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粉體團(tuán)聚是陶瓷材料制造過(guò)程中一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，對(duì)于特種陶瓷來(lái)說(shuō)更是尤為重要，它關(guān)系到陶瓷的燒結(jié)，陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響陶瓷材料的性能。

一、團(tuán)聚體

在一般原始粉料（粉體）中常常含有一定數(shù)量的在一定力作用下結(jié)合成微粉團(tuán)，即團(tuán)聚體。團(tuán)聚體內(nèi)的顆粒稱(chēng)為壹級(jí)顆粒，它們之間的氣孔稱(chēng)為壹級(jí)氣孔，團(tuán)聚體本身稱(chēng)為二級(jí)顆粒。

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)示意圖1所示：

團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)示意圖

二、粉體的團(tuán)聚的種類(lèi)

團(tuán)聚體的種類(lèi)按作用力的性質(zhì)分為兩種形式：一是硬團(tuán)聚，二是軟團(tuán)聚。

軟團(tuán)聚由顆粒間的范德華力、庫(kù)侖力或毛細(xì)管等較弱的力所致。該團(tuán)聚可以通過(guò)溶劑分散或者施加輕微的機(jī)械力如超聲、研磨等方式消除。

原料在煅燒或者高溫處理過(guò)程中由于產(chǎn)生較強(qiáng)的化學(xué)鍵合形成的微粒團(tuán)稱(chēng)為“硬團(tuán)聚體”，一般外力難以將它拆開(kāi)，需經(jīng)過(guò)工藝才能消除。

a.軟團(tuán)聚體；b.硬團(tuán)聚體

圖2 粉體軟團(tuán)聚體與硬團(tuán)聚體的結(jié)構(gòu)示意圖

三、粉體團(tuán)聚對(duì)燒結(jié)度的影響 

無(wú)論是“軟團(tuán)聚體”還是“硬團(tuán)聚體”，其尺寸、分布、數(shù)量及性質(zhì)對(duì)燒結(jié)體的顯微結(jié)構(gòu)與性能均有較大的影響。

01粉體團(tuán)聚對(duì)燒結(jié)溫度的影響

將原料粉碎時(shí)，不僅顆粒表面發(fā)生變化，而且內(nèi)部結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生局部變形，成為高能活化狀態(tài)，原料粉碎的顆粒越細(xì)，體系的能量越高，燒結(jié)的推動(dòng)力就越大，越有利于燒結(jié)，從而導(dǎo)致燒結(jié)溫度降低。而當(dāng)粉體中存在團(tuán)聚體時(shí)，可能導(dǎo)致坯體堆積密度下降、形態(tài)不均勻，同時(shí)，由于團(tuán)聚體內(nèi)顆粒燒結(jié)溫度高于團(tuán)聚體之間的燒結(jié)溫度，故會(huì)使所需燒結(jié)溫度提高。

超細(xì)、粒度均勻，無(wú)團(tuán)聚物的氧化鋁粉，可比普通氧化鋁陶瓷燒結(jié)溫度降低300-400℃。降低粉體的團(tuán)聚程度在一定程度上可以降低陶瓷的燒結(jié)溫度。

02粉體團(tuán)聚對(duì)燒結(jié)致密度的影響

對(duì)在氧化鋁粉中摻入未了NiO研究表明，素坯在1735℃的氧化氣氛中燒結(jié)6個(gè)小時(shí)，燒結(jié)后的密度隨團(tuán)聚程度變化而變化。其結(jié)果見(jiàn)下表1：

表1

由表1可見(jiàn)，漿料的攪拌時(shí)間加長(zhǎng)，AF(50)值越小，燒結(jié)密度越高。

AF(50)=中位尺寸團(tuán)聚體的直徑/微粒的等價(jià)球直徑，AF(50)值越大，說(shuō)明粉體團(tuán)聚越嚴(yán)重，AF(50)=1說(shuō)明粉體幾乎沒(méi)有團(tuán)聚體。

03粉體團(tuán)聚對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響

在粉體中不含團(tuán)聚體時(shí)，由于原料顆粒細(xì)小且均一，易于制備微觀結(jié)構(gòu)均勻的產(chǎn)品。若使用原料含有較多的團(tuán)聚體，尤其是硬團(tuán)聚體時(shí)，只能得到低密度高孔隙率的素坯及燒結(jié)體，得到的燒結(jié)體氣孔較大，無(wú)法得到高密度的多晶材料。大氣孔存在于晶界及晶粒內(nèi)，僅是再進(jìn)一步燒結(jié)，這些氣孔也無(wú)法排除，相反會(huì)引起二次重結(jié)晶。為防止二次重結(jié)晶，當(dāng)粒度無(wú)法做到小而均勻時(shí)，應(yīng)使用較大的顆粒，以防止二次結(jié)晶而使氣孔率增加。

04粉體團(tuán)聚對(duì)燒結(jié)性能的影響

粉體團(tuán)聚對(duì)燒結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)、燒結(jié)溫度、致密度有較大的影響，從而影響燒結(jié)體的性能，也就使燒結(jié)體強(qiáng)度、韌性降低。

四、介質(zhì)中控制粉體團(tuán)聚的方法

由于粉體團(tuán)聚會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)成品的品質(zhì)無(wú)法保障，因此需要采取一定的工藝以減少或者消除粉體團(tuán)聚體對(duì)成品質(zhì)量的影響。

“軟團(tuán)聚”由于質(zhì)點(diǎn)間的作用力較弱，故一般采取適當(dāng)?shù)姆稚⒓夹g(shù)即可消除或減弱之，從而得到均勻的高密度坯體。

而硬團(tuán)聚則由于質(zhì)點(diǎn)間屬于化學(xué)鍵合，作用力較大，故不僅不易分散，也不易破碎，只能得到氣孔分布不均的低密度坯體。

導(dǎo)致超細(xì)粉團(tuán)聚的主要原因有顆粒尺寸小，表面能高，易發(fā)生團(tuán)聚以降低表面能；顆粒表面易聚集電荷，使其穩(wěn)定性降低，易發(fā)生團(tuán)聚；顆粒表面存在氫鍵或其他不飽和鍵，引起顆粒間相互吸附；存儲(chǔ)環(huán)境空氣濕度大使其粘接力增大易發(fā)生團(tuán)聚等。

用于控制粉體團(tuán)聚的方法機(jī)械分散、干燥處理、靜電分散、干燥、有機(jī)物洗滌、共沸蒸餾、超聲空化等。

01機(jī)械分散

通過(guò)機(jī)械力作用強(qiáng)制將團(tuán)聚的粉體顆粒分開(kāi)，要求機(jī)械力須大于顆粒間的粘接力。

機(jī)械分散法一般包含研磨、普通球磨、振動(dòng)球磨、膠體磨和機(jī)械攪拌。一般用于防止和破壞顆粒間的軟團(tuán)聚。其分散效果較好，但易引入雜質(zhì)，或改變粉體表面特性、晶型結(jié)構(gòu)等性質(zhì)，當(dāng)機(jī)械力停止后，團(tuán)聚也可能會(huì)再次發(fā)生。

02干燥處理

干燥處理是指通過(guò)破壞和防止顆粒間形成的液橋來(lái)控制粉體團(tuán)聚的方法。有內(nèi)加熱和外加熱兩種方法。

內(nèi)加熱有紅外加熱和微波加熱，加熱時(shí)由于介質(zhì)的氣化過(guò)程在團(tuán)聚體內(nèi)部進(jìn)行，降低了粉體之間的毛細(xì)管作用力，從而可以減少粉體之間的硬團(tuán)聚。外加熱時(shí)，介質(zhì)氣化會(huì)在團(tuán)聚體的表面進(jìn)行，內(nèi)部的液體可以通過(guò)毛細(xì)管輸送到表面，但粉體間毛細(xì)管的作用不可避免。

03靜電分散

靜電分散式利用“異性相吸、同性相斥”的原理，為粉體顆粒通電，使其帶上同種電荷，增加排斥反應(yīng)來(lái)控制團(tuán)聚。

其方法有：接觸帶電、感應(yīng)帶電和電暈帶電。

04干燥

干燥工藝是在干燥處理的基礎(chǔ)上，為防止粉末團(tuán)聚體由于失水而發(fā)生硬結(jié)而研究的一種工藝。干燥工藝中常用的干燥有冷凍干燥、超流體干燥和噴霧干燥。

冷凍干燥，又稱(chēng)升華干燥，是將含水物料冷凍到冰點(diǎn)以下，使水轉(zhuǎn)變?yōu)楸缓笤谳^高真空下將冰轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵舛サ母稍锓椒?”。水在冰凍后體積會(huì)發(fā)生膨脹，使團(tuán)聚體分開(kāi)，同時(shí)固態(tài)的形成防止了粉體的重新團(tuán)聚。

超流體干燥是利用超臨界流體的特性將粉體形成的膠體中的有機(jī)物除去的干燥方法。

噴霧干燥是系統(tǒng)化技術(shù)應(yīng)用于物料干燥的一種方法，于干燥室中將稀料經(jīng)霧化后，在與熱空氣的接觸中，水分迅速氣化，即得到干燥產(chǎn)品，該法能直接使溶液、乳濁液干燥成粉狀或顆粒狀制品，可省去蒸發(fā)、粉碎等工序。

噴霧干燥法干燥過(guò)程非常迅速，可直接干燥成粉末，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)能力大，產(chǎn)品質(zhì)量高，可以在較大范圍內(nèi)改變操作條件以控制產(chǎn)品的質(zhì)量指標(biāo)；缺點(diǎn)是設(shè)備較復(fù)雜，粉末回收裝置價(jià)格較高，熱效率不高，熱消耗大。

噴霧干燥器

05有機(jī)物洗滌

有機(jī)物洗滌是使用液態(tài)的表面張力小的有機(jī)物去洗滌團(tuán)聚的粉體，置換團(tuán)聚粉體表面吸附的水分，減小氫鍵作用和毛細(xì)管力，從而控制粉體團(tuán)聚的方法。

06共沸蒸餾

共沸蒸餾法是使用與水共沸的共沸劑將待蒸餾的含有水、乙酸和乙酸甲酯等的混合物共沸蒸餾的方法。常用的共沸劑為二甲、甲苯、苯醇等有機(jī)溶劑。

將濾餅和有機(jī)溶劑進(jìn)行攪拌，混合后移至蒸餾瓶共沸，濾餅脫水后再加熱至沸點(diǎn)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后，有機(jī)溶劑即可排出，隨后對(duì)濾餅進(jìn)行干燥和煅燒，即可制得松散無(wú)團(tuán)聚的粉體。

07超聲空化

超聲波是一種頻率高于20 kHz的聲波，方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能。

利用超聲空化時(shí)產(chǎn)生的局部高溫、高壓、強(qiáng)沖擊波和微射流等，可以較大幅度地弱化微粒間的作用能，防止超細(xì)粉體微團(tuán)聚，從而達(dá)到充分分散。

五、儲(chǔ)運(yùn)粉體過(guò)程中對(duì)粉體團(tuán)聚的控制措施

超微粉體不可存儲(chǔ)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間，做好制備和應(yīng)用連接進(jìn)行，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程要防止或盡量減少包裝間的相互擠壓，并且存儲(chǔ)在陰涼、干燥、避光的地方，運(yùn)輸過(guò)程中要防止粉體受潮擠壓等。

01粉體的包裝

由于粉體的粒度小，如果發(fā)生受潮、雨淋或擠壓就會(huì)發(fā)生二次團(tuán)聚，因此通常采用真空等形式密封粉體后使用塑料和紙筒進(jìn)行包裝。如ZnO、TiO2等金屬氧化物粉體的包裝。

02鈍化處理

鈍化就是對(duì)新制備的粉體在與大氣接觸前進(jìn)行表面氧化。通常是在惰性氣體的環(huán)境下進(jìn)行鈍化，以控制粉體表面的氧化速度。鈍化之后的粉體表面會(huì)生產(chǎn)一層氧化膜以隔離粉體與空氣接觸，提高粉體的溫度性，有利于儲(chǔ)運(yùn)粉體過(guò)程的穩(wěn)定性。

03溶劑儲(chǔ)存

溶劑存儲(chǔ)是一種用溶劑保護(hù)納米粉體的存儲(chǔ)方法。根據(jù)應(yīng)用要求，選用特定的溶劑配成漿液以保存顆粒間的均勻性及松散性，減少顆粒之間的團(tuán)聚發(fā)生。

04防聚結(jié)處理

將少量的添加劑如抗靜電劑、防潮劑、偶聯(lián)劑等加入粉體中，以阻礙粉體的團(tuán)聚。