第章粉末的比表面及其测定比表面属于粉末体的一种综合性质是由单颗粒性质和粉末体性质共同决定的。粉末比表面定义为quot质量的粉末所具有的总表面积用quot 或ampquot表示致密固体的比表面用amp’为单位称容积比表面。粉末比表面是粉末的平均粒度、颗粒形状和颗粒密度的函数。测定粉末比表面通常采用吸附法和透过法。尺寸效应法是根据粉末粒度组成和形状因子计算表面积的一种方法。如以为表面形状因子、为体积形状因子为颗粒有效密度则计算的比表面等于—quot—第篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论计quotamp’-式中-———体面积平均径。因此按上式由均匀球形颗粒比表面计算的统计粒径就是体面积平均径。但如果用透过法或氮气吸附法测定比表面再按上式计算平均粒径-则由于透过法比 表面包括颗粒的全部外比表面而氮气吸附法测得的更接近全比表面即包括内比表面所以两者均比计大。或者说透过法平均粒径和吸附法平均粒径比计算平均粒径要小特别是吸附法平均粒径更小。由吸附法或透过法比表面计算平均粒径并不反映颗粒的实际大小。因为计算中假定颗粒为均匀球形有相同的平均直径。由上式和ampquot.可以直接得到下面两个计算式透过比表面平均径透quot.’透吸附比表面平均径吸quot.’吸第一节气体吸附法利用气体在固体表面的物理吸附测定物质比表面的原理
是测量吸附在固体表面上气体单分子层的质量或体积再由气体分子的横截面积计算/物质的总表面积即得克比表面。气体被吸附是由于固体表面存在有剩余力场根据这种力的大小和性质不同分为物理吸附和化学吸附。前者是范德华力的作用气体以分子状态被吸附后者是化学键力起作用相当于化学反应气体以原
子状态被吸附。物理吸附常在低温下发生而且吸附量受气体压力的影响较显著。建立在多分子层吸附理论上的012法是低温氮气吸附法属于物理吸附。这种方法已广泛用于比表面测定。描述吸附量与气体压力关系的有所谓“等温吸附线”图343。横坐标5为吸附气体的饱和蒸气压力。图左起第一类适用于兰格谬尔等温式描述了化学吸附或单分子层物理吸附其余四类描述了多分子层吸附也就是适用于012法的一般物理吸附。兰格谬尔吸附等温式可写成如下形式—quot—第4章粉末的比表面及其测定图quotquot等温吸附线的几种类型amp’ampamp式中amp———当压力为时被吸附气体的容积amp———全部表面被单分子层覆盖时的气体容积称饱和吸附量———常数。上式表明amp与成直线关系。由实验先求得ampquot对应数据作出该直线。根据直线的斜率和纵坐标截距求得上式中的amp再由气体分子的截面积计算被吸附的总表面积和克比表面值。一般情况下气体不是单分子层吸附而是多分子层吸附。这时上式就不能应用。这时应该用多分子层吸附-公式amp.quot’amp//quotamp/0.式中———吸附平衡时的气体
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压力.———吸附气体的饱和蒸气压amp———被吸附气体的体积amp———固体表面被单分子层气体覆盖所需气体的体积/———常数。即在一定的.值范围内用实验来测得不同值下的amp并换算成标准状态下的体积。以amp.quot对.作图得到的应为一条直线。amp/为直线的纵坐标截距值/quotamp/为直线的斜率于是amp’斜率截距。因为12的气体体积为334..56分子数为阿佛加德罗常数78。所以amp334..9为：粉末试样9为所取试样粉质量：所吸附的单分子层气体的摩尔数。amp78334..9就是：粉末吸附的单分子层气体的分子数。因为低温吸附是在气体液化温度下进行的被吸附的气体分子类似液体分—quot—第篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论子以球形最密集方式排列那么用一个气体分子的横截面积quot去乘quotampamp’
a2冷作模具钢就得到粉末的克比表面quotquotampamp’气体吸附法测定比表面的灵敏度和精确度
最高。它分为静态法和动态法两大类前者又包括容量法、重量法和简易单点吸附法。
一、容量法根据吸附平衡前后吸附气体容积的变化来确定吸附量实际上就是测定在已知容积内气体压力的变化。-.比表面装置就是采用容量法测定的。图/010amp为-.装置原理图。连续测定吸附气体的压力2和被吸附气体的容积记下实验温度下气体的蒸气压2再按-.方程计算以2202对22作等温吸附线。从而求得quot计算出。图/010amp-.装置原理/、amp、3—玻璃阀’—水银压力计1—试样管4—低温瓶液氮5—温度计6—恒温水套7—量气球/—汞瓶—quot—第1章粉末的比表面及其测定二、简易单点吸附法quot法至少要测量三组amp数据才能得到准确的直线故称多点吸附法。用氮吸附时在quot公式中一般’值很大amp’项很小可以忽略不计。由此quot公式则可简化为ampamp-上式说明如以amp对作图直线将通过坐标原点其斜率倒数就代表所要测定的amp。因此一般就利用上式在./附近测一点将它与amp坐标图中的原点联结就得到图0/中的直线1。单点法与多点法比较当比表面在12113范围内时误差为405。将67.1-11867.1/-1/代入克比表面计算式可得到单点吸附法的比表面计算式9:./7amp式中———
粉末试样的质量3。图0/单点吸附与多点吸附—多点法1—单点法三、质量法质量法是用吸附秤直接精确称量粉末试样在吸附前后的质量变化来确定比表面的方法避免由于容量法测定过程中带来的测量误差因此更为简单更为实用。—quot—第篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论如图quotquot所示装好粉末的试样悬挂在一根灵敏度极高的石英质弹簧的下端系统抽真空后用显微镜测距仪测量吸附前试样杯的高度然后引入吸附气体。等吸附达到平衡后再测试样杯的高度。两次测量的高度差即为被吸附气体的质量。可直接由弹簧的伸长度高度差来确定吸附量。图quotquot吸附秤原理—气体入口—石英弹簧amp—试样杯四、热解吸谱法与容量法、质量法不同热解吸谱法是一种动态方法。也就是说吸附气体处于流动过程中因此又称动态气体吸附法。热解吸谱法原理为流动的吸附气quot载气混合气连续地通过固体或粉末试样借助变化吸附气流速以改变混合气的组成得到不同的相对压强。在不同的相对压强下于吸附气的液化温度吸附气被样品吸附。直至混合气中吸附气的分压达到吸附平衡压强样品再回复到室温使样品上吸附的吸附气解吸。在记录器上得到吸附峰或解吸峰。由此可求出样品的吸附量’amp-./001’1式中———试验时的大气压—quot—第章粉末的比表面及其测定quot———试验时的绝对温度———解吸峰或吸附峰面积———标定峰面积———标定时注射的吸附气体积。实验上往往不将吸附峰绘出而仅绘出与标定峰极性相同的解吸峰。因此通常得到的谱图上只有解吸峰和标定峰。典型的解吸峰和标定峰谱图如图amp’’所示。图amp’’典型的解吸峰和标定峰谱图吸附平衡时相对压强数值可由混合气流速与吸附气流速-的流速比来确定.-/quot式中———吸附气液化时的饱和蒸气压。这样由相对压强各点得到的和值作01图即可求出样品的比表面积。图amp’’2
为热解吸谱仪气路流程图。—quot—第amp篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论图quotquot热解吸谱仪气路流程图—载气瓶—氮气瓶amp—减压阀’—缓冲罐—稳压阀—压力表—毛细管—针形阀—第一混气室—毛细管—冷凝管—保温瓶amp—紫铜蛇形管’—热导池—六通阀—第二混气室—四通阀—样品管—紫铜蛇形管—水浴—转子流量计—皂泡流量计第二节空气透过法金属及其化合物粉末比表面积和粒度测定———空气透过法-./—主题内容与适用范围本标准规定了金属及其化合物粉末比表面积和粒度测定方法———空气透过法。本标准适用于金属粉末及其
化合物的粉末比表面积和粒度的测量。本标准不适用于纤维状、片状粉末的测量但供需双方协商同意时也可采用本标准。—quot—第章粉末的比表面及其测定本标准不适用于不同材质的混合粉末及含有粘合剂或润滑粉的粉末比表面积和粒度的测量。引用标准quotamp’’金属粉末有效密度的测定液体浸透法术语及符号quot术语quotquot透过率-./01023多孔材料输送流体的能力。本标准中流体是指干燥空气。quotquot间隙孔04252065空气能被输送通过的颗粒之间的孔隙。quotquot透过孔隙度-./1775023间隙孔体积与多孔床的体积之比。同义词有效孔隙度
886209775023quotquot包络体积4917971:-在粉末床中排除间隙孔之外被粉末颗粒所占据的体积。同义词粉末有效体积886209971:-787lt5quotquotamp体积比表面971:-5608065:8.6粉末颗粒的表面积与它的有效体积之比。本标准中体积比表面分为三种。quotquotampquot粘性流体积比表面90567:5817971:-5608065:8.6涉及有粘性流效应的体积比表面即仅考虑粘性流动所确定的表面积与粉
末的有效体积之比。quotquotampquot分子滑动流体积比表面-716:1.510817971:-5608065:1.6涉及有分子滑动碰撞效应的体积比表面即在分子滑动流下所测出的表面积与粉末的有效体积之比。quotquotampquot体积全比表面971:-715608065:8.6在空气透过法测定中具有分子滑动流效应的情况下所测得的粉末表面积与粉末的有效体积之比。—’—第’篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论本标准中的体积全比表面与吸附法所测定的体积全比表面是相当的两者可以相互校对。quotquot质量比表面quotamp’’ampquotamp粉末的全表面积与粉末的质量之比或者是粉末体积全比表面与粉末的有效密度之比。quotquot粘性流粒度或粘性流等效球形直
中国美胸模特径’-.-/quot0’amp.’1-’a mp-2’quot.03’ampquot.4’5quot0非多孔均匀球形粉末与被测粉末有相同的有效密度在同一粘性流测定条件下有相同的粘性流比表面的球形直径。quotquotamp全比表面粒度或全比表面等效球形直径
/3-.amp’’ampquotampquot0’amp.’1-/3-.amp’’ampquotamp2’quot.03’ampquot.4’quot0被测粉末的全比表面积与理想光滑均匀球形颗粒有相同的有效密度、相同的全比表面的颗粒直径。quotquot’分子滑动流处理系数-.amp.quot.’.-/0quot00quotamp0-分子滑动流体积比表面与粘性流体积比表面的比值半倍系数。quotquot全表面系数
/3-.quotampquotamp0-粉末的体积全比表面与其粘性流体积比表面之比。quotquot分子碰撞表面相关
系数.quot04amp-’amp’/’036-amp6’7-03-.amp.’03quotamp它等于分子滑动流的表面效应与孔体积效应的乘积除以粘性流附面层的体积效应。quot符号符号名称单位8试样横截面积amp94试样管测量直径：试样压缩床厚度amp试样压缩床粉末质量7粉末有效密度7amplt—amp—第章粉末的比表面及其测定符号名称单位粉末理论密度quotquotamp粉末床有效孔隙度—quot粉末床总孔隙度—’流体体积流速率quot空气的粘度泊amp粉末床的压强降空气分子平均自由程amp-./012/系数商定为3—’总透过率amp4’5纯粘性透过率amp4’分子滑动流透过率amp465粘性流体积比表面amp176分子滑动流体积比表面amp1768体积全比表面amp1769质量全比表面
4quot:5粘性流粒度amp:8全比表面粒度amp分子滑动流处理系数—全表面系数
68quot65—lt分子碰撞表面相关系数lt417quotamp71quotamp??65—被测粉末下料系数它等于粉末称量的克数除以有效密度的克数—仪器常数无量纲的常数—编者注泊为非法定单位法定单位为??7泊gt7??。—quot—第7篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论方法原理本方法是基于稳定空气流动下气体透过粉末压
缩床测出其透过率来确定粉末的比表面积和粒度的。粉末床的透过率受粉末的粒度、形状和床的有效孔隙度的影响。当粉末形状、孔隙度已知并测出透过率时按不同的方程能计算出粉末各种比表面积和粒度。空气透过粉末床时一般情况对粘性流粒度quot大于amp的粉末空气透过是粘性流流动小于amp的粉末是分子滑动流和粘性流
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的混合流动。’amp的粘性流动计算式为quot-./-010-2/-03quot0456??-粘性流和分子滑动流的混合流’amp/amp789:9计算式为msc
quotquotquotamp-./-010lt0-amp./-1lt456??-0quotquotquotampquot1010lt1amp1l t从式、式0、式得到
1amp0-amp./-quot/--??am p??10’1amp010/--amp??1??/--3ampquot3gt1lt〔’’00〕3110/0’上式中’、、可以用吸附法测定的体积全比表面1A来校准其关系为
1AB11ltB1’’00’0/B02—quot—第gt章粉末的比表面及其测定quotampquot’quot’amp??粉末床的总孔隙率和有效孔隙度为quot’quot??-??.quotquot??-??./粉末床的粒度和表
事件监控面积的关系为0quot1203quot123quot14??quot1??quot02粉末常用测量计算式为
0quot5??amp’quot’quot’6amp.式中5———测定时流量计的标定值。7试样制备与要求quot试样制备待测粉末在适当气氛中干燥确保试样干燥而不氧化。试样取量按粉末的粗细而定粒度小于’的粉末粉末称量可小于/86的克数粒度大于/’的粉末称取的质
量应大于8的克数。其中按照9:271中的方法测定。试样装入试样管试样两端面分别加一片快速滤纸用多孔盖塞压紧滤纸和粉末。quot试样要求试样的质量称准到/8//lt 试样直径不小于试样厚度不小于gt试样压缩床孔隙度要求分布均匀。1试验仪器quot 分析天平用于称量粉末其感量为/8//lt或/8///lt。quot粉
末及多孔材料测定仪—amp’—第篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论quotquot粉末及多孔材料测定仪原理示意图见附录。quotquot主要部件quotquotquot空气泵和稳压装置quotquotquot测高计用于测量粉末试样厚度quot和流量计的水柱高读数精确到amp’’quotquotquot精密流量计其等径等臂性精度为其指示值最高为’’amp读数精确到’’amp。测定步骤ampquot试验条件的准备按-.条制备试样精确测出粉末床的厚度quot和试样管直径/依公式.计算出粉末床的有效孔隙度quot0。试样厚度引起的有效孔隙度的误差应不大于amp1。进行空管气路接通实验大于.’的粉末控制压力源为-’’amp调整稳压控制旋转阀确保压力起伏不大于-’’amp小于.’的粉末允许用高于.’’amp的压力源压力起伏应不大于.’’amp。试样管接通气路当垂直压力计指示压力源为-’’amp时压力起伏不大于-’’amp换下试样空管在接口处接上校准管调整第一档
控制阀使流量计指示值达到校准管所标定的.值完成第一档的仪器校准。档次控制旋钮对准第二档位置调节第二档控制阀使指示值达到校准管所标定的amp值完成第二档的仪器校准。ampquot试样的测定试样按-.条制备后接在测定气路中控制压力源为-’’amp压力起伏不大于-’’amp用第一档完成小于-’的粉末测定。当空气通过试样-’23后有稳定的流量用测高计测出流量计指示的该值以毫米水柱为单位记录到小数点后两位数读准小数点后第一位。若流量计指示值超过amp4’’amp则应该使用第二档进行测定。若粉末小于-’则允许用高于-’’amp以上的压力源流量计指示值不得小于-’’。用第二档测定粉末时先将空管接通气路档次旋钮置于第二档位置—’—第-章粉末的比表面及其测定编者注’’amp为非法定单位.’
’amp56789下同。开通气泵求出每quotquot流量计指示值的管道压力损耗量amp’。摘下空管将被测试样接入气路中空气通过试样quot后有稳定的流量记录第二档流量值。测定的累计读数总误差为
-quotquot。在./quotquot范围内重复测定读数的相对误差应小于-0。/试样测定结果的计算与表达quot测定结果的计算测定结果按式首先计算出12依式或式/计算出然后
按式计算出32、34和14。第二档测量结果的计算式中的仪器常数应为5试样上的压力降amp还应减去管道的压力损耗量amp’??。quot测定结果的表达大于quotquot的粉末只作12的测定。小于quotquot的粉末应测定出12、14、32、34、3quot和36。校准性的测定应先有37得到和然后适当地改变amp得到对应的8值。所有空气透过法测定的比表面积和粒度必须标注孔隙度记入原始测定数据中。9测定报告测定报告包括下列内容5-本标准编号:-被测样品名称、规格和所测项目-试样处理情况lt-记录粉末有效密度和有效孔隙度-测出的12、14、32、34、3quot和36值gt-任何对试验有影响的细节-测定时间和检测人员签名。——第篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工艺及质量检验绪论附录粉末及多孔材料测定仪原理示意图补充件图quot—quot—第章粉末的比表面及其测定第三节水银测孔仪测孔径分布一、原理当孔直径小于quotquot 时可用气体吸附法测孔体积及孔径分布而当孔径大于quotquot时可用压汞法水银测孔仪测量孔径分布。水银测孔仪广泛用于测定多孔材料的孔径分布和各种片剂及粉末冶金制品的孔隙尺寸分布。这一方法是根据毛细管上升现象因而要使非润湿液体爬上一狭窄的毛细管需要加一额外压力。界面之间的压力差可由amp’和-.方程求出。若大于/quot0则液相中的压力小于气相
中的压力若小于/quot0则液相中的压力大于
气相中的压力即quot12324235-62772式中是液体的表面张力32和35是相互垂直的两个半径是液体和毛细管壁之间的接触角是在液体中测量的见图2778。图2778接触角测定原理当液体润湿毛细管时小于/quot0毛细管上升9液体不润湿毛细管时
/quot0::2quot0则毛细管下降—quot—第2篇粉末冶金材料及其制品生产新技术新工
艺及质量检验绪论若毛细管的截面是圆形而且其半径不太大则弯液面近似于半球形。于是两个曲率半径就彼此相等且等于毛细管的半径。方程式quotquot于是就简化为amp’方程-quot.quot/0ampquotquot.式中是毛细管半径。接触角大于123则压力差为负值毛细管中的弯月形水平面将低于周围液体容器中的水平面。反之就是将毛细管内液体的水平提升到周围液体水平所需要的压力。采用方程式quotquot.的一个缺点是孔的截面通常不是圆形的因而所得的结果只是相对的。此方法的其他缺点是存在“墨水瓶”孔或其他具有缩“颈”后开扩成大空隙容积形状的孔。由amp’方程计算所得的孔半径将不能真实地表示其真实的孔半径因而毛细管分级半径过小。.随着压力增加影响水银的可压缩性。这必须用空白试验加以校正。4试验中材料的可压缩性。这对于具有不通表面的孔的材料如软木是一个特别重要的问题。5水银的表面张力假定为常数。本方法的原理可通过图quotquot6了解。图quotquot1所示是一玻璃样品池它由两个部件组成放置试样的部分和带有精密内孔套管盖构成的贯入仪或膨胀计。这两个部件
用磨口表面装配在一起。称重后的粉末试样装入放置试样的空间然后将部件装配在部件上再将试样架插入加压室。加压室是一个厚壁的钢容器因为它要承受很高的压力。试样要在真空下先除去被吸附的气体则通常试样室的压力可降到.27汞柱。对不能承受高温的高表面积材料为获得重复的结果除气时间可能需要.至4天。若试样在分析前可在真空下加热处理则除气时间可大大缩短。接着将试样室的压力升高至28amp9即开始试验。然后将压力每次增加amp9一直增至一个大气压。在每次增压后记录数字计数器上的读数其读数相当于压入空隙或孔的容积并同时记录压力。—quot—第章粉末的比表面及其测定图quotquot原理图图quotquot试样池
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