團聚，先進陶瓷的“生死劫”！

從生產流程上看，先進陶瓷的生產歷經粉體制備，成型、燒結、精加工等幾大環節，其中陶瓷產品的性能很大程度上取決于原料粉體的特性已成為業內共識。

對于陶瓷從業人員來說，想方設法獲得理想的陶瓷粉體已成為他們的一大執念。

理想的粉體首先應該是由單個的一次顆粒組成，所謂一次顆粒是指粉體中最基本的顆粒。

但在制備陶瓷材料超細粉末的過程中，陶瓷粉末的團聚現象是普遍存在的。做陶瓷的朋友都知道，粉末的團聚是降低陶瓷材料性能的重要原因：

團聚體是限制陶瓷材料可靠性的裂紋的主要產生源，在陶瓷燒結工藝中，素坯中的團聚體相對于包含它的基體以不同的速度燒結，結果在團聚體與基體界面形成應力，而這種由差分燒結產生的應力比團聚體本身所引起的開裂及其它微觀損害更嚴重，粉料中的團聚體最終可能導致燒結體中產生大裂紋。

圖片來源：宣城晶瑞

當前，先進陶瓷正朝向納米化方向發展，解決陶瓷粉體的團聚問題顯得尤為重要。

01 團聚產生的原因

團聚的原因，不外乎以下幾方面：

（1）分子間的范德華引力；

（2）顆粒間的靜電引力；

（3）超細顆粒的高表面能、表面的氫鍵及其他化學鍵作用；

（4）吸附水分的毛細管力；

（5）顆粒間的磁引力；

（6）顆粒表面不干凈引起的機械糾合力。

由于團聚體中一次顆粒間的作用力大小不同，團聚體又有軟團聚與硬團聚之分。前者主要是由于顆粒之間的范德華力和庫侖力非常強而形成的團聚，硬團聚是由于顆粒間的范德華力和庫侖力以及化學鍵合作用力等多種作用力所引起，另外與顆粒的制備工藝及過程控制也有關。

軟團聚容易通過一般的化學作用或機械作用被破壞而分散為一次顆粒，而硬團聚由于顆粒間結合緊密，比較難被破壞，只通過一般的化學作用是不夠的，需要用比較強烈的手段，如加入分散劑、球磨、強超聲處理等，才能使其得到分散。

02 解決粉體團聚的有效手段

防止團聚現象的發生，以獲得粒度分布窄、化學組成均勻、單分散的顆粒，是獲得高性能納米粉體的關鍵步驟。

氣體介質中粉體團聚的控制方法

（1）機械分散

機械分散是通過機械力作用強制將團聚的粉體顆粒分開。雖然機械分散效果較好，但是機械分散僅僅是將顆粒強制分開，并沒有消除顆粒間的作用力，當機械外力停止后，很可能會使團聚再次發生。機械分散法一般包括研磨、普通球磨、振動球磨、膠體磨、空氣磨和機械攪拌，一般用于防止和破壞顆粒間的軟團聚。機械分散的缺點是容易引入雜質（球磨介質），可能改變粉體性質，如提高粉體顆粒表面能、增加晶格缺陷、在表面形成無定形層、改變化學組成等。

（2）干燥處理

干燥處理是指通過破壞和防止顆粒間形成的液橋（液橋作用力很大），從而控制團聚的方法，這種方法同樣適用于控制液體介質中的團聚。

（3）靜電分散

靜電分散是利用“異性相吸、同性相斥”的原理，為粉體顆粒通電，使顆粒帶上同種電荷，增加排斥反應來控制團聚。這種方法的關鍵是讓顆粒帶上最大限度的電荷，其方法有：接觸帶電、感應帶電和電暈帶電。其中，電暈帶電是最有效的方法。

圖片來源：重慶任丙科技

液體介質中粉體團聚的控制方法

（1）有機物洗滌

在液相法制備陶瓷粉體時，在干燥過程的固液混合狀態下，必須在固液混合狀態下將液相中殘余的各種鹽類雜質離子，如NH3、OH-、Cl-等盡可能徹底地除盡，一般通過洗滌來實現。如用有機溶劑洗滌，即用表面張力比水低的醇、丙酮等有機溶劑洗滌以取代殘留在顆粒間的水，減小液橋作用，可獲得團聚程度較輕的粉料。

（2）加入分散劑

使用分散劑是抑制團聚的最好措施。它們在液相中有兩個作用：一是吸附作用，降低界面的表面張力；二是膠團化作用。利用它們在固液界面的吸附作用，形成一層液膜，阻礙顆粒間相互接觸，同時降低界面的表面張力，從而減小毛細管的吸附力；并且還能通過庫侖力及空間位阻作用，防止顆粒接觸及產生排斥力，抑制團聚體形成。較常用的分散劑有醇類、酮類有機物、胺鹽和明膠等。

分散劑的種類

（3）共沸蒸餾

采用共沸蒸餾法能較有效地防止硬團聚的形成。這種方法是將洗除了雜質離子(如Cl-、NO3-等)的濾餅與有機溶劑如醇、甲苯、二甲苯等攪拌混合后，轉入蒸餾瓶中共沸處理。在共沸溫度下，濾餅內的水分子以共沸物的形式被帶出而脫除。當濾餅內的水分完全被脫除后，再升溫到沸點，繼續回流一段時間排出有機溶劑。蒸餾脫水后的濾餅在烘箱中干燥后再煅燒，最后得到無硬團聚的非常疏松的超細粉體。

（4）特殊干燥工藝

干燥技術對納米粉體的性能有顯著的影響，在表面張力的作用下，隨著膠體中液體的揮發，極易產生凝膠孔的塌陷而顆粒的聚集和長大。近年來開發和發展了幾種合適納米粉體干燥的方法，如冷凍干燥、超流體干燥和噴霧干燥。

03 小

近年來，一些新穎的方法在制備無團聚粉體方面表現出良好的效果，如氣相合成法，該法易于控制反應條件，反應物容易精制，反應氣氛易于控制，只要控制反應氣相足夠稀薄，就能得到少團聚，甚至不團聚的超細陶瓷粉，如TiO2、SiO2、Al2O3、氮化物等均可采用此法制取粉體。

參考來源：

[1]宋希文等.氧化鋁超細粉末中團聚產生的原因及消除機理

[2]劉劍.粉體團聚的控制措施

[3]李永青.ZrO2超細粉體的制備及控制其團聚的措施

[4]程浩.納米氧化鋯粉體抗團聚老化性的研究