X射線小角散射法測量納米粉末的粒度分布

粉末冶金技術(shù)X射線小角散射法測量納米粉末的粒度分布王輝~曾美琴（華南理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣州510640）布。測量結(jié)果與專用X射線小角散射儀器的測量結(jié)果一致，并經(jīng)TEM分析驗(yàn)證。證明在常規(guī)高分辨X射線衍射儀上應(yīng)用小角散射法測量納米粉末的粒度是可行的。與采用四狹縫系統(tǒng)或Kratky狹縫系統(tǒng)的專用小角散射儀相比，該方法的特點(diǎn)是操作簡單，成本較低，易于推廣。目前此法可測量1-300nm范圍的粉末粒度。

1前言納米粉末材料由于具有獨(dú)特的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)，近年來受到了廣泛的研究。粒度分布是納米粉末材料的一項(xiàng)重要特征，準(zhǔn)確測定納米粉末的粒度分布對(duì)指導(dǎo)其研究和生產(chǎn)具有非常重要的意義。目前測定粉末粒度的方法多達(dá)400余種，大致可分為顯微鏡法、篩分法、沉降法、吸附法、電泳法和光散射法等，其中多數(shù)方法不適合測量納米粉末的粒度。如透射電鏡雖然可以直接觀察納米顆粒的形態(tài)，但在測定粉末的粒度分布時(shí)，統(tǒng)計(jì)代表性較差；比表面積法只能推算出粉末的平均粒度；沉降法由于可見光的波長大于納米顆粒的尺寸，導(dǎo)致光的吸收系數(shù)不是一個(gè)常數(shù)，故不能進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。

X射線小角散射法（SAXS）是測量納米粉末粒度分布的一種有效方法，其相關(guān)理論、。由圖可見，工藝B較工藝A合成的Zr2顆粒更細(xì)。是兩種工藝合成的Zr2粉末的TEM照片。

由于存在不同粒度的粉末，從TEM照片上難以判斷哪種工藝合成的粉末更細(xì)。由此看出，小角散射法測量納米粉末粒度分布的優(yōu)越性。

a工藝A；工藝B兩種工藝合成Zr2粉末的粒度分布a工藝A；工藝B兩種工藝合成Zr2粉末的TEM照片4.3Fe粉的粒度分布用此法測量高能球磨法制備的超細(xì)Fe粉的粒度。由于CuKa輻射對(duì)Fe粉產(chǎn)生的熒光效應(yīng)，強(qiáng)烈影響樣品散射信號(hào)的測量，導(dǎo)致無法計(jì)算粉末粒度分布。為消除熒光效應(yīng)的干擾，在探測器前加裝了彎晶石墨單色器。為Fe粉的粒度分布。由圖可知，F(xiàn)e粉的平均粒度為74.6nm，按質(zhì)量計(jì)算，至少70%的Fe粉粒度小于100nm，超過40%的Fe粉粒度小于20nm.該樣品同樣經(jīng)配備Kratky狹縫系統(tǒng)的Rigaku3014X射線衍射裝置（Co靶，對(duì)Fe粉不產(chǎn)生熒光效應(yīng)）測量，結(jié)果非常接近。是Fe粉的TEM照片。照片顯示Fe粉的粒度達(dá)到納米級(jí)，多數(shù)粉末的粒度小于70nm，這一結(jié)果與小角散射測量的平均粒度吻合。電鏡下觀察到Fe粉顆粒團(tuán)聚，但由于小角散射法測量的是一次顆粒的尺寸，因此仍然可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果，這再次表明X射線小角散射法的優(yōu)越性。

4.4Afe3+3%Ti2粉末的粒度分布X射線小角散射法測量納米粉末的粒度分布也有一定的局限性，它不能測量含有微孔材料的粒度，也不能測量混合物的粒度，這是因?yàn)楫愘|(zhì)相的電子密度差異干擾了樣品的小角散射強(qiáng)度。但如果另一相所占的比例數(shù)非常少，則這種干擾可以忽略。據(jù)此，本文測量了AhO3+3%TiO2團(tuán)聚納米陶瓷粉末的粒度分布。是該粉末不同放大倍數(shù)的掃描電鏡照片。如圖所示，Al2O3+3%TiO2粉末的團(tuán)聚現(xiàn)象非常嚴(yán)重，粉末顆粒團(tuán)聚成較規(guī)則的球形，而組成每一個(gè)球的顆粒形狀則是不規(guī)則的，從圖中無法得到顆粒的平均直徑和粒度分布數(shù)據(jù)。中有采用小角散射法測量的Al2O3+3%TiO2團(tuán)聚粉末中原始顆粒的粒度頻度分布和累積分布。由圖可知，AhO3+3%TiO2團(tuán)粒內(nèi)的粒度分布范圍較寬，在1 ~300nm范圍內(nèi)都有。粉末一次顆粒的平均粒度3%Ti2粉的粒度分布5結(jié)論在常規(guī)高分辨X射線衍射儀上應(yīng)用小角X射線散射效應(yīng)成功地測定了多種納米粉末的粒度分布。結(jié)果表明，此方法用于測量納米粉末的粒度是完全可行的。該方法只需要簡單的光路配置，無需昂貴的X射線小角散射裝置，且操作簡便，值得進(jìn)一步推廣和應(yīng)用。目前此方法能夠測量1粒度范圍的粉末。

致謝感謝鋼鐵研究院的張晉遠(yuǎn)教授和飛利浦X射線儀器分析部門的鄔時(shí)海在X射線小角散射實(shí)驗(yàn)上的支持和幫助。