超細(xì)粉體的表征技術(shù)簡介

發(fā)布時(shí)間 | 2017-11-11 09:54 分類 | 粉體加工技術(shù) 點(diǎn)擊量 | 6201

石墨粒度儀納米材料真理光學(xué)

導(dǎo)讀：

現(xiàn)代材料科學(xué)在很大程度上依賴于對(duì)材料性能與其成分及顯微組織關(guān)系的理解。因此，對(duì)材料性能的各種測試技術(shù)，對(duì)材料組織從宏觀到微觀不同層次的表征技術(shù)構(gòu)成了材料科學(xué)與工程的一個(gè)重要部分，也是聯(lián)系材料設(shè)計(jì)與制造工藝直到獲得具有滿意使用性能的材料之間的橋梁。

超細(xì)粉體具有小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特殊性能，以及傳統(tǒng)材料不具備的諸多物理化學(xué)性能，如高化學(xué)活性、強(qiáng)吸附性、特殊催化性等，因而被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、制造業(yè)、材料、通信、生物、環(huán)境、能源、食品等領(lǐng)域。而超細(xì)粉體的表征主要包括以下幾個(gè)方面：超細(xì)粉體的粒度分析（粒徑、粒度分布），超細(xì)粉體的化學(xué)成分，形貌/結(jié)構(gòu)分析（形狀、表面、晶體結(jié)構(gòu)等）等。

超細(xì)粉體的表征技術(shù)可以分為以下幾種：

（1）定性分析：包括材料是由哪些元素組成、每種元素含量等；

（2）顆粒分析：包括顆粒形狀、粒度、粒分布、顆粒結(jié)晶結(jié)構(gòu)等；

（3）結(jié)構(gòu)分析：包括晶態(tài)結(jié)構(gòu)、物相組成、組分之間的界面、物相形態(tài)等；

（4）性能分析：包括物理性能分析（材料的電、磁、聲、光和其他新性能的分析等）和化學(xué)性能分析（化學(xué)反應(yīng)性、反應(yīng)能力、在氣體和其他介質(zhì)中的化學(xué)性質(zhì)等）。

1. 超細(xì)粉體粒度的表征方法

粉體顆粒的大小稱為粒度。由于顆粒形狀通常很復(fù)雜難以用一個(gè)尺度來表示，所以常用等效粒度的概念，不同原理的粒度儀器依據(jù)不同顆粒的特性做等效對(duì)比。目前對(duì)超細(xì)粉體粒度的分析主要有以下幾種典型方法：電鏡統(tǒng)計(jì)觀測法、高速離心沉降法、激光粒度分析法和電超聲粒度分析法。

1.1 電鏡統(tǒng)計(jì)觀測法

一次顆粒的粒度分析主要采用電鏡統(tǒng)計(jì)觀測法，可以采用掃描電鏡（SEM)和透射電鏡(TEM)兩種方式進(jìn)行觀測?？梢灾苯佑^測顆粒的大小和形狀，但又可能有統(tǒng)計(jì)誤差。由于電鏡法是對(duì)樣品局部區(qū)域的觀測，所以在進(jìn)行粒度分布分析時(shí)需要多幅照片的觀測，通過軟件分析得到統(tǒng)計(jì)的粒度分布。

圖1 掃描電鏡及掃描照片

1.2 激光粒度分析法

目前，在顆粒粒度測量儀器中，激光衍射式粒度測量儀得到廣泛應(yīng)用。其特點(diǎn)是測量精度高、測量速度快、重復(fù)性好、可測粒徑范圍廣、可進(jìn)行非接觸測量等，可用于測量超微粉體的粒徑等。還可以結(jié)合BET法測定超微粉體的比表面積和團(tuán)聚顆粒的尺寸及團(tuán)聚度等，并進(jìn)行對(duì)比、分析。

激光粒度分析原理：激光是一種電磁波，它可以繞過障礙物，并形成新的光場分布，稱為衍射現(xiàn)象。例如，平行激光束照在直徑為D的球形顆粒上，在顆粒后得到一個(gè)圓斑，稱為Airy斑，Airy斑直徑d＝2.44λf/D，λ為激光波長，f為透鏡焦距。由此公式計(jì)算顆粒大小D。

圖2 珠海真理光學(xué)LT3600激光粒度儀

1.3 沉降法

沉降法是通過顆粒在液體中沉降速度來測量粒度分布的方法。主要有重力沉降式和離心沉降式兩種光透沉降粒度分析方式，適合超細(xì)粉體顆粒粒度分析的方法主要是離心沉降式分析。

顆粒在分散介質(zhì)中，會(huì)由于重力或離心力的作用發(fā)生沉降，其沉降速度與顆粒大小和質(zhì)量有關(guān)，顆粒大的沉降速度快，顆粒小的沉降速度慢，在介質(zhì)中形成一種分布。顆粒的沉降速度與顆粒粒徑之間的關(guān)系服從Stokes定律，即在一定條件下顆粒在液體中的沉降速度與粒徑的平方成正比，與液體的粘度成反比。沉降式粒度儀所測的粒徑也是一種等效粒徑，叫做Stokes直徑。

2. 超細(xì)粉體化學(xué)成分的表征方法

化學(xué)成分是在表征超細(xì)粉體時(shí)要確定的重要部分。最常用最方便的化學(xué)分析方法包括氧化還原法、沉淀法、中和法以及絡(luò)合法等，在此不多做贅述。

最常用最基本的儀器分析法是紅外光譜（IR)、核磁共振(NMR)、質(zhì)譜(MS)。其他常用的分析方法主要是利用各種化學(xué)分析特征譜線，如原子發(fā)射光譜(AES)、原子吸收光譜(AAS)、X射線熒光分析(XRFS)和電子探針微區(qū)分析法(EPMA)，這些方法主要是測量超細(xì)粉體的整體及其微區(qū)的化學(xué)組成，并對(duì)粉體化學(xué)成分進(jìn)行定性、定量分析。還可以采用X射線光電子能譜法(XPS)分析超細(xì)粉體的表面化學(xué)組成、原子價(jià)態(tài)、表面形貌、表面微細(xì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)及表面能分布等。

2.1 X射線光電子能譜(XPS)

X射線光電子能譜(XPS)主要用于成分和化學(xué)狀態(tài)的分析，其原理是：用單色X射線照射樣品，具有一定能量的入射光同樣品原子相互作用，光致電離產(chǎn)生光子，這些光電子從生成之處輸運(yùn)到表面然后克服逸出功而發(fā)射，即X射線光電子發(fā)射的3步過程。用能量分析儀分析光電子的動(dòng)能，得到的就是X射線光電子能譜。根據(jù)測得的光電子動(dòng)能就可以確定表面存在什么元素以及該元素原子所處的化學(xué)狀態(tài)，即X射線光電子能譜定性分析。根據(jù)某種能量的光電子數(shù)量，便可知道某元素表面的含量，即X射線光電子能譜定量分析。

圖3 X射線光電子能譜及其圖譜

2.2 紅外光譜(FT-IR)

在有機(jī)物分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動(dòng)的狀態(tài)，其振動(dòng)頻率與紅外光的振動(dòng)頻率相當(dāng)。所以，用紅外光照射有機(jī)物分子時(shí)，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生震動(dòng)吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收頻率不同，在紅外光譜上將處于不同位置，從而可獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。一般材料中含有機(jī)物的納米材料會(huì)用到FT-IR分析（如石墨烯）。

圖4 紅外光譜儀及其光譜分析

3. 超細(xì)粉體形貌/結(jié)構(gòu)的表征方法

超細(xì)粉體的形貌有很多種分析方法，但主要是譜分析法和掃描顯微技術(shù)，也可以利用二次電子、背散射電子、吸收電子信號(hào)等觀察樣品的形貌圖像，對(duì)于超細(xì)粉體顆粒表面形貌，一般要綜合幾種方法進(jìn)行確定。而超細(xì)粉體的結(jié)構(gòu)則主要是指超細(xì)粉體顆粒的晶態(tài)結(jié)構(gòu)（長短程是否有序及晶系等）。

3.1 X射線衍射(XRD)

XRD是通過對(duì)材料進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料的晶型結(jié)構(gòu)、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。高分辨率X射線衍射(HRXRD)用于晶體結(jié)構(gòu)的研究，可得到比XRD更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)信息，獲得有關(guān)單晶胞內(nèi)相關(guān)物質(zhì)的元素組成比、尺寸、原子間距及鍵長等超微粉體的精確結(jié)構(gòu)方面的數(shù)據(jù)與信息。

圖5 X射線衍射儀及其圖譜

3.2透射電子顯微鏡(TEM)及掃描電子顯微鏡(SEM)

透射電子顯微鏡(TEM)的原理是：以高能電子(50～200keV)穿透樣品，由于樣品不同位置的電子透過強(qiáng)度不同或電子透過晶體樣品的衍射方向不同，經(jīng)過后面電磁透射的放大后，在熒光屏上顯示出圖像。

圖6 透射電子顯微鏡及透射圖片

掃描電子顯微鏡(SEM)的原理是：聚焦電子束在樣品上掃描時(shí)激發(fā)的某些物理信號(hào)（如二次電子），來調(diào)制一個(gè)同步掃描的顯象管在相應(yīng)位置的亮度而成像。SEM是常用的材料表面測試儀器，其放大倍數(shù)高達(dá)幾十萬倍。其圖片可見上文。

3.3原子力顯微鏡(AFM)

原子力顯微鏡(AFM)是通過原子之間非常微弱的相互作用力來檢測樣品表面的。它通過檢測待測樣品表面和一個(gè)微型力敏感元件之間的極微弱的原子間相互作用力來研究物質(zhì)的表面結(jié)構(gòu)及性質(zhì)。將一對(duì)微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時(shí)它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化。掃描樣品時(shí)，利用傳感器檢測這些變化，就可獲得作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)信息及表面粗糙度信息。