超细粉体防团聚的方法和进展

超细粉体防团聚的方法和进展

摘要：粉体的团聚是一个比较复杂的过程,涉及的内容广泛，目前国内外对团聚的研究取得了一定的进展,但一些控制团聚的方法也刚处于起步阶段，要进一步弄清楚团聚形成的机理与有效地控制超细粉末的团聚,还需要我们科研工作者不懈的努力。本文根据各种文献资料，综述了近年来对超细粉体团聚的研究状况，讨论和归纳了超细粉末团聚产生的现象与机理, 控制团聚的原理与方法, 团聚体的表征;介绍了关于超细粉末团聚领域的研究发展趋势。

关键词:超细粉末;团聚;形成机理;控制方法

超细粉末及其致密化是材料领域的研究热点之一，与常规材料相比, 具有一系列优异的物理、化学及表面与界面性质, 大大增强了材料的性能。因此, 随着科学技术的发展, 超细粉体的应用日趋广泛。但由于超细粉体颗粒的比表面积大,比表面能高, 在制备和加工处理过程中, 极易产生自发凝并、团聚现象, 导致制备、分级、混匀、输运等加工工程无法正常进行, 导致了超细粉体优越性不能充分发挥, 使新材料性能劣化〔1〕。因此, 超细粉体的团聚问题, 严重困扰着粉体工程及其它相关领域的发展。超细粉体的分散, 已成为纳米科技世界性难题。为了解决这一难题, 许多学者对超细粉体团聚的原因、机理、分散方法以及分散途径,进行了研究和探索, 取得了一定进展, 但许多现象尚无完整成熟的理论解释, 许多技术问题仍有待进一步深入研究探索〔2〕。

1、团聚的种类

团聚体的种类按作用力的性质分为两种形式:一是硬团聚,二是软团聚[3 ] 。图1 为粉末软团聚体和硬团聚体的结构。

图1 软团聚体和硬团聚体的结构

硬团聚一般是指颗粒之间通过化学键力或氢键作用力等强作用力连接形成的团聚体。这种团聚体内部作用力大,颗粒间结合紧密,不易重新分散,粉体的活性差,烧结性能差,在纳米粉体材料制备过程中应该尽量避免产生这种硬团聚。

软团聚一般是指颗粒之间通过分子之间的作用力以及颗粒间的毛细管作用力等连接产生的团聚体。这种团聚体内部作用力相对较小,粉体比较疏松,比较容易重新分散。

2、团聚对粉末成形的影响

团聚体的存在会直接影响到生坯的成形,难以得到高密度、低孔隙度的预成形坯,最终易在烧结体中留下较大的气孔,无法得到显微结构均匀、致密度高的材料;同时,团聚体还会直接影响

到材料的烧结行为,由于团聚体内颗粒间的烧结温度要高于团聚体间的烧结温度,所以会使所需烧结温度升高,极易导致过烧,同时也容易导致二次重结晶。以上种种势必会降低材料的强度、韧性及可靠性。张丽英等[4]的研究结果表明桥接团粒会造成不同的空隙体积分布高峰,

降低松装密度和压坯密度。

2 团聚体的表征

团聚体的性质可分为几何性质和物理性质。几何性质指团聚体的尺寸、形状和团聚体的气孔尺寸和分布等。物理性质主要是团聚体内一次颗粒的键合性质、团聚体的强度等。

2、1颗粒团聚程度的表征

颗粒团聚程度可以用团聚系数A F (50) 表示:

A F(50) =d50/d BE (1)

式中d50 表示在粒度分析中50 % 累计质量的直径, 即团聚体的尺寸。d BET 是由BET 法测得的一次颗粒尺寸。分析上式可知,团聚系数越大, 表示粉体的团聚现象越严重。

212 团聚体强度的测定

团聚体的强度主要用生坯密度与压力的关系[5 ]测定。在含有团聚体的粉末的成形过程中,成形密度与压力对数的关系往往由两条直线组成,如图2 。在低压下,该关系代表粉体中团聚体的重排过程,团聚体结构没有任何变化;而高压下则代表团聚体的破碎,团聚体内部结构被破

坏的过程。两条直线的交点即转折的点对应的压力为团聚体开始破碎压力,定义为团聚体的屈服强度。

从密度与压力的关系中,还可大致推断出粉体中团聚体的含量。假设粉体团聚体初始密度与基体相同,在较高压力时,含团聚体的粉体的成形密度与无团聚体的相同粉体的成形密度

相等,则粉体中的团聚体的含量为:

C agg = 1 - a m/ a agg (2) 式中, a m 为低压部分直线的斜率; a agg 为高压部分直线的斜率。

团聚体的强度与含量还可以用压汞法测量, 利用测定成形过程中气孔分布变化以推断团聚

体完全破碎强度及一定压力下生坯团聚体的含量。同时气孔的大小也大致反映了颗粒大小与含量。张丽英等[3 ] 用此法分析了高能剪切的效果。

无团聚体的粉末中, 气孔频率分布是单峰, 如图3 中曲线4 。有团聚体的气孔频率分布一般是多峰,如图3 中曲线1 、2 、3 。由气孔分布曲线中峰的大小可推断出团聚体的含量。

如认为颗粒间气孔体积与相应颗粒体积成正比, 则团聚体含量C agg ( %) 可表示为:

C agg = KV a/ V p (3) 式中K 为一常数, V a 为团聚体间气孔体积, V p为团聚体内一次颗粒间气孔体积。

图3 不同粉体中的气孔分布曲线

另外, 还可以使用超声波、湿磨和干磨等方法对粉体进行处理来改变分散状态, 比较粉体粒径的变化来表征团聚的强度。

〔1〕何国清, 杨伦等. 矿山开采沉陷学[M] . 北京: 中国矿业大学出版社, 1991.

〔2〕国家煤炭工业局. 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M] 北京: 煤炭工业出版社, 2000.

[3 ] 郑水林. 超微粉体加工技术与应用. 北京: 化学工业出版社,2004 :241

[ 4 ] 张丽英等. 纳米硬质合金粉的桥接团粒对粉末成形影响. 北京科技大学学报,2002 ,24 (2) :103 - 106

[5 ] 郑水林. 超微粉体加工技术与应用. 北京: 化学工业出版社,2004 :241