超微粉體（又稱超細(xì)粉體）通常指粒徑在1250目（10μm）以下的粉體，細(xì)分為微米粉體、亞微米粉體和納米粉體。當(dāng)固體物質(zhì)被粉碎至微米甚至納米尺度時(shí)，其物理和化學(xué)特性會(huì)發(fā)生顯著變化，這使得超細(xì)粉體在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中備受關(guān)注。

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，超細(xì)粉體材料的應(yīng)用已廣泛滲透到電子信息、輕工、化工、軍事、中醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和食品等領(lǐng)域，成為現(xiàn)代工業(yè)和科技發(fā)展的重要推動(dòng)力。因此如何準(zhǔn)確表征超細(xì)粉體的粒徑、形貌、分布乃至表面特性，不僅是材料科學(xué)的核心課題之一，也直接關(guān)系到研發(fā)效率和工藝優(yōu)化效果。掌握這些表征方法，將為科研和生產(chǎn)提供可靠的技術(shù)支持。

主要的表征方法

目前，超細(xì)粉體的表征包括粒度分析、比表面積的測定、化學(xué)成分及物理結(jié)構(gòu)的表征和團(tuán)聚體的表征等。

1、粒度分析

顆粒粒度是指物料經(jīng)過細(xì)分散后尺寸的狀態(tài)，可以用于超細(xì)粉體粒度分析的主要方法有：激光衍射散射法、沉降法、電阻法和電鏡法，以及X射線衍射線寬法等。

①激光衍射散射法

激光粒度分析法是基于Fraunhofer衍射和Mie氏散射理論，根據(jù)激光照射到顆粒后，不同大小的顆粒會(huì)產(chǎn)生不同程度的光散射，小粒子傾向于在寬角度范圍內(nèi)散射光，而大粒子則傾向于在較小的角度范圍內(nèi)散射更多的光。因此可以通過分析顆粒產(chǎn)生衍射或散射的現(xiàn)象來測試粒度分布。其優(yōu)點(diǎn)是測量范圍廣（0.5~300μm）、結(jié)果精確度高、測量時(shí)間短、操作方便、能得到樣品體積的分布，不過對于檢測器的要求也高。

光散射現(xiàn)象

②電阻法

又叫庫爾特法，適合于測量粒度均勻（即粒度分布范圍窄）的粉體樣品，也適用于測量水中稀少的固體顆粒的大小和個(gè)數(shù)，所測的粒徑為等效電阻徑，測試所用的介質(zhì)通常是導(dǎo)電性能較好的生理鹽水。與其他粒度測定方法相比，庫爾特法分辨率最高，而且測量時(shí)間短、重復(fù)性和代表性較好、操作簡便誤差較小；缺點(diǎn)是：動(dòng)態(tài)范圍較小、易被顆粒堵塞使測量中止、測量下限不夠小，一般測量下限為 1μm。

③電鏡法

電鏡主要分為掃描電鏡、透射電鏡、掃描隧道電鏡等。通過電鏡掃描，可以直觀的觀測到顆粒形狀信息，試驗(yàn)過程中要求顆粒處于良好的分散狀態(tài)；要獲得準(zhǔn)確的結(jié)果，需要大量的電鏡圖片進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。而且電子顯微鏡法，尤其是透射電子顯微鏡操作復(fù)雜，樣品制備要求高，且成本較高，并不適合大規(guī)模或快速檢測。

粉體TEM圖

④沉降法

沉降分析是一種測定 1 μm 至 100 μm 固體顆粒尺寸的方法。對于粒徑測定，使用斯托克斯定律：玻璃管中裝有靜止流體（例如蒸餾水或有機(jī)溶劑），其中已知密度的球體（顆粒）在液體中下降。如果液體的粘度、顆粒的密度以及顆粒在流體中下降的速度已知，則可以使用斯托克斯定律計(jì)算顆粒尺寸。

斯托克斯定律及沉降法示意圖

⑤X射線衍射線寬法

X射線衍射線寬法通過高速電子撞擊產(chǎn)生的X射線與晶體物質(zhì)的相互作用，生成特有的衍射圖譜。根據(jù)謝樂公式，衍射峰的寬度與晶粒尺寸相關(guān)：晶粒越小，衍射峰越寬。因此，通過分析衍射圖譜中峰寬可以估算晶粒尺寸。當(dāng)顆粒為單晶時(shí)，測得的是顆粒尺寸；若為多晶，則為單個(gè)顆粒內(nèi)晶粒的平均尺寸。

謝樂公式

（其中，K為謝樂常數(shù)，通常為0.89，,β為衍射峰半寬高，θ為衍射角、λ為x射線波長）

2、比表面積測量

在材料細(xì)分散的制備中，由于顆粒尺寸越來越小，形成了越來越多顆粒表面，引起表面能的巨大變化，用比表面積的概念把顆粒表面積與顆粒尺寸聯(lián)系起來，即：體積比表面積=顆粒總表面積/顆粒總體積；質(zhì)量比表面積=顆粒總表面積/顆粒總質(zhì)量。

在實(shí)際應(yīng)用中，粉體的比表面積可以通過吸附法、浸濕熱法以及透過法幾種方法來測量，采取哪種方法要根據(jù)測量要求和物料、設(shè)備等條件決定。

①氣體吸附法

氣體吸附法是應(yīng)用最廣泛的比表面積測定方法，基于氣體在固體表面的物理吸附特性。在低溫條件下（通常使用液氮溫度），通過測量氣體在樣品表面的吸附量，計(jì)算比表面積。常用的理論模型包括BET模型。其優(yōu)點(diǎn)是適用范圍廣，可用于多種材料，包括微孔和介孔材料，且能夠提供準(zhǔn)確的比表面積和孔徑分布信息。

氣體吸附的過程

②透氣法

透氣法通過測量氣體通過粉體堆積層的滲透速率來估算比表面積。該方法基于氣體在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)特性，常用的模型包括Kozeny-Carman方程。優(yōu)點(diǎn)是操作簡便，無需低溫條件，且適合快速估算比表面積。但這種方法精度較低，對于孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜的樣品，結(jié)果可能不準(zhǔn)確。

③浸潤熱法

浸潤熱法通過測量液體浸潤粉體時(shí)釋放的熱量來計(jì)算比表面積。當(dāng)液體（如水或有機(jī)溶劑）浸潤粉體表面時(shí)，會(huì)釋放或吸收一定的熱量，熱量的大小與比表面積相關(guān)。優(yōu)點(diǎn)是可以直接測量，通過熱效應(yīng)直接獲取比表面積信息。但它也需要精密的熱量測定設(shè)備嗎。且對某些材料，液體可能引起化學(xué)反應(yīng)，影響測量結(jié)果。

3、化學(xué)成分和物理結(jié)構(gòu)表征

經(jīng)典的化學(xué)分析方法分析準(zhǔn)確，但是受限于化學(xué)穩(wěn)定性好的粉體材料。相比之下，儀器分析顯示出獨(dú)特的優(yōu)越性。掃描電子顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)是景深大、圖像立體、放大倍數(shù)高、制樣簡單、樣品的電子損傷小，可直接探測樣品表面成分，對微區(qū)的化學(xué)成分進(jìn)行分析。結(jié)合 X 射線多晶衍射法所建立的物相分析，可彌補(bǔ)一般的化學(xué)分析、原子光譜分析都只能確定樣品中存在哪些元素，而不能確定這些元素組成了哪些物相的問題。

4、團(tuán)聚態(tài)表征

團(tuán)聚體的性質(zhì)可分為團(tuán)聚體的尺寸、形狀、分布、含量；團(tuán)聚體的氣孔率、氣孔尺寸及分布；團(tuán)聚體的密度、內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度；團(tuán)聚體內(nèi)一次顆粒之間的鍵合性質(zhì)等。目前常用的團(tuán)聚體表征方法傳統(tǒng)有顯微結(jié)構(gòu)觀察法、素胚密度-壓力法以及壓汞法等，另外現(xiàn)在也有新興技術(shù)如低場核磁共振法等。

①低場核磁共振技術(shù)

低場核磁共振技術(shù)通過檢測氫質(zhì)子的T1、T2弛豫時(shí)間，分析粉體在懸浮液中的分散性。吸附在顆粒表面的溶劑分子表現(xiàn)出較短的T2，而未被吸附的溶劑分子表現(xiàn)出較長的T2。通過來測量懸浮液體系的馳豫時(shí)間，并計(jì)算顆粒的濕潤比表面積（可利用的吸附表面積），進(jìn)而用來研究顆粒的團(tuán)聚狀態(tài)、分散性穩(wěn)定性、親和性以及潤濕性等問題。

粉體顆粒在溶液中的簡化模型

②顯微結(jié)構(gòu)觀察法

顯微結(jié)構(gòu)觀察法利用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡（SEM）直接觀察團(tuán)聚體的形態(tài)、尺寸和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過成像分析，可獲取團(tuán)聚體的粒徑分布、孔隙分布及顆粒之間的鍵合特性。

③素胚密度-壓力法

素胚密度-壓力法通過測量團(tuán)聚體在不同壓力下的體積變化，計(jì)算其密度和壓縮性。該方法能夠評(píng)估團(tuán)聚體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和顆粒之間的鍵合強(qiáng)度，適用于分析團(tuán)聚體的力學(xué)性能，但測試過程需嚴(yán)格控制樣品的形狀和壓制條件。

④壓汞法

壓汞法通過向團(tuán)聚體內(nèi)部壓入液態(tài)汞，測量汞滲透壓力與體積的關(guān)系，分析氣孔率、氣孔尺寸及其分布。該方法適用于研究微米至納米級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)，具有較高的靈敏度，但對樣品存在一定破壞性，且不適用于疏水性材料。

⑤熱重分析與差熱分析

通過加熱分析團(tuán)聚體的脫附行為和分解特性，間接判斷團(tuán)聚的緊密程度。

除了以上方法外，也可以通過激光粒度分析法、比表面積測定法、電鏡結(jié)合能譜（EDS）等方法判斷粉體是否產(chǎn)生了團(tuán)聚。不同方法可根據(jù)材料性質(zhì)和測量目的進(jìn)行組合應(yīng)用，以全面評(píng)估粉體團(tuán)聚狀態(tài)。

結(jié)語

超細(xì)粉體的特性在很大程度上決定了其在各個(gè)領(lǐng)域的性能表現(xiàn)，因此針對粒度、比表面積、化學(xué)成分、物理結(jié)構(gòu)以及團(tuán)聚態(tài)的精確表征至關(guān)重要。不同的方法各具優(yōu)勢與局限性，選擇合適的表征手段需要綜合考慮粉體的性質(zhì)、應(yīng)用需求以及測試條件。

未來，隨著科技的進(jìn)步，表征方法的精度、速度和自動(dòng)化水平將不斷提高，為超細(xì)粉體研究和應(yīng)用提供更可靠的技術(shù)支撐，也將進(jìn)一步推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與創(chuàng)新。

資料來源：

1、馮文超,張雯雯,冀雅文,等.超細(xì)粉體表征方法及應(yīng)用進(jìn)展[J].化學(xué)工程師,2014,28(03):33-35.

2、周萍,欒振超.基于核磁共振技術(shù)測量研究鋰電池正極導(dǎo)電漿料的分散性[J].計(jì)量學(xué)報(bào).

3、《科研干貨 | 納米材料表征與測試方法有哪些？來看納米粒度測試儀器大全》

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