《非金属材料制备及组织性能综合实验》实验讲义 实验1陶瓷粉体的测试实验 一、实验目的 了解陶瓷粉体性能评价的方法及特点： 二、实验原理 陶瓷粉体性能是大量组成颗粒的集体行为，又受颗粒的影响。 2.1颗粒形状尺寸 颗粒的性能来自两部分，一是由其物理、化学结构决定的性能：二是由其形 状尺寸决定的性能，这里要讨论的是第二种性能。 如果用显微镜观察组成粉体组成的颗粒，颗粒大小不一，但是可以归为两种 形态单颗粒（或基本颗粒或一次颗粒）、由若干单颗粒搭接而成的较大颗粒（称 之为团聚颗粒，也称二次颗粒)。团聚颗粒可以分解为单颗粒。单颗粒是组成粉 体的基本颗粒。但是单颗粒会团聚成团聚颗粒。一般规律是单颗粒越小，团聚趋 向越明显。 颗粒团聚既有热力学原因，也有动力学原因。热力学原因是，颗粒表面上原 子能量较高，因而具有表面能，而形成团聚颗粒后，系统总表面能下降。动力学 原因是颗粒间存在某种力的作用：带相反电荷颗粒间有静电力、有磁性颗粒间的 磁力、不同颗粒的分子间力（即范德华力）、机械咬合力，如果颗粒间有润湿液 体而出现毛细管力等。 团聚颗粒是通过某种力将单颗粒结合起来的，如果结合力很强，团聚颗粒不 易分拆，这种团聚称之为硬团聚：如果结合力很弱，这种团聚称之为软团聚。 颗粒形状尺寸是粉体的重要性能指标，在考虑颗粒形状尺寸是要特别注意颗 粒的团聚问题。在大多数工程应用中，为了简化问题，忽略颗粒的形状，把颗粒 看成是一个球体，用当量直径（即粒径）表示其尺寸。 颗粒形状尺寸的测量方法有： a)显微观察 用显微镜观察粉体，可以区分单颗粒与团聚颗粒
《非金属材料制备及组织性能综合实验》实验讲义 实验 1 陶瓷粉体的测试实验 一、实验目的 了解陶瓷粉体性能评价的方法及特点； 二、实验原理 陶瓷粉体性能是大量组成颗粒的集体行为，又受颗粒的影响。 2.1 颗粒形状尺寸 颗粒的性能来自两部分，一是由其物理、化学结构决定的性能；二是由其形 状尺寸决定的性能，这里要讨论的是第二种性能。 如果用显微镜观察组成粉体组成的颗粒，颗粒大小不一，但是可以归为两种 形态单颗粒（或基本颗粒或一次颗粒）、由若干单颗粒搭接而成的较大颗粒（称 之为团聚颗粒，也称二次颗粒）。团聚颗粒可以分解为单颗粒。单颗粒是组成粉 体的基本颗粒。但是单颗粒会团聚成团聚颗粒。一般规律是单颗粒越小，团聚趋 向越明显。 颗粒团聚既有热力学原因，也有动力学原因。热力学原因是，颗粒表面上原 子能量较高，因而具有表面能，而形成团聚颗粒后，系统总表面能下降。动力学 原因是颗粒间存在某种力的作用：带相反电荷颗粒间有静电力、有磁性颗粒间的 磁力、不同颗粒的分子间力（即范德华力）、机械咬合力，如果颗粒间有润湿液 体而出现毛细管力等。 团聚颗粒是通过某种力将单颗粒结合起来的，如果结合力很强，团聚颗粒不 易分拆，这种团聚称之为硬团聚；如果结合力很弱，这种团聚称之为软团聚。 颗粒形状尺寸是粉体的重要性能指标，在考虑颗粒形状尺寸是要特别注意颗 粒的团聚问题。在大多数工程应用中，为了简化问题，忽略颗粒的形状，把颗粒 看成是一个球体，用当量直径（即粒径）表示其尺寸。 颗粒形状尺寸的测量方法有： a) 显微观察 用显微镜观察粉体，可以区分单颗粒与团聚颗粒
b)筛分析 由标准筛对颗粒过筛，标准筛按照孔径大小进行分号，如50目、100目、 200目、300目筛等。“目”即单位英寸长度范围出现的孔个数。“目”数越 大，孔径越小。筛分析不能区分单颗粒与团聚颗粒， c)沉降法 颗粒在液体中的沉降速率U与颗粒的直径D有关，成正比： UoeD 把颗粒分散到液体中，可以通过沉降速率测得颗粒的尺寸。它不能区分单 颗粒与团聚颗粒。 d)比表面积(BET)法 使颗粒表面饱和吸附一层截面积已知气体（通常为氮气），根据气体用量可 以计算出粉体的总表面积，除以粉体的重量可得比表面积S(2/g)。若把颗粒 看成是一个球体，用当量直径D表示其尺寸，直径与比表面积的关系为： D=6/S p 这里ρ表示粒径真密度。团聚颗粒的内表面只要与大气相通也被纳入比表面 积计算，故通常据此方法得到的粒径比筛分法、沉降法要小，更接近单颗粒。 2.2粉体粒径分布 组成粉体的颗粒若直径相同，该粉体称之为单组份粉体：若直径不同，该粉 体称之为多组份粉体。一般粉体为多组份粉体。要反映多组份粉体的粒径，通常 用图表法给出粒径的分布范围。具体有以下表示方法。 a)频度分布（微分法） 由实验测得不同粒径范围的颗粒数或质量，换算成百分数。 b)累积分布（积分法） 由实验测得不同粒径范围的颗粒数或质量，并据此进一步计算不大于某一粒 径的颗粒数或重量的总数。 2.3粉体的流动性 粉体介于块状固体和液体之间，具有一定的流动性，这种流动性对粉体物质 的加工、输送、包装、存储等方面的工作具有重要意义。评价粉体的流动性有多 种方法，最常用的方法有以下几种
b) 筛分析 由标准筛对颗粒过筛 ，标准筛按照孔径大小进行分号，如 50 目、100 目、 200 目、300 目筛等。 “目” 即单位英寸长度范围出现的孔个数。“目” 数越 大，孔径越小。筛分析不能区分单颗粒与团聚颗粒。 c) 沉降法 颗粒在液体中的沉降速率 U 与颗粒的直径 D 有关 ，成正比： U∝D 把颗粒分散到液体中 ，可以通过沉降速率测得颗粒的尺寸。它不能区分单 颗粒与团聚颗粒。 d) 比表面积(BET)法 使颗粒表面饱和吸附一层截面积已知气体（通常为氮气），根据气体用量可 以计算出粉体的总表面积 ,除以粉体的重量可得比表面积 S（m2/g）。若把颗粒 看成是一个球体，用当量直径 D 表示其尺寸，直径与比表面积的关系为： D=6/Sρ 这里ρ表示粒径真密度。团聚颗粒的内表面只要与大气相通也被纳入比表面 积计算，故通常据此方法得到的粒径比筛分法、沉降法要小，更接近单颗粒。 2.2 粉体粒径分布 组成粉体的颗粒若直径相同，该粉体称之为单组份粉体；若直径不同，该粉 体称之为多组份粉体。一般粉体为多组份粉体。要反映多组份粉体的粒径,通常 用图表法给出粒径的分布范围。具体有以下表示方法。 a) 频度分布（微分法） 由实验测得不同粒径范围的颗粒数或质量，换算成百分数。 b) 累积分布（积分法） 由实验测得不同粒径范围的颗粒数或质量,并据此进一步计算不大于某一粒 径的颗粒数或重量的总数。 2.3 粉体的流动性 粉体介于块状固体和液体之间，具有一定的流动性，这种流动性对粉体物质 的加工、输送、包装、存储等方面的工作具有重要意义。评价粉体的流动性有多 种方法，最常用的方法有以下几种
a)休止角 粉体在一个平面上堆积成一个圆锥体，在静平衡状态下其自由表面母线与水 平面所呈的最大夹角定义为休止角。显然液体的休止角为0：块状固体的休止角 为90度：粉体的休止角，0<ā<90度。ā越小，粉体的流动性越好（见图1）。 休止角也称安息角、自然坡度角等。 流动性良好的粉体 流动性不好的粉体 理想堆积形 实际堆积形 理想堆积形 实际堆积形 b)朋溃角 给测量休止角的堆积粉体以一定的冲击，使其表面崩溃后圆锥体的底角称为 崩溃角。 c)平板角 将埋在粉体中的平板向上垂直提起，粉体在平板上的自由表面（斜面）和平 板之间的夹角与受到震动后的夹角的平均值称为平板角。在实际测量过程中，平 板角是以平板提起后的角度和平板受到冲击后除掉不稳定粉体的角度的平均值 来表示的。平板角越小，粉体的流动性越强。一般地，平板角大于休止角。 d)分散度 粉体在空气中分散的难易程度称为分散度。测量方法是将10克试样从一定 高度落下后，测量接料盘外试样占试样总量的百分数。分散度与试样的分散性 漂浮性和飞溅性有关。如果分散度超过50%，说明该样品具有很强的飞溅倾向。 e)流速 定义为粉体由标准漏斗流出的速率(g/min或M3/min)。在测量流速的实 际操作中，一般是测量在规定时间（如2分钟）内流出粉体的量（体积、质量）。 流出粉体的量越多，流速越高，流动性越好。 2.4粉体的堆积密度 粉体堆积时，颗粒之间有大量空隙，所形成的密度比致密块体要小。影响
a) 休止角 粉体在一个平面上堆积成一个圆锥体，在静平衡状态下其自由表面母线与水 平面所呈的最大夹角定义为休止角。显然液体的休止角为 0；块状固体的休止角 为 90 度；粉体的休止角，0<α<90 度。α越小 ，粉体的流动性越好(见图 1)。 休止角也称安息角、自然坡度角等。 图 1 粉体流动性与休止角的关系 b) 崩溃角 给测量休止角的堆积粉体以一定的冲击，使其表面崩溃后圆锥体的底角称为 崩溃角。 c) 平板角 将埋在粉体中的平板向上垂直提起，粉体在平板上的自由表面（斜面）和平 板之间的夹角与受到震动后的夹角的平均值称为平板角。在实际测量过程中，平 板角是以平板提起后的角度和平板受到冲击后除掉不稳定粉体的角度的平均值 来表示的。平板角越小，粉体的流动性越强。一般地，平板角大于休止角。 d) 分散度 粉体在空气中分散的难易程度称为分散度。测量方法是将 10 克试样从一定 高度落下后，测量接料盘外试样占试样总量的百分数。分散度与试样的分散性、 漂浮性和飞溅性有关。如果分散度超过 50%，说明该样品具有很强的飞溅倾向。 e) 流速 定义为粉体由标准漏斗流出的速率（g/min 或 M3/min）。在测量流速的实 际操作中，一般是测量在规定时间（如 2 分钟）内流出粉体的量（体积 、质量）。 流出粉体的量越多，流速越高，流动性越好。 2.4 粉体的堆积密度 粉体堆积时，颗粒之间有大量空隙 ，所形成的密度比致密块体要小。影响
粉体的堆积密度的因素很多，如颗粒本身的密度、颗粒的形状尺寸、形成堆积体 的方法等。通常评价粉体的堆积密度有： a)松装密度 粉体在自然充填容器时形成的堆积密度。 b)振实密度 粉体在振动条件下充填容器时形成的堆积密度。振动会提供颗粒额外的能 量，填充堆积体中的空隙，故振实密度要大于松装密度。 2.5粉体比表面积测试 氮吸附法测定固体比表面积是依据气体在固体表面的吸附规律。在恒定温度 下，在平衡状态时，一定的气体压力，对应于固体表面一定的气体吸附量，改变 压力可以改变吸附量。平衡吸附随压力而变化的曲线称为吸附等温线，对吸附等 温线的研究与测定不仅可以获取有关吸附剂与吸附质性质的信息，可以计算固体 的比表面积。其原理： a)Langmuir吸附等温方程一一单层吸附 吸附剂（固体）表面是均匀的，吸附粒子之间的相互作用力可以忽略，吸附 层是单分子层。 P_ 1 P ，mb+ 式中，V一一气体吸附量，V。一一单层饱和吸附量，P一一吸附质（气体）压 力，b一一常数 以1/N对1/P作图，为一直线，根据斜率和截距可求出b和V。,只要得到单 分子层饱和吸附量V.即可求得比表面积S。 5g=436m W (1) W为样品质量 b)BET吸附等位方程一一多层吸附（标准方法） 认为物理吸附是按多层方式进行，不等第一层吸满就可以有第二层吸附，第 二层上又可能产生第三层吸附，吸附平衡时，各层达到各层的吸附平衡。 BET吸附等温方程：
粉体的堆积密度的因素很多，如颗粒本身的密度、颗粒的形状尺寸、形成堆积体 的方法等。通常评价粉体的堆积密度有: a) 松装密度 粉体在自然充填容器时形成的堆积密度 。 b) 振实密度 粉体在振动条件下充填容器时形成的堆积密度。振动会提供颗粒额外的能 量，填充堆积体中的空隙，故振实密度要大于松装密度 。 2.5 粉体比表面积测试 氮吸附法测定固体比表面积是依据气体在固体表面的吸附规律。在恒定温度 下，在平衡状态时，一定的气体压力，对应于固体表面一定的气体吸附量，改变 压力可以改变吸附量。平衡吸附随压力而变化的曲线称为吸附等温线，对吸附等 温线的研究与测定不仅可以获取有关吸附剂与吸附质性质的信息，可以计算固体 的比表面积。其原理： a) Langmuir 吸附等温方程——单层吸附 吸附剂（固体）表面是均匀的，吸附粒子之间的相互作用力可以忽略，吸附 层是单分子层。 Vm P v Vmb P 1 式中，v——气体吸附量，Vm——单层饱和吸附量，P——吸附质（气体）压 力，b——常数 以 1/V 对 1/P 作图，为一直线，根据斜率和截距可求出 b 和 Vm，只要得到单 分子层饱和吸附量 Vm即可求得比表面积 Sg。 W Vm Sg 4.36 （1） W 为样品质量 b) BET 吸附等位方程——多层吸附（标准方法） 认为物理吸附是按多层方式进行，不等第一层吸满就可以有第二层吸附，第 二层上又可能产生第三层吸附，吸附平衡时，各层达到各层的吸附平衡。 BET 吸附等温方程：
1,C-1P rG-p'cmcm月 V一一气体吸附量，Vm一一单分子层饱和吸附量，P一一吸附质压力，P。一 吸附质饱和蒸汽压，C一一常数 以P/N(P-P)对P/P作图，且1/（截距+斜率）=V,代入(1)，即求得比 表面积。用BET法测定比表面，最常用的吸附质是氮气，吸附温度在其液化点（一 195℃)附件，低温可避免化学吸附。相对压力控制在0.05一一0.35之间，低 于0.05时不易建立多层吸附平衡，高于0.35时，发生毛细凝聚作用，吸附等温 线偏离直线。 吸附层数n P/P-P) vm/C-(PI)+P/P 由上式可知，吸附表面的吸附层数受两个因素影响，其一是吸附质相对压力 P/P:其二是C值，C值越大，吸附层数越多，因此C值提供了与吸附剂吸附能 力相关的信息。 三、实验设备与材料 实验设备：电子天平、BT-1000型粉体综合特性测试仪和JW-004型全自动 氮吸附比表面仪。 四、实验方法和步骤 4.1粉体综合特性测试 实验步骤： 采用BT-1000型粉体综合特性测试仪（如图2所示）测试粉体的综合性能
0 0 1 1 ( ) P P CVm C V P P CVm P V——气体吸附量，Vm——单分子层饱和吸附量，P——吸附质压力，P0—— 吸附质饱和蒸汽压，C——常数 以 P/V(P0-P)对 P/P0作图，且 1/(截距＋斜率)＝Vm，代入（1），即求得比 表面积。用 BET 法测定比表面，最常用的吸附质是氮气，吸附温度在其液化点（－ 195 ℃）附件，低温可避免化学吸附。相对压力控制在 0.05——0.35 之间，低 于 0.05 时不易建立多层吸附平衡，高于 0.35 时，发生毛细凝聚作用，吸附等温 线偏离直线。 吸附层数 n {(1/ )[1 ( / )] / } /( ) 0 0 0 C P P P P P P P Vm V n (2) 由上式可知，吸附表面的吸附层数受两个因素影响，其一是吸附质相对压力 P/P0；其二是 C 值，C 值越大，吸附层数越多，因此 C 值提供了与吸附剂吸附能 力相关的信息。 三、实验设备与材料 实验设备：电子天平、BT-1000 型粉体综合特性测试仪和 JW-004 型全自动 氮吸附比表面仪。 四、实验方法和步骤 4.1 粉体综合特性测试 实验步骤： 采用 BT-1000 型粉体综合特性测试仪（如图 2 所示）测试粉体的综合性能