第三章
粉体的表征
组员名单：张梦帆 陈雨谷 罗毅 李经纬 陈垚旭
任永霞 赵晓慧 马新培 关晓娜 刘伟健
章节概要
物理特性表征 化学成分表征 晶体结构和相成分表征 表面形貌表征
粉体特性简介
粉体的重要特性可以分为四类：（1）物理特性，（2）化学成分，（3） 相成分，（4）表面特性。 粉体的这些特性对坯体的颗粒堆积均匀性和烧结过程中的微观结构变化 有很大的影响。
0.2-1
1-2
0.5-2
2-5
1-2
5-10
0.1-0.5
0.1-1
0.2-0.5
0.5-5
备注：AA=原子吸收；ICP-AE=电感耦合等离子 体发射；XRF=X射线荧光；XRD=X射线衍射； Z=原子序数
3. 晶体结构和相成分表征
晶体结构和相成分的分析与表征主要采用X射线衍射（XRD）这种方法。 XRD方法的主要依据是布拉格方程：2dsinθ = nλ 。 晶体结构的分析涉及晶体点阵常数（单个晶胞尺寸）和晶体结构模型（晶 体结构）的测定两部分，对粉体这种无规取向的样品，一般采用粉末衍射的 方法测定结构和晶格常数。 值得一提的是，对于相组成分析，XRD是独一无二的，因为其是能够提供 关于存在于固体中的晶体组分（或相）的定性和定量信息的唯一分析方法。 例如，该技术能够确定两相混合物中ZnO和Al2O3的百分比，而其他分析方法 只能够给出混合物中Zn，Al和O的元素百分比。
多个多晶一次颗粒组成的团聚体示意图
（4）二次颗粒：大的团聚体（尺寸约为100-1000 微米）； （5）絮凝团聚体：悬浮液中的沉淀状颗粒族； （6）胶体：液相中含有细微不同的相的系统； （7）骨料：混合物中的粗大颗粒，一般还含有细小颗粒作为粘合剂。 颗粒种类 尺寸范围 粉体 1 nm-1 μm 胶粒 1 μm-100μm 粗颗粒 100 μm-1 mm 二次颗粒 骨料 >1 mm
测量粉体表面积的技术是基于气体吸收现象的。一般对粉体而言，我们只考虑气 体的物理吸附（不形成化学键）现象；依据BET方程： （P/Po ）/ V(1-p/po)={1/Vmc+(c-1)p}/Vmcpo 对于表面积大于1m2/g的粉体的测量，一般用氮气和氩气作为吸附气体； 一般我们把2nm以下的细孔称作微孔，2-50nm的称作介孔，大于50nm的则为大 孔。我们关心的粉体孔隙特征有尺寸（直径），半径，和深度。 常用的三种孔隙特征测量方法分别为： 1）气体吸收测定法，适用于介孔范围内的孔径测量； 2）水银浸入空隙测定法，适用于大孔隙范围内的孔径测量； 3）比重瓶测定法，一般用于测定粉体的孤立孔隙率，若孔隙与外部连通，测量结 果将没有参考价值。
1.2 颗粒尺寸和颗粒尺寸分布
陶瓷粉体一般由不同尺寸的颗粒组成，这些尺寸分布在某一范围内。
对不规则形状颗粒的尺寸定义有很多种，见下表。
我们关注的一般是平均颗粒尺寸，根据定义不同有三种：线性平均粒径、表面平 均粒径和体积平均粒径。 颗粒形状对流动性和粉末堆积程度有一定影响，一般倾向于球形和等轴状粉末的 使用，因为它们能提升固体的堆积同质性。
特征
AA
ICP-AE
原子吸收 XRF 光谱石墨 炉
XRD
范围
金属和非 金属和非 金属和非 Z＞8 金属元素 金属元素 金属元素 液态 液态 固态
晶体材料
样品通常 液态 的状体 检测极限 10-3-10-1 a（ppm）
固态
10-3-10-1
10-5-10-2
＞10
103-104
精确度b （%） 准确度c （%）
2. 化学成分表征
右边的表格列出了几种陶瓷粉 体化学分析的常用技术。 涉及原子吸收（AA）或原子发 散（AE）的光学原子光谱是目前 应用最广泛的技术。高精密度的 分析和低的检测极限使这项技术 在确定主要元素和微量元素以及 分析痕量元素上非常有价值。X 射线荧光光谱（XRF）也能够用 于分析主要、微量和痕量元素， 但是对低原子序数元素，敏感度 显著下降。因此，XRF不能用于 原子序数Z小于9的元素的定量分 析。
符号 XS XV XSV 名称 表面直径 体积直径 表面体积直径 定义 与颗粒具有相同表面积的球体直径 与颗粒具有相同体积的球体直径 与颗粒具有相同的表面积体积比的球体直径
XSTK
XPA XC XA XF
斯托克斯径（或等价球 直径） 投影面积直径 周长直径 筛分直径 费莱特径
在层流情况下与颗粒具有相同的沉降速率的球体直径
释放粒子
俄歇电子
元素范围
>Li(Z=3)
>Li(Z=3)
>H(Z=1)
探测极限
10-3
10-3
10-9 到10-6 1nm
分析深度
2nm
2nm
横向分辨率
>20nm
>150um
50nm— 10mm
4. 表面形貌表征
对初始粉末的正确理解是理解在 后来过程中的行为的关键。
物理特性 颗粒尺寸和分布 颗粒形状 团聚度 表面积 密度和气孔率
化学成分 主要元素 次要元素 微量元素
相 结构（晶体或非晶体） 晶体结构 相成分
表面特性 表面结构 表面成分
1. 物理特性表征
1.1粉体分类
粉体按颗粒类型可以分为以下几类： （1）一次颗粒：粉体中的最小单元； （2）团聚体：颗粒聚集； （3）颗粒：一次颗粒与团聚体无法区分时；
4. 表面形貌表征
比表面积的增大会对粉体各种 性能产生较大影响； 右图列出了电子束与固态样品 的相互作用示意图。
表面形貌表征技术基于微观粒 子（原子、离子、中子、电子等） 之间的反应以及辐射现象（X射 线衍射、紫外线辐射等）。这些 相互作用会产生不同的射线，通 过这些射线我们可以得到关于样 品的许多信息。
与颗粒投影面积相同的圆直径 与颗粒投影轮廓的周长相同的圆直径 颗粒通过的最小方孔宽度 颗粒投影轮廓的双平行切线间距离的平均值
1.2.1 颗粒尺寸和颗粒尺寸分布的表示方法
一般用表格、柱状图和拟合曲线图这三种方法来描述1.4 粉体表面积和粉体孔隙特征
4. 表面形貌表征
根据粒子束与粉体之间的相互 作用，粉体表面形貌的表征主 要采用以下三种方法，其各项 参数已经在右侧的表中给出；
测量方法
入射粒子
AES
电子（120KeV）
XPS
X射线 （1254eV和 1487eV） 光电子
SIMS
离子（He、 Ne、Ar） (100eV30KeV) 溅射离子
俄歇电子谱（AES）：粉体 表面电荷聚集易导致结果不 准确 X射线光电子谱（XPS）： 可以用于确定表面原子的氧 化态 二次离子质谱（SIMS）： 适合定性元素分析，定量分 析结果不可靠