粉体材料微观本质剖析及粉体技术发展方向
2020-12-18 17:42:31
粉体是指离散状态下固体颗粒集合体的形态。但是粉体又具有流体的属性：没有具体的形状，可以流动飞扬等。正是粉体在加工、处理、使用方面表现出独特的性质和不可思议的现象，尽管在物理学上没有明确界定，可以认为“粉体”是物质存在状态的第4种形态（流体和固体之间的过渡状态）。通常粉体工程学研究的对象，是尺度界于10-9m到10-3m范围的颗粒。本文主要从微观角度认识一下粉体材料，并指出粉体技术的发展方向。
一、粉体材料微观本质剖析
从粉体工程学广泛的应用领域来看，以微小颗粒的形式来处理固体物质具有如下显而易见的几方面的必要性与有利性：
1．比表面积增大促进溶解性和物质活性的提高，易于反应处理。
2．颗粒状态易于流动，可以精确计量控制供给与排出和成形。
3．实现分散、混合、均质化与梯度化，控制材料的组成与构造。
4．易于成分分离，有效地从天然资源或废弃物中分离有用成分。
为什么很多貌似普通的材料，变成粉体之后会产生各种特殊性能？下面我们就从物质的原子构成角度分析这个问题。
具有立方结晶格子的固体（假设原子间距为2×10-10m时）不断地被细化时，固体颗粒表面的原子数占固体颗粒整体原子数的比率。粒径在20μm颗粒表面的原子数占整体的比率几乎可以忽略；但是粒径小到2nm时，构成颗粒原子的半数在表面上，造成颗粒表面能的增加。这就是超微颗粒具有与通常固体不同物性的原因之一。反应性、吸附性等与表面相关的物理化学性质，随着粒径的变小而强化。
举一个粒子粒径细化将使材料表现出奇特的性质：通常金的熔点大约是1060℃，但当把金细化到3nm的程度时，在500℃左右就融化了；铁强磁性体具有无数个磁畴，但当铁颗粒细化到磁畴大小时则成为单磁畴构造，可以用作磁性记录材料。
固体颗粒细化时表现出的微颗粒物性，作为材料使用时具有多种优异性能。这种量变到质变的物理特性，是粉体技术赖以立足的根本。
二、粉体技术发展趋势
1. 微细化
粉体技术最明确的一个发展方向是使颗粒更加微细化、更具有活性、更能发挥微粉特有的性能。近年来关于“超微颗粒”的研究开发就是沿着这个方向，以至于60个碳原子组成C60和70个碳原子组成的C70（即fullerene：碳原子排列成球壳状的分子）归入超微粉体。粉碎法（breaking-down法）、化学或物理的粉体制备法（building-up法）以及反应工程中物质移动操作的析晶反应，都被包含在粉体技术制备领域中。
2.功能化与复合化
随着材料及相关产业的科技进步，粉体作为普通的工业原料，其加工处理技术日新月异，应用范围也在不断地拓展。单纯的超细粉碎、分级技术已经不能满足终端制品性能的要求，人们不仅要求粉体原料具有微纳米级的超细粒度和理想的粒度分布，也对粉体颗粒的成分、结构、形貌及特殊性能提出了日益严苛的要求。
通过表面改性或表面包覆，能够赋予复合颗粒及粉体①形态学的改善；②物理化学物性的改善；③力学物性的改善；④颗粒物性控制；⑤复合协同效应；⑥粉体的复合物质化等特殊的功能。
（ ：敬之）