第一章 粉末性能

氧化物、硅酸盐等。 ● 表面吸附物（chemical adsorption and physical adsorption）：
水，氧，空气 ● 制粉过程中带进的杂质
电解、雾化、气体还原粉末中的C、N、H、O等
2021/4/30
9 School of Materials Science and Engineering
二、粉末性能
粉末性能分类
（1）单颗粒性能（质） （2）粉末体性能（质）： （3）粉末孔隙特性：
由材质决定：
单颗粒性能 +粒度组成、 总孔隙、颗粒间孔隙、
点阵类型、理论密度、 平均粒度、比表面、振实 颗粒内孔隙、孔隙的开
熔点、电磁性能…… 由制粉方法决定：
密度、松装密度、流动性、 闭性、孔隙大小、形状
粉末中的杂质类型
● 与主成分结合，形成固溶体或化合物的金属或非金属（合金元素 alloying elements ）： Fe-C， Fe-Ni，W-Mo，Ti3Al，Ai3Ti， LaNi5（电池材料）等。
● 原料机械夹杂 （mechanical impurities） ： 主要为非金属类机械夹杂物no-metallic impurities： Si、Al
预备知识 粉末性能简介
（Powder Properties）
一、基本概念 二、粉末性能 三、粉末粒度
2021/4/30
1 School of Materials Science and Engineering
一、基本概念
ຫໍສະໝຸດ Baidu（一）名词
粉末（粉末体）powder（mass）：粒度小于1000 µm的颗粒的集 合体（包括固体颗粒与颗粒间的孔隙） 粉末颗粒（particle）：组成粉末的固体微粒 一次颗粒（单颗粒）（single particle） 二次颗粒（secondary particle） 颗粒团（particle agglomerates ）：由单颗粒或二次颗粒依靠范 德华的作用下结合而成的粉末颗粒，易于分散（easy to disperse） 团粒：造粒的产物
氢损值=（A-B）/（A-C）x 100%
A—粉末（5克）加烧舟tray的质量；B—氢气中煅烧后残留 remained物加烧舟的质量；C—烧舟的质量
● 酸不溶物法—ISO-4496
2021/4/30
11 School of Materials Science and Engineering
（二）粉末的物理性能 Physical Properties
● 粉末强度愈高,硬度愈高, 混合粉末的强度strength比合金粉末的强 度低, 合金化可以使得金属强化, 硬度随之提高；
● 不同方法生产同一种金属的粉末，显微硬度是不同。粉末纯度 purity越高，硬度越低，粉末退火降低加工硬化程度、减少氧、碳 等杂质含量后，硬度降低。
● 硬度反映了粉末的塑性，对粉末的压制性能有重要的影响，模压成 形时对模具的寿命影响显著。
● 似密度（表观密度，false density）D3的测定— 阿基米德原理 （特殊的处理）
2021/4/30
16 School of Materials Science and Engineering
比重瓶法 (Pycnometer method) ；
The volume of the pycnometer is generally about 2x10-5m-3(20ml),
D1= m/（V-V孔）= m/（V-V开-V闭） D2= m/（V-V开） D3= m/ V V—颗粒总体积； V孔—孔隙体积；V开、V闭—开、闭孔体积
D3<D2<D1
2021/4/30
15 School of Materials Science and Engineering
颗粒密度测定
● 真密度D1 ：（ True density ，This density is defined as the ratio of mass of the particle to its actual volume excluding inside pores） 如何确定？
2021/4/30
10 School of Materials Science and Engineering
化学成分测定
针对不同成分，有多种方法：传统的化学滴定法、燃 烧法、溶解法、荧光分析法、能谱分析法等。 杂质O含量测定：
● 氢损值（可被H还原氧含量测定）：用氢还原， 计算粉末还原前后的重量变化。
2021/4/30
18 School of Materials Science and Engineering
颗粒显微硬度测定
● 采用普通的显微硬度计测量金刚石角锥压头的压痕对角线长， 经计算得到的。
● 制样：先将粉末试样与电木粉或有机树脂粉混匀，在100～ 200MPa下制成小压坯，然后加热至140℃固化。
● 机械夹杂物一般提高颗粒硬度，降低粉末压制性能， 对 材料韧性toughness，特别是冲击韧性impacting toughness 性影响显著。
● 夹杂物在粉末中的分布状态distribution以及夹杂本身的 形状shape对材料的力学性能影响不同
● 表面吸附物影响颗粒活性，对粉末成形性和烧结性能影 响明显。
2021/4/30
21 School of Materials Science and Engineering
2021/4/30
22 School of Materials Science and Engineering
费歇尔微粉粒度分析仪
费氏仪全名是Fisher Sub-Sieving Sieve,简写成Fsss, 已被许 多国家列入标准；
计算粒度的原理是根据柯青-卡门方程变换建立的公式古登 （Gooden，Smith）；用粉末床几何尺寸表示孔隙度：
θ：孔隙度
1 W c AL
W：粉末质量 A ： 试样截面积 L：试样长度
ρ理：粉末材料理论密度
2021/4/30
23 School of Materials Science and Engineering
（三） 粉末工艺性能（ technical features ）
• Powders should be evaluated for their suitability for further processing
• Flow rate measures the ease with which powder can be fed and distributed into a die
化学性质主要指粉末的化学组成（chemical composition）
● 主要成分（如铁粉中的Fe）含量—对粉末性能有决定 影响；
● 化学组成还包括杂质的种类和含量—对粉末性能也有 重要影响。
● 主要粉末的化学组成都有ISO、GB及行业标准规定。
2021/4/30
8 School of Materials Science and Engineering
Fsss—气体透过法测外比表面， 测二次颗粒粒径（ 50-0.1μm）
BET吸附法测量比表面积， 测量一次颗粒
2021/4/30
20 School of Materials Science and Engineering
气体吸附法测比表面
基本原理：
● 利用气体在固体表面的物理吸附测定物质比表面的原理是：测量 吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积，再由气体分子的 横截面积计算1g物质的总表面积，即得specific surface area （克 比表面）。
● 有效密度（比重瓶密度） D2 ：（Particle density， This is defined as the particle mass divided by the particle volume, including the inside closed pores.
比重瓶法→Next page
2021/4/30
13 School of Materials Science and Engineering
（2）颗粒形状的分类 （定性描述 qualitative description）
Particle shape and the suggested qualitative descriptors
1. 粉末颗粒形状（Particle shape） （1） 颗粒形状与制粉方法和制粉工艺密切相关，某 些特定形状的粉末只能通过特定的方法生产。
☻球形粉末-雾化法 Spherical powders ☻多孔粉末-还原法 Porous powders ☻树枝状粉末-电解法 Dendrite powders ☻片状粉末-研磨法 Plate powders 颗粒形状对粉末的工艺性能以及压坯和烧结体强 度有显著影响
压制性能……
等
粒度、形状、有效
密度……
最常见的性能分类体系： 化学性能（成分）、物理性能、工艺性能
School of Materials Science and Engineering
2021/4/30
7 School of Materials Science and Engineering
（一）粉末的化学性能 Chemistry Property
ρl: the liquid density ρp: The particle density ；
p
(ml
l (ms m0 )
m0 ) (msl
ms )
2021/4/30
17 School of Materials Science and Engineering
3. 颗粒显微硬度（Microhardness）
2021/4/30
2 School of Materials Science and Engineering
（二）粉末颗粒的聚集状态
a
二次颗粒示意图 a— 单颗粒 b— 二次颗粒 a2— 一次颗粒 c—晶粒
一次、二次颗粒内部都可能存在孔 隙
2021/4/30
粉末体示意图 可能存在一次颗粒、二次颗粒、颗粒团
• 颗粒形状及结构（Particle shape and structure） • 颗粒大小（粒度）及粒度组成 • 比表面积 • 颗粒密度 • 颗粒硬度 • 熔点 • 热学、 电学、 磁学、光学性质等
2021/4/30
12 School of Materials Science and Engineering
颗粒之间存在孔隙
3 School of Materials Science and Engineering
2021/4/30
4 School of Materials Science and Engineering
2021/4/30
5 School of Materials Science and Engineering
1180－1440 1240－1480 1200－1620 1220－1480
19 School of Materials Science and Engineering
4. 比表面（Specific surface area）
比表面积： Sw （m2/g） 指单位质量粉末具有的表面积
体积比表面：Sv （m2/cm3） 指单位体积粉末具有的表面积
● 压坯按制备粉末金相样品的办法磨制并抛光后，在20～30g负 荷下测量显微硬度。
Fe powders
Micro-hardness，MPa
2021/4/30
Fe reduced by natural gas annealed milled Fe Fe reduced by solid carbon Annealed Fe
2021/4/30
14 School of Materials Science and Engineering
2. 粉末颗粒密度（Particle density）
● 真密度: 粉末材料理论密度D1 ● 有效密度（比重瓶密度）：包含闭孔隙在内的密度D2 ● 似密度（表观密度）: 包含开、闭孔隙在内的粉末密度D3
The following masses are measured:
m0: empty pycnometer ml: pycnometer containing liquid ms: pycnometer including sample particles
msl: pycnometer including sample and liquid