粉体材料成型性能综合实验大纲

粉体材料成型性能综合实验大纲实现从粉体材料的制备、性能测试、烧结成形及成型的性能测试完整的体现学科交叉的实验项目。让学生自己动手，用新方法制备新材料，并采用先进的材料测试和分析手段对粉体材料和块体材料进行分析。深刻体会粉体材料的制备及性能的实质，感受材料无论在宏观还是微观方面的千变万化，激发学生对材料研究的热情。该综合实验共包括7个子实验，分别为：1. 粉体制备实验（球磨机）；2. 粉体形貌分析实验（扫描电镜）；3. 粉体粒度分析实验（激光粒度仪）；4. 纳米粉体三维形貌分析实验（原子力显微镜）；5. 粉体拉曼光谱分析实验（拉曼光谱仪）；6. 粉体热压烧结实验（热压烧结炉）；7. 粉末烧结性能测试实验。结构如下1. 粉体制备实验：采用滚压振动研磨法制备陶瓷粉体，熟悉振动研磨制粉法的原理和操作。球磨是粉体制备的一种方法，是将粉体与球磨介质（也称为磨球）装入专用的球磨筒（罐）中，在球磨机上使球磨筒以一定转速（低于临界转速）转动，依靠磨球的冲击、磨剥作用，对粉体颗粒产生粉碎作用。转速、球磨时间、粉-球比例、磨球尺寸、机配、形状和种类都会影响球磨效果。球磨后材料的形貌可以进行下一步的分析，并用于热压、烧结等试验。2. 粉体性能分析实验：采用激光粒度分析仪、扫描电镜、原子力显微镜和拉曼光谱测量研磨制备的粉体材料的粒度、粒度分布、形貌及光谱性能，掌握不同测量粉体性能的方法、原理及所使用仪器的操作。2.1粉体形貌分析实验（扫描电镜）粉体材料的形貌是粉体材料分析的重要组成部分，材料的很多重要物理化学性能是由其形貌特征所决定的。例如，颗粒状纳米材料与纳米线和纳米管的物理化学性能有很大的差异。形貌分析的主要内容是分析材料的几何形貌，材料的颗粒度，及颗粒度的分布以及形貌微区的成份和物相结构等方面。扫描电镜（SEM）是一种常见的广泛使用的表面形貌分析仪器，材料的表面微观形貌的高倍数照片是通过能量高度集中的电子扫描光束扫描材料表面而产生的。对通过研磨制备的粉体样品可以直接进行形貌观察及投影粒度分析，0.02-2000微米的粉体材料，可继续使用粒度分析仪进行粒度测量，得到粒度分布曲线；而对于小于20nm的粉体材料则可以在原子力显微镜上进行三维形貌的分析。2.2粉体粒度分析实验（激光粒度仪）粉体材料的粒度是粉体的重要性能之一，对材料的制备工艺、结构、性能均产生重要的影响，凡采用粉体原料来制备材料者，必须对粉体粒度进行测定。通过扫描电镜进行形貌分析，对于0.02-2000微米的粉体材料进行粒度分析。本综合实验采用激光粒度测试法，利用颗粒对激光产生衍射和散射的现象来测量颗粒的粒度及粒度分布。2.3纳米粉体三维形貌分析实验（原子力显微镜）通过扫描电镜进行形貌表征的粉体材料，如果其微观尺寸在纳米介观尺度范围内，则可以通过原子力显微镜进行三维的形貌分析，并通过粒度分析软件对其在微区范围内进行粒度分析，得到纳米粉体材料的形貌及微区粒度分布。2.4粉体拉曼光谱分析实验（拉曼光谱仪）拉曼光谱是一种可以进行物质分子结构测定的光谱，也是一门很有趣味的实验课程，可以培养学生对拉曼光谱工作原理的认识和粉体拉曼光谱实验方法的掌握。通过拉曼位移可以鉴别所包含的粉体本征结构信息，通过本实验还可以达到增进学生理解光与物质相互作用的效果。3. 粉体热压烧结实验：粉末烧结是利用粉末颗粒表面能的驱动力，借助高温激活粉末中原子、离子等的运动和迁移，从而使粉末颗粒间增加粘结面，降低表面能，形成稳定的，所需强度的块体材料（制品与坯锭）的过程。热压烧结实验是对试样进行加压加热进行烧结，是粉体材料烧结中比较常用的一种烧结方法。本综合实验旨在让学生了解粉体材料热压烧结的步骤，熟悉粉体材料制成具有一定性能的块体材料的途径。4. 粉末烧结性能测试实验：陶瓷材料与玻璃不同，它是由包括气孔在内的多相系统组成，陶瓷材料的成型方式决定了多数陶瓷材料存在很多气孔等缺陷，反应到材料性能上就是以密度指标来间接表达出来，因此可是说陶瓷材料的性能与陶瓷材料的密度密切相关，密度测量是陶瓷性能的重要组成。本实验的主要目的是测量陶瓷密度和气孔率，了解密度、吸水率和气孔率的物理意义及计算方法，掌握密度、吸水率和气孔率的测定原理和方法，分析影响测试结果的主要因素。陶瓷的吸水率和气孔率的测定都是基于密度的测定，而密度的测定是基于阿基米德原理。所以陶瓷材料的密度可分为体积密度、真密度和假密度，通常以体积密度（显密度）表示。通过本实验可以分别测量出上述三种密度，结合力学性能实验可了解分析密度与力学性能的关系。通过粉体材料成形的综合实验的开发，可以形成一套从粉体材料的制备、性能测试、烧结成形和烧结性能测试完整的一套体现学科交叉的实验项目。在该综合实验项目还可以进一步扩展，增加新的实验子项目，并根据科研和教学需要使用不同类型的粉体材料，能使学生的创造性及分析问题解决问题的能力得到锻炼和提高，提高动手和创新能力，形成具有上海理工大学材料学院的工程化教育特色。