1、2.2 粉體物性測定與表征,2.2.1粉末的定義及性能 2.2.2粉末的化學(xué)成分測定 2.2.3 物理性能測定 2.2.4 粉末的工藝性能,2.2.1粉末的定義及性能,粉末：是由大量顆粒以及顆粒之間的孔隙 所構(gòu)成的集合體。,性能：包括單顆粒、粉末體以及孔隙的性 質(zhì)。,單顆粒： 1）由粉末材料決定的性質(zhì)，如點陣結(jié)構(gòu)、理論密度、熔點、塑性、彈性、電磁性質(zhì)、化學(xué)成分等。 2）由粉末的生產(chǎn)方法所決定的性質(zhì)，如顆粒密度、形狀、粒度、表面狀態(tài)、表面吸附氣體與氧化物等。,2.2.1粉末的定義及性能,粉末體： 1）包括單顆粒的性質(zhì)。 2）除此之外，還有平均粒度、粒度組成、比表面、松裝密度、振實密度、流動性、顆

2、粒間的摩擦狀態(tài)。 孔隙： 總孔隙體積、顆粒間的孔隙體積、顆粒內(nèi)孔隙體積、顆粒間孔隙數(shù)量、平均孔隙大小、孔隙大小的分布以及孔隙的形狀。,2.2.1粉末的定義及性能,2.2.2 化學(xué)成分測定,粉末的化學(xué)成分包括主要物相的含量和雜質(zhì)的含量。 雜質(zhì)主要指： （1）與主要金屬結(jié)合，形成固溶體或化合物的金屬或非金屬成分; （2）從原料和從粉末生產(chǎn)過程中帶進的機械夾雜; （3）粉末表面吸附的氧、水汽和其它氣體； （4）制粉工藝帶進的雜質(zhì)。,金屬粉末的化學(xué)分析與常規(guī)的金屬分析方法相同，首先測定主要成分的含量，然后測定其它成分包括雜質(zhì)的含量。,粉末中氧含量的測定,氫損法:金屬粉末的氧含量的測定方法， 除采用庫侖

3、分析儀測定全氧量之外，還采用一種簡便的氫損法，即測定可被氫還原的金屬氧化物的那部分氧含量，適用于工業(yè)鐵、銅、鎢、鉬、鎳、鈷等粉末。,過程：將含有金屬氧化物的金屬粉末置于純凈干燥的氫氣流中加熱，金屬氧化物與氫反應(yīng)生成的水用試劑滴定，從而確定氧的含量。,氫損值=（A-B）/（A-C）X100% A：粉末試樣+燒結(jié)舟 B：煅燒后試樣+燒結(jié)舟 C： 燒結(jié)舟,酸不溶物法: 金屬粉末的雜質(zhì)測定還采用所謂酸不溶物法。 該方法的原理是：粉末試樣用某種無機酸（銅用硝酸，鐵用鹽酸）溶解，將不溶物沉淀和過濾出來，在980下煅燒1小時后稱重，再計算酸不溶物含量。例如測定鐵粉時：,粉末中雜質(zhì)含量的測定,鐵粉鹽酸不溶物=

4、A/BX100% A：鹽酸不溶物 B：試樣總質(zhì)量,2.2.2物理性能測定,（1） 顆粒形狀測定 （2） 粉體粒度的測定 （3） 粉體比表面積測定 （4） 粉末表面能的測定 （5）粉末密度測定 （6）顯微硬度,(1) 顆粒形狀測定,分類：顆粒形狀，可以籠統(tǒng)地劃分為規(guī)則形狀和不規(guī)則形狀兩大類,手段： 光學(xué)顯微鏡、電子透射顯微鏡與掃描電鏡，肉眼或放大鏡觀察，但肉眼的分辨率約0.2毫米。,在測定和表示粉末粒度時，常常采用所謂形狀因子作為描述顆粒形狀的參數(shù)。,表面形狀因子 體積形狀因子 比形狀因子,對于球形顆粒：S=d2 V=1/6 d3 對于任意形狀的顆粒，其表面積與體積可以認(rèn)為與某一相當(dāng)直徑的平方和

5、立方成正比，而比例系數(shù)與選擇的直徑有關(guān)。 若用投影面積da， 則：S=f da 2； V=k da 3,表面形狀因子,體積形狀因子,f/k：比形狀因子,（2）粉體粒度及測定,粒度(粒徑)：用直徑表示顆粒的大小。 幾何學(xué)粒徑 粒度(粒徑)基準(zhǔn): 當(dāng)量粒徑 比表面粒徑 衍射粒徑 粒度分布：由于組成粉末的無數(shù)顆粒不屬于同一粒徑，因此又用不同粒徑的顆粒占全部粉末的百分含量來表征粉末顆粒大小的狀況。,（2）粉體粒度及測定,粒度分布基準(zhǔn)：粉末組成為不同粒徑的顆粒在全體粉末總數(shù)量中所占的百分?jǐn)?shù)，可以用某種統(tǒng)計分布曲線或統(tǒng)計分布函數(shù)描述。 個數(shù)基準(zhǔn)分布 粒度分布基準(zhǔn) 長度基準(zhǔn)分布 面積基準(zhǔn)分布 質(zhì)量基準(zhǔn)分布,

6、平均粒度：由符合統(tǒng)計規(guī)律的粒度組成計算的粒徑大小。 平均粒度計算公式 算術(shù)平均徑： nd/ n 長度平均徑： nd2/ nd 體積平均徑：（ nd3/ n）1/3 面積平均徑：（ nd2/ n）1/2 體面積平均徑： nd3/ nd2 質(zhì)量平均徑： nd4/ nd3 比表面平均徑：k/sw,1)篩分析法 2)光學(xué)顯微鏡法 3)透射電鏡觀察法 4 )沉降法 5) X光透過法 6) 激光散射法,（2）粉體粒度及測定,優(yōu)缺點,1)篩分析法,設(shè)備： 震篩機 偏心振動式 圓周搖動 上下振動 270-300/min 140-160/min 篩網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)采用泰勒制 目數(shù)：篩網(wǎng)1英寸長度上的網(wǎng)孔數(shù)。 含義：-80

7、+100,2)光學(xué)顯微鏡法,光學(xué)顯微鏡的分辨能力，可以從下式判斷：,式中，D可看成能分辨的最小顆粒尺寸。,在實際應(yīng)用上，光學(xué)顯微鏡法的粒度測量范圍是0.8150微米，再小的顆粒唯有用電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡等方法測量。,優(yōu)缺點：是通用設(shè)備，由于計量顆粒數(shù)目有限，粒度數(shù)據(jù)往往缺乏代表性，但是它是唯一的對單個顆粒進行測量的粒度分析方法，方法比較直觀；因此經(jīng)常用它來標(biāo)定其他粒度分析方法。,A 樣品制備 四分法取樣： 將0.5克左右的顆粒物質(zhì)放在玻璃板上，用小勺充分混合，分割成四塊，取其中兩塊混合，再分割為四塊，再取出兩塊，以此做下去，直到剩余顆粒的重量約0.01克為止。樣品供透射顯微鏡觀測，一般采

8、用玻璃片制樣。 制樣： 取分割好的樣品置于玻璃片上，然后用滴管吸取分散介質(zhì)滴于玻璃片上。 揉研分散： 玻璃棒；蓋片；超聲分散,B 粒度測量 顯微鏡法測量的是顆粒的表觀粒度，即顆粒的投影尺寸。 對稱性好的球狀顆粒（如霧化粉）或立方體顆?？芍苯咏娱L度計量； 但對于非球狀的不規(guī)則顆粒，這種直接計量是不可能的，顆粒的“尺寸”必須考慮到顆粒形狀，有不同的表示方法。圖1是顯微鏡法常用的2種顆粒“尺寸”的表示方法。,垂直投影法,線形切割法,3) 沉降法,在沉降力場作用下，顆粒在介質(zhì)中移動速度是顆粒大小的函數(shù)。沉降分析就是通過測量粒子分散體系因顆粒沉降而發(fā)生的濃度變化，即可測定粒子大小和粒度分析。,在沉降力場

9、作用下，顆粒在介質(zhì)中移動速度和顆粒大小有關(guān)，對球狀顆粒，這個關(guān)系曾由斯托克斯求出。沉降分析就是應(yīng)用這一原理進行粒度分析的。 基本理論 主要包括重力沉降法和離心力沉降法。,基本理論 在靜止液體中，由于粉末顆粒自身的質(zhì)量在重力作用下，克服介質(zhì)的阻力和浮力自由降落，在層流條件下，自由降落速度與球形顆粒直徑的平方成正比，可用斯托克斯公式表示：,由（1）式，根據(jù)自由降落速度，即可求得顆粒直徑d，經(jīng)實測可得到試樣的粒度分布。,（1）,儀器：X光比蝕儀 原理：矩形沉降槽，初始時，懸浮液的顆粒濃度各處均勻，記作：C(x,0)，經(jīng)過沉降時間t，在沉降高度x處，顆粒濃度為：C(x,t) 。此時粒度小于Dt的顆粒累

10、計質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為： Pt= C(x,t)/ C(x,0)x100% Berland law I=AI0exp(-BC) I0-入射光強度 A-系數(shù) B -系數(shù) C -懸浮液的顆粒濃度,4) X光透過法,對于一定的儀器和樣品，A、B為常數(shù)， 當(dāng)沉降槽內(nèi)裝滿沉降介質(zhì)時，透過X光強度為II=AI0令I(lǐng)I為一個單位，則 lnI=-BC； 由此，Pt= lgI(x,t)/ lgI(x,0)x100% *激光粒度分析儀 He-Ne氣體激光源，=0.6328um *費歇爾微粉粒度分析儀 比表面，,定義：1克質(zhì)量的粉體所具有的表面積總和，稱為比表面積（cm2/g）。 BET法：容量法 重量法 熱解吸色譜法,(3

11、) 粉體比表面積測定,BET法,基本原理,BET吸附法的理論基礎(chǔ)是單分子層的吸附理論（BET是 Brunaure Emmett Teler的縮寫）。 以BET 等溫吸附理論為基礎(chǔ)來測定比表面積的方法有兩種，一種是靜態(tài)吸附法，一種是動態(tài)吸附法。 靜態(tài)吸附法是將吸附質(zhì)與吸附劑放在一起達到平衡后測定吸附量。根據(jù)吸附量測定方法的不同，又可分為容量法與質(zhì)量法兩種。,A 容量法,容量法通過精確測量吸附前后的壓強、體積和溫度，來計算不同相對壓強下氣體的吸附量。,B 重量法,由直接稱量吸附劑與吸附質(zhì)重量，求出吸附劑的比表面積，這就是重量法。 重量法是通過測量暴露于氣體或蒸氣中的固體試樣的質(zhì)量增加直接觀測被吸附

12、氣體的量，往往用石英彈簧的伸長長度來測量其吸附量。,和容量法比較，重量法可測量較大臂膀面積的吸附劑 ，對石英彈簧秤，要求被測吸附劑的比表面積約100m2/g以上。重量法測定比表面積的范圍是0.11000m2/g，納米粉的粒度范圍也在此之列。,C 熱解吸色譜法,和容量法、重量法不同。熱解吸色譜法是一種動態(tài)方法，也就是說，吸附氣體處于流動過程中，因此又稱動態(tài)氣體吸附法。方法為納爾遜（Nelson）和埃格特森（Eggertsen）于1958年引入。由于操作簡單和快速。在實際工作中已得到廣泛應(yīng)用。 熱解吸色譜法和靜態(tài)氣體吸附法比較，熱解吸色譜法的優(yōu)點是明顯的：（1）比表面積測量范圍寬。（2）測量快速

13、。（3）系統(tǒng)不再需要高真空，樣品預(yù)處理可直接在載氣流下進行；廢棄了易碎和復(fù)雜的玻璃管系統(tǒng)；不再接觸有毒物質(zhì)汞。（4）參數(shù)自動紀(jì)錄，操作簡單。,(4) 粉末表面能的測定,概念：表面能是表面自由能（Surface Free Energy）的簡稱，它是指生成1cm2新的固體表面所需作的等溫可逆功。 1)接觸角法測固體表面能 A接觸角的測定 透過高度法 透過速度法 B測固體表面能 2) 浸潤熱法測固體表面能,透過高度法,將固體粒子以固定操作方法裝填在具有孔性管底的樣品玻管中。此管的底部可防止粒子漏失，但允許 液體自由通過。讓管底接觸液面，液面在毛細(xì)力的作用下在管中上升。,上升最大高度h由下式?jīng)Q定：,（

14、5-2）,透過速度法,可潤濕粉體的液體在粉體柱中上升可看作液體在毛細(xì)管中的流動。Poiseulle公式給出了流體在管中流動的速度與管的長度、半徑、兩端壓力差及液體粘度間的關(guān)系。將此關(guān)系應(yīng)用于液體在粒子柱中上升的速度問題則得：,對于各種測定接觸角的方法，測量時都必須注意：足夠的平衡時間和恒定體系溫度。,將Good-Girifalco理論關(guān)系應(yīng)用于固液界面可以得出：,考慮到在氣液固三相共存的體系中，氣相含有液體的蒸氣，蒸氣可能吸附到固體表面上，使固體表面能變化。若以 代表固體表面吸附層的表面壓，結(jié)合潤濕方程：,有：,B接觸角法測固體表面能,2) 浸潤熱法測固體表面能,將一固體浸入一液體中所放出的熱

15、量稱之為浸潤熱或潤濕熱，一般用 表示。潤濕熱越大，說明固體和液體間的親和力越強。對于非極性固體，各種液體與它之間的相互作用都主要是色散力的作用，因而無論液體是極性的還是非極性的，所得潤濕熱都很接近。而極性固體與液體間的相互作用的強弱乃至性質(zhì)都會隨液體的性質(zhì)不同而不同。,(5) 粉末密度測定,l）真密度 顆粒質(zhì)量用除去開孔和閉孔的顆粒體積除得的商值。真密度實際上就是粉末材料的理論密度； 2）似密度 （比重瓶密度） 顆粒質(zhì)量與包括閉孔在內(nèi)的顆粒體積相除得到的商值。用比重瓶法測定的密度接近這種密度值，又稱為比重瓶密度。四步法 3）有效密度 （表觀密度） 顆粒質(zhì)量用包括開孔和閉孔在內(nèi)的顆粒體積除得的密

16、度值。顯然它比上述兩種密度值都準(zhǔn)。,粉末顆粒的顯微硬度，亦是采用普通的顯微硬度計測量金剛石角錐壓頭的壓痕對角線長，經(jīng)計算得到的。 顆粒的顯微硬度值，在很大程度上取決干粉末中各種雜質(zhì)與合金組元的含量以及晶格缺陷的多少，因此代表了粉末的塑性。,(6) 顯微硬度,2.2.3 粉末的工藝性能,概念： (1) 粉末松裝密度的測定； (2) 粉末流動性的測定； (3) 粉末的壓制性的測定 1) 粉末壓縮性的測定； 2) 粉末成形性的測定。,粉末的工藝性能包括松裝密度、流動性、壓縮性與成形性。工藝性能也主要取決于粉末的生產(chǎn)方法和粉末的處理工藝（球磨、退火、加潤滑劑、制粒等）。,(1) 粉末松裝密度的測定,所

17、謂粉末松裝密度，是指在規(guī)定條件下自由裝填容器時，單位容積內(nèi)粉末的質(zhì)量（g/cm3）。,漏斗法 粉末從漏斗孔（孔徑為2.5或5mm、容積為250.05cm3標(biāo)準(zhǔn)漏斗）按一定高度自由落下充滿圓柱杯，以單位體積粉末的質(zhì)量表示粉末的松裝密度。對于流動性好的粉末，松裝密度的測定用漏斗法。,松裝密度取決于許多因素： （1）粒度和粒度組成：一般，粉末粒度愈粗，其松裝密度愈大，反之其松裝密度愈?。?（2）顆粒形狀及表面狀態(tài)：顆粒形狀規(guī)則，其松裝密度愈大，反之，其松裝密度愈小。同時，顆粒表面愈光滑，松裝密度也愈大。粉末經(jīng)適當(dāng)球磨和表面氧化物的生成，可使松裝密度提高； （3）粉末潮濕，松裝密度增加； （4）粉末顆

18、粒愈致密其松裝密度愈大。,粉末的流動性可以用一定量的粉末流過特定大小孔眼的時間來表征。粉末的流動性與許多因素有關(guān)，如顆粒的粗糙度大和形狀復(fù)雜，顆粒間的相互摩擦和咬合阻礙它們相互移動，將顯著影響流動性。粗顆粒比細(xì)顆粒流動性好。粉末氧化通常提高流動性。粉末潮濕將顯著降低其流動性。,金屬粉末的流動性是以50g金屬粉末流過孔徑為2.5 mm的漏斗所需的時間。（s/50g）,(2) 粉末流動性的測定,(3) 粉末的壓制性的測定,粉末的壓制性包括粉末的壓縮性和成形性。,1) 粉末壓縮性的測定,粉末壓縮性是指在規(guī)定條件下粉末被壓縮的程度。它以壓坯密度來表示，壓坯密度越高，粉末壓縮性就越好。測試時是在密閉模具中用單軸雙向壓制法