第1章 粉体及其性质

1.1 粉体及其特殊性能（1）——小粒径和高比表面积

1.1.1 常见粉体的尺寸和大小

表示固体大小的单位，一般用米（m）或毫米（mm）；表示分子大小的单位，一般用埃（Å；1Å =10-1nm=10-10m）。粉体既可以由固体粉碎变细得到，又可以由分子集聚变大得到。因此，表示粉体大小的单位，一般用微米（μm；1μm=10-6m）或纳米（nm；1nm=10-9m）。那么，所谓微米或纳米的单位到底有多大呢？

若将谷物用石碾或石磨等粉碎，会得到10~100μm的粉末。用两个手指一捏，有颗粒状和非光滑之感。再进一步用非常高性能的粉碎机粉碎，则颗粒感消失，代之以明显的光滑感。粗略地讲，按人对粉体的感觉而言，在10μm左右有明显的变化。

细菌的大小一般在1μm左右。所谓除菌过滤所采用的就是孔径0.2μm的细孔径过滤膜。病毒也是小生物的代名词。艾滋病毒的尺寸为0.1μm，属于相当大的病毒。有些种类的病毒尺寸只有10nm。DNA分子的尺寸大约为1nm。一个水分子的大小只有0.35nm。

在金属超微粒子领域，原子数从几个到100个左右的集合体称为原子团簇。这种数目的原子集合体中，由于电子运动与普通固体中的具有很大差异，从而会表现出许多新的电磁特性。

近年来，采用化学方法制备金属及精细陶瓷微细粒子的开发极为活跃。在此领域，特别将0.1μm以下的粒子称为超微（纳米）粒子。而且，在微小粒子的捕集技术及计测等领域，将0.1～1μm范围的粒子称为亚微米粒子。

1.1.2 粉粒越小比表面积越大

朋友相聚咖啡浓郁的芳香烘托出优雅的氛围。将烘烤好的咖啡豆放入咖啡机中，用手摇动摇把，发出“咯啦咯啦”的响声。将磨好的咖啡粉转移到过滤器时，会散发出芳醇的香味。通过调整咖啡机的间隙，可获得绵白糖那样的细粉，沙糖那样的中粉和雪花那样的粗粉。

我们以球状物体为例说明粉粒越小比表面积越大。

若一个球的半径为r，则其体积为，表面积为4πr2, 当把它按体积均分为两份后，这两个小球的半径为，于是 它们的总表面积为。依此类推，可知粉 粒越小比表面积越大。

对于粉体来说，即使质量相同，粒度不同，必然会引起表面积的变化。注意右页表中三种粒径的粉体，在粒子总体积相同的条件下，粒子越细则粒子个数越多。若粒子的大小变为十分之一，在粒子的总体积相同的条件下，粒子的个数变为1000倍。由于一个粒子的表面积与其直径的平方成正比，在考虑粒子个数的前提下，则粒子越细，总表面积（表的最右栏）越大。

由于表面积越大，与媒质（溶剂）的接触面积越大，反应速度越快。将固体制成粉体的理由之一，是伴随着粉体化的表面积的增加，以及与之相伴的反应性、溶解性的增加。

1.1.3 涂料粒子使光（色）漫反射的原理

散射是由于介质中存在的微小粒子（异质体）或者分子对光的作用，使光束偏离原来的传播方向而向四周传播的现象。我们看到天空是蔚蓝色就是空气对阳光散射的结果。在光通过各种浑浊介质时，有一部分光会向四方散射，沿原来的入射或折射方向传播的光束减弱了，即使不迎着入射光束的方向，人们也能够清楚地看到这些介质散射的光,这种现象就是光的漫散射。

涂料粒子使光散射的原理如图所示。光线照到涂料粒子上，部分反射，部分折射进入粒子内，再经反射和折射射出粒子，这时原本平行的光线会向四面八方发散，也就形成了涂料粒子的漫反射。

为什么冰是透明的而雪是白色的？我们都知道，冰是单晶体，单晶内部结构呈规律性，因而单晶体的透光性好，所以冰是透明的。而雪是多晶，多晶由很多小的晶粒组成，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，光很难透射，几乎全部被漫反射，从而呈现白色 。

但是，为什么南极的冰实际上是白色而非透明的？这可能与南极特殊的地理位置相关。降于南极的雪即使在夏天也几乎不会融化。到次年冬季又会在旧雪上积层新雪。在所积的雪层中，会存在空气的间隙。长年积累，所积雪的下方承受上方的重力载荷，在压力作用下雪变为冰。这样，雪的间隙中存在的空气难以向外逃逸，并以微细泡粒的形式封闭于冰中。这种泡粒使光发生散射致使形成不透明的冰。由此似乎可以推断，16万年前所积雪（冰）中的泡粒，就是由16万年前的大气封入的。

1.1.4 粉碎成粉体后成形加工变得容易

物料粉体化具有重要意义。第一，它可以加快反应速度，提高均化混合效率。这是因为粉体的比表面积大，反应物之间接触充分。第二，它可以提高流动性能，即在少许外力的作用下呈现出固体所不具备的流动性和变形性，改善物料的性能。第三，它可以剔除分离某些无用成分，便于除杂。第四，超细粉体化可以改变材料的结构及性质。

透光性陶瓷就是一个好的例子。透明陶瓷的制备过程包括制粉、成型、烧结和机械加工。其中对原料粉有四个要求：①具有较高的纯度和分散性；②具有较高的烧结活性；③颗粒比较均匀并呈球形；④不能团聚，随时间推移也不会出现新相。正是由于这些粉体的优良性能，才使得透明陶瓷具有较好的透光性和耐腐蚀性，能在高温高压下工作, 强度高、介电性能优良、电导率低、热导性高等优点。因而它逐渐在光学、特种仪器制造、无线电技术及高温处理等领域获得日益广泛的应用。

材料的成分、结构和组织、合成与加工、功能或性能价格比称为材料科学与工程四要素，上述四个要素的关系可由表征其间关系的材料科学与工程四面体来表示。任何材料都可以用材料科学与工程四面体为“量具”，进行分析和比较。读者可以针对日常生活中常见的陶和瓷加以分析和比较。

总之，在材料的开发和研究中，材料的性能主要由材料的组成和显微结构决定。显微结构，尤其是无机非金属材料在烧结过程中所形成的显微结构，在很大程度上由所采用原料的粉体的特性所决定。根据粉体的特性有目的地对生产所用原料进行粉体的制备和粉体性能的调控、处理，是获得性能优良的材料的手段之一。