第1章 粉體及其性質

1.1 粉體及其特殊性能（1）——小粒徑和高比表面積

1.1.1 常見粉體的尺寸和大小

表示固體大小的單位，一般用米（m）或毫米（mm）；表示分子大小的單位，一般用埃（?；1? =10-1nm=10-10m）。粉體既可以由固體粉碎變細得到，又可以由分子集聚變大得到。因此，表示粉體大小的單位，一般用微米（μm；1μm=10-6m）或納米（nm；1nm=10-9m）。那么，所謂微米或納米的單位到底有多大呢？

若將谷物用石碾或石磨等粉碎，會得到10~100μm的粉末。用兩個手指一捏，有顆粒狀和非光滑之感。再進一步用非常高性能的粉碎機粉碎，則顆粒感消失，代之以明顯的光滑感。粗略地講，按人對粉體的感覺而言，在10μm左右有明顯的變化。

細菌的大小一般在1μm左右。所謂除菌過濾所采用的就是孔徑0.2μm的細孔徑過濾膜。病毒也是小生物的代名詞。艾滋病毒的尺寸為0.1μm，屬于相當大的病毒。有些種類的病毒尺寸只有10nm。DNA分子的尺寸大約為1nm。一個水分子的大小只有0.35nm。

在金屬超微粒子領域，原子數從幾個到100個左右的集合體稱為原子團簇。這種數目的原子集合體中，由于電子運動與普通固體中的具有很大差異，從而會表現出許多新的電磁特性。

近年來，采用化學方法制備金屬及精細陶瓷微細粒子的開發極為活躍。在此領域，特別將0.1μm以下的粒子稱為超微（納米）粒子。而且，在微小粒子的捕集技術及計測等領域，將0.1～1μm范圍的粒子稱為亞微米粒子。

1.1.2 粉粒越小比表面積越大

朋友相聚咖啡濃郁的芳香烘托出優雅的氛圍。將烘烤好的咖啡豆放入咖啡機中，用手搖動搖把，發出“咯啦咯啦”的響聲。將磨好的咖啡粉轉移到過濾器時，會散發出芳醇的香味。通過調整咖啡機的間隙，可獲得綿白糖那樣的細粉，沙糖那樣的中粉和雪花那樣的粗粉。

我們以球狀物體為例說明粉粒越小比表面積越大。

若一個球的半徑為r，則其體積為，表面積為4πr2, 當把它按體積均分為兩份后，這兩個小球的半徑為，于是 它們的總表面積為。依此類推，可知粉 粒越小比表面積越大。

對于粉體來說，即使質量相同，粒度不同，必然會引起表面積的變化。注意右頁表中三種粒徑的粉體，在粒子總體積相同的條件下，粒子越細則粒子個數越多。若粒子的大小變為十分之一，在粒子的總體積相同的條件下，粒子的個數變為1000倍。由于一個粒子的表面積與其直徑的平方成正比，在考慮粒子個數的前提下，則粒子越細，總表面積（表的最右欄）越大。

由于表面積越大，與媒質（溶劑）的接觸面積越大，反應速度越快。將固體制成粉體的理由之一，是伴隨著粉體化的表面積的增加，以及與之相伴的反應性、溶解性的增加。

1.1.3 涂料粒子使光（色）漫反射的原理

散射是由于介質中存在的微小粒子（異質體）或者分子對光的作用，使光束偏離原來的傳播方向而向四周傳播的現象。我們看到天空是蔚藍色就是空氣對陽光散射的結果。在光通過各種渾濁介質時，有一部分光會向四方散射，沿原來的入射或折射方向傳播的光束減弱了，即使不迎著入射光束的方向，人們也能夠清楚地看到這些介質散射的光,這種現象就是光的漫散射。

涂料粒子使光散射的原理如圖所示。光線照到涂料粒子上，部分反射，部分折射進入粒子內，再經反射和折射射出粒子，這時原本平行的光線會向四面八方發散，也就形成了涂料粒子的漫反射。

為什么冰是透明的而雪是白色的？我們都知道，冰是單晶體，單晶內部結構呈規律性，因而單晶體的透光性好，所以冰是透明的。而雪是多晶，多晶由很多小的晶粒組成，也就是存在很多晶界，在晶界上光有折射也有反射。由于大量晶界的存在，光很難透射，幾乎全部被漫反射，從而呈現白色 。

但是，為什么南極的冰實際上是白色而非透明的？這可能與南極特殊的地理位置相關。降于南極的雪即使在夏天也幾乎不會融化。到次年冬季又會在舊雪上積層新雪。在所積的雪層中，會存在空氣的間隙。長年積累，所積雪的下方承受上方的重力載荷，在壓力作用下雪變為冰。這樣，雪的間隙中存在的空氣難以向外逃逸，并以微細泡粒的形式封閉于冰中。這種泡粒使光發生散射致使形成不透明的冰。由此似乎可以推斷，16萬年前所積雪（冰）中的泡粒，就是由16萬年前的大氣封入的。

1.1.4 粉碎成粉體后成形加工變得容易

物料粉體化具有重要意義。第一，它可以加快反應速度，提高均化混合效率。這是因為粉體的比表面積大，反應物之間接觸充分。第二，它可以提高流動性能，即在少許外力的作用下呈現出固體所不具備的流動性和變形性，改善物料的性能。第三，它可以剔除分離某些無用成分，便于除雜。第四，超細粉體化可以改變材料的結構及性質。

透光性陶瓷就是一個好的例子。透明陶瓷的制備過程包括制粉、成型、燒結和機械加工。其中對原料粉有四個要求：①具有較高的純度和分散性；②具有較高的燒結活性；③顆粒比較均勻并呈球形；④不能團聚，隨時間推移也不會出現新相。正是由于這些粉體的優良性能，才使得透明陶瓷具有較好的透光性和耐腐蝕性，能在高溫高壓下工作, 強度高、介電性能優良、電導率低、熱導性高等優點。因而它逐漸在光學、特種儀器制造、無線電技術及高溫處理等領域獲得日益廣泛的應用。

材料的成分、結構和組織、合成與加工、功能或性能價格比稱為材料科學與工程四要素，上述四個要素的關系可由表征其間關系的材料科學與工程四面體來表示。任何材料都可以用材料科學與工程四面體為“量具”，進行分析和比較。讀者可以針對日常生活中常見的陶和瓷加以分析和比較。

總之，在材料的開發和研究中，材料的性能主要由材料的組成和顯微結構決定。顯微結構，尤其是無機非金屬材料在燒結過程中所形成的顯微結構，在很大程度上由所采用原料的粉體的特性所決定。根據粉體的特性有目的地對生產所用原料進行粉體的制備和粉體性能的調控、處理，是獲得性能優良的材料的手段之一。