表面张力； 为密度； L∞为块状物质的熔化潜热；D为粒子直径。
蒸汽压上升
式中： p 和 p∞ 分别表示超细粒子和块状物质的蒸 汽压；M为摩尔质量；R为摩尔气体常量；Tc为 热力学温度。
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液相烧结可以分成三个阶段： Ⅰ、形成液相—重排过程。 Ⅱ、通过颗粒向液相中溶解和重新沉淀而发 生致密度增大—溶解与沉淀过程。 Ⅲ、液相重新结晶、颗粒长大—凝结过程。
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影响烧结的因素
1、外来物质（烧结气氛、添加剂） 2、结晶构造与晶型转变 3、粉末活性（粒度、表面性质） 4、压制工艺（压制压力）
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11、为什么要对粉末进行塑化和造粒处理？ 12、粉末的成形方法主要有哪些？如何获得 结构均匀致密的成形坯体？ 13、粉体为什么能烧结？烧结的推动力是什 么？ 14、烧结方法主要有哪些？如何促进致密化 烧结？ 15、陶瓷烧结与金属的烧结有何异同？
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压制性 压缩性代表粉末在压制过程中被压紧的能 力，在标准模具中，在规定润滑条件下加 以测定，用规定压力下粉末所达到的压坯 密度表示。 成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状 的能力，用粉末得以成形的最小单位压制 压力表示，或者用压坯的强度来衡量。
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11 、为什么要对粉末进行塑化和造 粒处理？
松装密度
粉末试样自然地充填规定的容器时单位容 积内粉末的质量。单位：g/cm3 与形状、粒度、粒度分布有关
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流动性
50 克粉末从标准的流速漏斗流出所需的 时间。单位：s/50g 其倒数为单位时间流出粉末的质量，称为 流速。单位：g/s 与粉末形状、粒度、密度、表面质量有 关
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液相烧结
为什么液相烧结比气相、固相烧结速度快？
因为物质在液相中的扩散速度比在固相中 的快得多；同时固体颗粒在液相中相互滑移较 为容易；而且液相将固体颗粒润湿而在固体颗 粒之间形成弯曲的液面，在毛细管力作用下， 颗粒相互吸引彼此拉近，因此与气相、固相烧 结相比，液相烧结的速度显著提高。
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电化学法
包括水溶液电解法、熔盐电解法、有机电解质电 解法和液体金属电解法。 阳极：纯Cu板 电解液：CuSO4、H2SO4、H2O 阴极：Cu粉
电解过程示意图
1—阳极；2—阴极；3—电解液
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10、粉末的成形工艺性能取决于粉末 的哪些特性？ 一、粉末的工艺性能
5、超细粉体会使材料性能产生哪些性质的变化？
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6、粉体物理制备方法主要有哪些？各有何特 点？ 7、雾化制粉的方法有哪些？如何提高雾化制 粉的效率？ 8、粉末的化学制备方法有哪些？其工艺特点 如何？ 9、什么是均匀沉淀法和共沉淀法？ 10、粉末的成形工艺性能取决于粉末的哪些 特性？
②可由矿石或化合物直接制取难熔金属、稀有金属 ;
③能够制备各种复合材料;
④可制备非平衡组织材料。
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2、采用粉末冶金制备的材料，其性能较熔铸产品优 越： ①制取成分偏析小的合金; ②制取细晶粒、组织均匀和加工性能好的稀有金属坯 锭。 3 、粉末冶金制品表面光洁度高，尺寸精确，是一种 少切削、无切削的新工艺，可节约大量的人力和物 力。 4 、不足之处： 粉末本身的成本较高，制品的大小和 形状受到一定的限制；零件的力学性能较锻件或铸 件要低。
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12、粉末的成形方法主要有哪些？如何获得 结构均匀致密的成形坯体？ 压力成形 模压成形
等静压成形
挤压成形
增塑成形
注射成形
注浆成形
料浆成形
热压铸成形 流延成形
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13、粉体为什么能烧结？烧结的推动 力是什么？
一、烧结理论
定 义： 通常是在高温作用下粉末成形体（坯体）表面 积减小、气孔率降低、颗粒间接触面积增大、 致密度和强度提高的致密化过程。 烧结温度： 原料熔点温度（ K ）的 1/2~3/4 ；高温持续时 间：1~2h 烧结驱动力： 粉体的表面能降低和系统自由能降低。
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光学性质的变化：光泽度下降，透光率降低 稳定性降低：表面活性增加，表面吸附能力 提高，除物理吸附外还出现了化学吸附 电阻率上升：晶界、缺陷增加
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6、粉体物理制备方法主要有哪些？各 有何特点？
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
一次粒子是：又称初级粒子和原级粒子。利用各 种化学反应方法得到的最初粒子( 晶粒 ) 。一次 粒 子的大小约为 0.005 ～ 1 μ m ，比筛分的极限小得 多，在介质中有相当高的稳定性。二次粒子：由 若干一次粒子组成的聚集体，其大小一般为 1 ～ 200 μm。二次粒子的大小常与形成一次粒子时介 质中的可溶物质及为使一次粒子聚集和絮凝而加 入的添加剂等有关。
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烧结的基本过程： 动画
(1)
(2)
(3)
(1) 粘结阶段 (2) 烧结颈长大阶段
(3) 闭孔隙球化和缩小阶段
思考： 普通烧结何以不能 消除已球化小孔而 达到完全致密呢?
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烧结过程的物质传递
气相传质（蒸发与凝聚） 烧结过程中 的物质传递 固相传质（固相扩散） 液相传质（溶解和沉淀）
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4 、何谓粉体的粒度分布？频度分布与累 积分布有什么不同？
常用的方法有频度分布和累积分布两种。
频度分布曲线
累计分布曲线
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4、何谓粉体的粒度分布？频度分 布与累积分布有什么不同？
粒度分布：用特定的仪器和方法反映出粉体 样品中不同粒径颗粒占颗粒总量的百分数。 有区间分布和累计分布两种形式。区间分布 又称为微分分布或频率分布，它表示一系列 粒径区间中颗粒的百分含量。累计分布也叫 积分分布，它表示小于或大于某粒径颗粒的 百分含量。
塑 化(Plastification)
添加塑化剂，使坯料具有可塑性，即坯料在外力的作 用下发生无裂纹的变形。
常用的塑化剂：
1）无机塑化剂：粘土、膨润土等
2）有机塑化剂：聚乙烯醇、CMC等
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造粒
目的：改善粉体的流动性能
在较细的原料中加入塑化剂，制成粒度较粗、 流动性好的粒子。 常用于粉体较细的原料如硬质合金制品的成形。
真空烧结
将粉体压坯放入到真空炉中进行烧结。
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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 (g) → SiC (s) + 3HCl (g)
2）反应沉积：
TiCl4 (g) + CH4 (g) → TiC (s) + 4HCl (g)
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第4章 材料的粉末工艺
§4.1 粉末冶金 §4.2 陶瓷的粉末工艺
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思考题
1、粉末冶金工艺有何特点？其主要的工艺过程包括？
2、粉末按粒径可分为哪四类？其粒径范围分别是？ 3、什么是粉体的一次粒子和二次粒子？粒径的表示方法主 要有哪些？ 4、何谓粉体的粒度分布？频度分布与累积分布有什么不同？
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2、粉末按粒径可分为哪四类？其粒径 范围分别是？
粉末的分类
颗 粉 粒（＞100m） 体 （1~100 m , 微粉1~28 m ）
超细粉体 （0.1~1 m ）
纳米粉体 （＜ 0.1 m ）
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3、什么是粉体的一次粒子和二次粒子？粒径的表 示方法主要有哪些？
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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 比较适用于脆性材料
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二、粉末的物理制备方法
雾化法 物理蒸发冷凝/物理气相沉积(PVD)法
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1 均匀沉淀法
依靠溶液内部缓慢均匀地生成沉淀剂而进行 沉淀反应地方法。
（例如：尿素水解制备盐类） (NH2)2CO十3H2O2NH4OH十CO2
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2 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。 例：在氨水溶液中制备氧化锆合氧化钇复合粉 体。
ZrOCl2十4NH4OHZr(OH)4十2NH4Cl十2NH3十H2O YCl3十3NH4OHY(OH)3十3NH4Cl
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物理蒸发冷凝/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
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8 、粉末的化学制备方法有哪些？其 工艺特点如何？
1、粉末冶金工艺有何特点？其主要的工艺过程包 括？ 答：粉末冶金 (Powder Metallurgy) 就是通过粉 末的制取、粉末的成形及烧结而制备金属和金属 基复合材料及其制品的一种工艺过程。
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工艺特点
1、粉末冶金能够制备普通熔铸法无法生产的具有 特殊性能的材料，如：
①可制备多孔材料;
成形压力与产品 烧后密度的关系
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14、烧结方法主要有哪些？如何促进 致密化烧结？
常压烧结
按压力分类
压力烧结
按气氛分类 固相烧结
普通烧结 气氛烧结
液相烧结
按坯体内部 状态分类 气相烧结
活化烧结
反应烧结
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常见的烧结方法
常压烧结
是指在通常的大气压力或微正压条件下进行烧结的方 法，包括通常的在空气氧气中烧结和非氧化性保护 气氛下烧结。
7 、雾化制粉的方法有哪些？如何提高雾化 制粉的效率？ 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。
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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
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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； 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。