超细粉体的表征技术简介

发布时间 | 2017-11-11 09:54 分类 | 粉体加工技术点击量 | 5919

石墨粒度仪纳米材料真理光学

导读：

现代材料科学在很大程度上依赖于对材料性能与其成分及显微组织关系的理解。因此，对材料性能的各种测试技术，对材料组织从宏观到微观不同层次的表征技术构成了材料科学与工程的一个重要部分，也是联系材料设计与制造工艺直到获得具有满意使用性能的材料之间的桥梁。

超细粉体具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特殊性能，以及传统材料不具备的诸多物理化学性能，如高化学活性、强吸附性、特殊催化性等，因而被广泛应用于医学、制造业、材料、通信、生物、环境、能源、食品等领域。而超细粉体的表征主要包括以下几个方面：超细粉体的粒度分析（粒径、粒度分布），超细粉体的化学成分，形貌/结构分析（形状、表面、晶体结构等）等。

超细粉体的表征技术可以分为以下几种：

（1）定性分析：包括材料是由哪些元素组成、每种元素含量等；

（2）颗粒分析：包括颗粒形状、粒度、粒分布、颗粒结晶结构等；

（3）结构分析：包括晶态结构、物相组成、组分之间的界面、物相形态等；

（4）性能分析：包括物理性能分析（材料的电、磁、声、光和其他新性能的分析等）和化学性能分析（化学反应性、反应能力、在气体和其他介质中的化学性质等）。

1. 超细粉体粒度的表征方法

粉体颗粒的大小称为粒度。由于颗粒形状通常很复杂难以用一个尺度来表示，所以常用等效粒度的概念，不同原理的粒度仪器依据不同颗粒的特性做等效对比。目前对超细粉体粒度的分析主要有以下几种典型方法：电镜统计观测法、高速离心沉降法、激光粒度分析法和电超声粒度分析法。

1.1 电镜统计观测法

一次颗粒的粒度分析主要采用电镜统计观测法，可以采用扫描电镜（SEM)和透射电镜(TEM)两种方式进行观测。可以直接观测颗粒的大小和形状，但又可能有统计误差。由于电镜法是对样品局部区域的观测，所以在进行粒度分布分析时需要多幅照片的观测，通过软件分析得到统计的粒度分布。

图1 扫描电镜及扫描照片

1.2 激光粒度分析法

目前，在颗粒粒度测量仪器中，激光衍射式粒度测量仪得到广泛应用。其特点是测量精度高、测量速度快、重复性好、可测粒径范围广、可进行非接触测量等，可用于测量超微粉体的粒径等。还可以结合BET法测定超微粉体的比表面积和团聚颗粒的尺寸及团聚度等，并进行对比、分析。

激光粒度分析原理：激光是一种电磁波，它可以绕过障碍物，并形成新的光场分布，称为衍射现象。例如，平行激光束照在直径为D的球形颗粒上，在颗粒后得到一个圆斑，称为Airy斑，Airy斑直径d＝2.44λf/D，λ为激光波长，f为透镜焦距。由此公式计算颗粒大小D。

图2 珠海真理光学LT3600激光粒度仪

1.3 沉降法

沉降法是通过颗粒在液体中沉降速度来测量粒度分布的方法。主要有重力沉降式和离心沉降式两种光透沉降粒度分析方式，适合超细粉体颗粒粒度分析的方法主要是离心沉降式分析。

颗粒在分散介质中，会由于重力或离心力的作用发生沉降，其沉降速度与颗粒大小和质量有关，颗粒大的沉降速度快，颗粒小的沉降速度慢，在介质中形成一种分布。颗粒的沉降速度与颗粒粒径之间的关系服从Stokes定律，即在一定条件下颗粒在液体中的沉降速度与粒径的平方成正比，与液体的粘度成反比。沉降式粒度仪所测的粒径也是一种等效粒径，叫做Stokes直径。

2. 超细粉体化学成分的表征方法

化学成分是在表征超细粉体时要确定的重要部分。最常用最方便的化学分析方法包括氧化还原法、沉淀法、中和法以及络合法等，在此不多做赘述。

最常用最基本的仪器分析法是红外光谱（IR)、核磁共振(NMR)、质谱(MS)。其他常用的分析方法主要是利用各种化学分析特征谱线，如原子发射光谱(AES)、原子吸收光谱(AAS)、X射线荧光分析(XRFS)和电子探针微区分析法(EPMA)，这些方法主要是测量超细粉体的整体及其微区的化学组成，并对粉体化学成分进行定性、定量分析。还可以采用X射线光电子能谱法(XPS)分析超细粉体的表面化学组成、原子价态、表面形貌、表面微细结构状态及表面能分布等。

2.1 X射线光电子能谱(XPS)

X射线光电子能谱(XPS)主要用于成分和化学状态的分析，其原理是：用单色X射线照射样品，具有一定能量的入射光同样品原子相互作用，光致电离产生光子，这些光电子从生成之处输运到表面然后克服逸出功而发射，即X射线光电子发射的3步过程。用能量分析仪分析光电子的动能，得到的就是X射线光电子能谱。根据测得的光电子动能就可以确定表面存在什么元素以及该元素原子所处的化学状态，即X射线光电子能谱定性分析。根据某种能量的光电子数量，便可知道某元素表面的含量，即X射线光电子能谱定量分析。

图3 X射线光电子能谱及其图谱

2.2 红外光谱(FT-IR)

在有机物分子中，组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，用红外光照射有机物分子时，分子中的化学键或官能团可发生震动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。一般材料中含有机物的纳米材料会用到FT-IR分析（如石墨烯）。

图4 红外光谱仪及其光谱分析

3. 超细粉体形貌/结构的表征方法

超细粉体的形貌有很多种分析方法，但主要是谱分析法和扫描显微技术，也可以利用二次电子、背散射电子、吸收电子信号等观察样品的形貌图像，对于超细粉体颗粒表面形貌，一般要综合几种方法进行确定。而超细粉体的结构则主要是指超细粉体颗粒的晶态结构（长短程是否有序及晶系等）。

3.1 X射线衍射(XRD)

XRD是通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料的晶型结构、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。高分辨率X射线衍射(HRXRD)用于晶体结构的研究，可得到比XRD更准确的结构信息，获得有关单晶胞内相关物质的元素组成比、尺寸、原子间距及键长等超微粉体的精确结构方面的数据与信息。

图5 X射线衍射仪及其图谱

3.2透射电子显微镜(TEM)及扫描电子显微镜(SEM)

透射电子显微镜(TEM)的原理是：以高能电子(50～200keV)穿透样品，由于样品不同位置的电子透过强度不同或电子透过晶体样品的衍射方向不同，经过后面电磁透射的放大后，在荧光屏上显示出图像。

图6 透射电子显微镜及透射图片

扫描电子显微镜(SEM)的原理是：聚焦电子束在样品上扫描时激发的某些物理信号（如二次电子），来调制一个同步扫描的显象管在相应位置的亮度而成像。SEM是常用的材料表面测试仪器，其放大倍数高达几十万倍。其图片可见上文。

3.3原子力显微镜(AFM)

原子力显微镜(AFM)是通过原子之间非常微弱的相互作用力来检测样品表面的。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定，另一端的微小针尖接近样品，这时它将与其相互作用，作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及表面粗糙度信息。