yh粉末材料的制备VIP

第二章粉末材料的制备,一、概述二、粉末制取三、粉末的表征与测量,概述,从材料制备的角度：各种不同形状的制备。提高堆积密度和素坯密度（对于压制成形）。改善制品中多组分之间的混合均匀度。促进制品的烧成与致密。从材料性能的角度：颗粒细化对表面积、表层原子比例的影响，进而对材料性能的影响。,制粉的目的,以边长为1cm的立方体细化为5m的小立方体为例,一次颗粒（单个颗粒）：指内部没有空隙的致密材料。一次颗粒的粉化过程是内部原子的断键过程，要求高能量输入。二次颗粒（颗粒聚集体）：是单个颗粒以弱结合力构成，包含一次颗粒与孔隙。二次颗粒的粉化过程是界面的弱结合力断开，由界面能转变为表面能，能量输入相对较弱。,粉末的基本特性,粉体工程所涉及的行业,粉末材料的制备,机械制粉方法,一、机械研磨二、气流研磨,机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新的界面。,一、机械研磨法,能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、研磨、辊轧等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制备的。,球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒磨球研磨物料研磨介质,1、球磨制粉,在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力等。当的外力作用到脆性粉末颗粒上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程。,如果粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为。不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。,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,球磨制粉的基本原则,滚筒式、振动式、搅动式,球磨制粉的基本方式,1)、滚筒式球磨,转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动运动并保持一定的斜度。随转速的增加，球料混合体斜度增加，抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁；转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球与筒及球与球间的碰撞；转速增加到临界转速V临2时，磨球的离心力大于其重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静止状态，此时研磨作用停止。,D是磨筒的直径,滚筒球磨的转速应有一个限定条件,V临1V实际V临2,限定条件实际上与这一动能准则相悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很有限的。为了克服这个不足，人们又进一步开发了新的球磨方法。,V临1V实际V临2,2)、振动球磨,3)搅动球磨,横臂均匀分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨过程中，磨球与粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心搅拌棒周围产生旋涡，然后沿轴线下降，如此循环往复。,研磨时不存在象滚筒球磨那样有临界转速的限制，因此，磨球的动能大大增加。可以采用提高搅动转速、减小磨球直径的办法来提高磨球的总撞击几率而不减小研磨球的总动能，符合了提高机械球磨效率的两个基本准则。,二、气流研磨法,通过气体传输粉料的一种研磨方法。与机械研磨法不同，气流研磨不需要磨球及其它辅助研磨介质。研磨腔内是粉末与气体的两相混合物。陶瓷粉：空气；金属粉末：惰性气体或还原性气体。由于不使用研磨球及研磨介质，所以气流研磨粉的化学纯度一般比机械研磨法的要高。,1.动能准则：提高粉末颗粒的动能2.碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率,气流研磨制粉的基本原则,由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此，提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。,两种办法来实现：提高气体的入口压力气体喷嘴的气体动力学设计,通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达超音速,气流研磨三种类型：旋涡研磨冷流冲击流态化床气流磨,1、旋涡研磨,粉末颗粒大多具有表面凹型特征，故称为蝶状粉末,2、冷流冲击,加速效应加速后的气体可超过音速，颗粒撞击动能增大冷却效应气粉混合物的温度能降到零度以下，金属颗粒冷脆性提高气压越大，粉末越细。,可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点物料；粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损，因此粉末杂质含量少；针对不同的性质的粉末，可使用空气、N2、Ar等惰性气体。,流态化床气流磨的特点：,物理制粉方法,一、雾化法二、蒸发凝聚法,一、雾化制粉法,雾化法是一种典型的物理制粉方法，是通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，或通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。,雾化机理,过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液体的能量变化可近似为液体的表面能增加。显然，雾化时液体吸收的能量与雾化液滴的粒径存在一个对应关系，即：吸收的能量越高则粒径越小。,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。,过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。,1、能量交换准则提高单位时间、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。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。,提高雾化制粉效率基本准则,雾化制粉分类,双流雾化指被雾化的液体流和喷射的介质流；单流雾化直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化,双流雾化法,气雾化水雾化,注：适合于金属粉末制备,金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。,雾化过程的四种情况,动能交换：雾化介质的动能转变为金属液滴的表面能；热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热；流变特性变化：液态金属的粘度及表面张力随温度的降低而不断发生变化；化学反应：高比表面积颗粒（液滴或粉粒）的化学活性很强，会发生一定程度的化学反应。,离心雾化法,离心雾化法是借助离心力的作用将液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法。1974年，首先由美国提出旋转电极雾化制粉法，后来又发展了旋转锭模、旋转园盘等离心雾化方法。,旋转电极法,旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：,旋转盘法,旋转轮法,旋转杯,旋转网,雾化制粉的一些特性,1、雾化制粉主要用于金属或合金，对于一些可熔的氧化物陶瓷材料，也可采用这种方法进行加工。但由于氧化物陶瓷熔体的粘度、表面张力很大，所以一般不能获得细微陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，例如，硅酸铝纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。2、雾化制粉是一种快速凝固技术，能够增加金属元素的固溶度。,3.极大地降低了成分偏析，粉末成分均匀，某些有害相，如高温合金中的相，可能因激冷而受到抑制，甚至消除。4.冷速提高，枝晶间距减小，晶粒细化，材料的晶体结构向非稳态转变，可获得细晶、微晶、准晶直至非晶粉末。,二、物理蒸发冷凝法,物理蒸发冷凝制粉是一种制备超微金属粉末的重要方法，采用不同的能量输入方式，使金属气化，然后再在冷凝壁上沉积从而获得金属粉末。由于粉末的粒度很小，比表面积很大，因而化学活性很强。为防止金属粉末氧化，在冷凝室内一般都要通入惰性气体。这样在金属蒸气脱离熔体的很短时间内，会被周围气体迅速冷却，金属原子很快聚集成超微颗粒。同其他金属粉末制备方法相比，物理蒸发冷凝法生产效率是较低的，但这种方法可获得最小粒径达2nm的纳米颗粒。,电阻加热方式等离子体加热方式激光加热方式电子束加热方式高频感应加热方式,按能量输入方式来划分，物理蒸发冷凝法可分为以下几种:,化学制粉方法,一、化学气相沉积法二、化学还原法三、电化学制粉法,一、化学气相沉积法,气相沉积制粉是通过某种形式的能量输入，使气相物质发生气固相变或气相化学反应，生成金属或陶瓷粉体。,物理气相沉积法化学气相沉积法,1、化学气相沉积的反应类型,分解反应,化合反应,2、化学气相沉积制粉原理,1.化学反应2.均相形核3.晶粒生长4.团聚,制粉过程包括四个步骤：,化合反应,由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：1）反应温度、2）气相反应物浓度、3）气相生成物浓度,1).化学反应,对一个确定的化学反应，判断其能否进行的热力学判据为：,分解反应,气相反应发生后的瞬间，在反应区内形成了产物蒸气，当反应进行到一定程度时，产物蒸气浓度达到过饱和状态，这时产物晶核就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成基底，因此反应产物晶核的形成是个均匀形核过程。,2).均匀形核,均相晶核形成之后，稳定存在的晶核便开始晶粒生长过程。小晶粒通过对气相产物分子的吸附或重构，使自身不断长大。理论和实践都表明：晶粒生长过程主要受产物分子从反应体系中向晶粒表面的扩散迁移速率所控制。,3).晶粒生长,颗粒之间由于存在着较弱的吸附力作用，主要包括范德华力、静电引力等，颗粒之间会发生聚集，颗粒越小，则聚集效果越明显，这一现象被称为团聚。,4).团聚,3、化学气相沉积类型,热分解法,热分解法中最为典型的就是羰基物热分解，它是一种由金属羰基化合物加热分解制取粉末的方法，整个过程的关键环节就是制备金属羰基化合物,第一步：合成羰基镍,第二步：羰基镍热分解,气相氢还原还原剂-氢气气相金属热还原还原剂-低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na）两类反应的反应物均选用低沸点的金属卤化物且以氯化物为主,气相还原法,复合反应法是一种重要的制取无机化合物，包括碳化物、氮化物、硼化物和硅化物等方法，这种方法既可制备各种陶瓷粉体也可进行陶瓷薄膜的沉积。所用的原料是金属卤化物(以氯化物为主)，在一定温度下，以气态参与化学反应。,复合反应法,1).碳化物反应通式,2).氮化物反应通式,3.硼化物反应通式,4).硅化物反应通式,一些碳化物、氮化物、硅化物、硼化物的沉积条件,二、化学还原法,1、还原制粉的基本原理,依据热力学原理确定反应能否发生氧位图,2、典型还原制粉类型,氢还原法,碳还原法,还原化合法,三、电化学制粉法,1、电化学制粉分类,水溶液电解有机电解质电解熔盐电解液体金属阴极电解,2、电化学制粉原理,电化学,以铜电解制粉为例,电化学体系：,阳极：Cu（纯）,阴极：Cu粉,电解液：CuSO4、H2SO4、H2O,电化学反应:,阴极反应：,阳极反应：,三、电化学制粉的影响因素,电流密度金属离子浓度电解液温度氢离子浓度,粉末颗粒大小的表征与测量,1颗粒大小的表征,直径D,直径D、高度H,？,1.1单颗粒的粒径不规则形状的颗粒，其尺寸的表示方法：三轴径、当量径、定向径。（1）三轴径将颗粒放置于每边与其相切的外接长方体中，长方体的三条边为颗粒的三轴径。,（2）当量径颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径。,（3）定向径沿一定方向的颗粒的一维尺度。,1.2粉体的粒径（1）平均粒径假设颗粒为立方体，利用颗粒群的总长(nd)、总表面积(6nd2)、总体积(nd3)、总质量(nd3)、比表面积(6nd2)/(nd3)等物理量可推导出颗粒群的平均粒径表达式。,（2）粒度分布频率分布与累积分布,2粒度测定2.1筛分法目：筛网上1英寸（25.4mm）长度内的网孔数。不同目数筛孔的制定规则：以200目的筛孔尺寸0.074