氧化铝陶瓷

   
粉体的填充特性系指粉体层内部粒子在空间的排列状态。
粉体的填充组织，往往通过粉体层中空隙部分的量来表示。
所谓空隙部分是指粉体粒子以外的介质所占有的部分。这种空隙量的表示方法有表观密度，即单位体积粉体层的质量；气孔率，即粉体层中空隙部分所占的容积率。这种空隙或空孔大小及分布与粉体层中一个粒子和其它粒子互相接触时的接触点有关。
一、填充组织模型1、等大球的规则填充
在研究颗粒层的堆积构造和颗粒间空隙的性质中，最基本的是研究球的填充体。若以等径球粒在在平面上的排列作为基本层，
排列层有：正方形排列层和单钭方形排列层或六方形排列层。将各个基本排列层汇总起来，则可得到六种排列形式。与一个球邻接的球数称为配位数。
从等大球的六种填充的性质表明：
a：等大球规则填充的填充率随着配位数增加而增加；
b：等大球规则填充时最疏松的填充是配位数为6的填充其填充率仅为52.36%，最紧密的填充为配位数12的填充，其填充率为74.06%。


2、等大球的不规则填充

要想将球一个连结一个地依次填充成为上述的规则排列，在实际填充操作中是根本不可能的。

斯考特用直径1/8英寸的钢球十分谨慎地进行填充实验，结果证实，在可能获得的最紧密填充中，空隙率为36.3%，并且还求得这种填充方式下球的配位数。后来人们把这种填充称为等大球的不规则填充。
3、异直径球的填充

如能逐次地将球正好装入等直径球最紧密填充体的空隙中，从理论上，无论装多少都能提高填充率。


理论上，当空隙中填充无数个无限小的小球时空隙率应该是越来越小。但是，在这些小球的填充中，颗粒间的摩擦以及相互作用均不可忽视。并且假定的理想混合配置与实际粉体的填充有很大的差异。所以最终还是应该从实际粉体填充作为这种研究的出发点。
二、粉体的填充1、粉体的最紧密填充
对于混凝土骨料和耐火材料原料而言，获得最紧密填充的粒度级配是一个十分重要的问题。Fuller曲线是适合于连续级配的最紧密填充的经验曲线。粒子径大的部分呈直线，粒子小的部分近似于椭圆的一部分，累计筛下7%处与纵坐标相切，在最大粒径的1/10处，直线与椭圆相切。

与连续粒度体系相比，不连续粒度体系更易形成紧密填充，以提高强度。
根据对实际粉体的研究，粗颗粒在65%时填充最紧密。
在耐火材料的实际生产中，根据实践总结出三级配料的方法，即所谓“两头大，中间小”的确定颗粒配料的原则。（为了使填充率更高，可选用四级甚至五级配料，如干式捣打料）
2、加压压密填充

实际的粉体间不仅存在着重力，而且还存在着颗粒间的相互作用力、粘附力等。而压力的加入可以减少以上力的作用，使粉体的密度增大。

加压压密过程中，附加压力较小时，通过粉体层内颗粒的相对位置移动的填充比较密实，但进一步加大压力，会出现颗粒变形，破碎等情况。因此，压力大小的范围要根据具体情况来确定。
3、影响填充的因素
（1）
颗粒大小的影响

Roller的实验结果表明，当颗粒的粒径不大时，粒径越小，填充越疏松；如果粒径变大，大到超过临界粒径DC（大约20mm ）时，则粒径对于填充率的影响并不大，这是因为，颗粒间接触处的凝聚力受到粒径影响已不大，即粒子自重力增大，颗粒的凝聚力的影响可以忽略不计。可以认为粒径的变化对于填充率的影响甚微。因此，一般粉体粒子的粒径是大于还是小于临界粒径，对于粉体的填充性能影响极大。
（2）
颗粒形状和凝聚的影响

在填充中，若颗粒的形状逐渐偏离球体，并且直到板状、棒状等不规则形状，那么，填充越来越困难，填充结构越来越疏松，空隙率变得越来越大，
颗粒表面粗糙，则由于填充时摩擦阻力大，就难以达到紧密填充，
这种颗粒形状的影响，一般当颗粒越小，颗粒间相互作用力越强时，表现得更明显。

总之，球形颗粒易填充，棒状或针状等颗粒难以填充。有时棒状颗粒在成型时的加压过程中，会发生颗粒折断，使填充状态发生变化。当然，在陶瓷材料中为了改善韧性和强度往往人为地加入针状颗粒。

（3） 由于吸附水份，导致颗粒间凝取力的强烈作用。由于这种凝聚力妨碍填充过程中颗粒的运动，所以得不到紧密填充。凝聚力不仅构成对填充的直接阻力，而且当凝聚力存在时，多数情况下颗粒通过凝聚会形成凝聚颗粒（也称二次颗粒），并且这种二次颗粒往往作为填充过程的基本颗粒。

二次颗粒的形状很不规则，致密填充很困难。另外，由于二次颗粒是原来颗粒的集合体，它自身的内部还保持有空隙，所以二次颗粒的填充层是空隙率很大的粗填充。必须指出的是，二次颗粒在填充过程中会因冲击力和静压力而破坏，填充过程和最终状态也会相应地发生变化。
三、粉体密度

粉体的密度是粉体的基本性质，它对于粒度和空隙率等的测定是不可少的性质。所谓密度系指单位体积的质量，它取决于体积的定义。粉体的密度有颗粒密度和堆积密度。
1、颗粒密度

粉体的颗粒由于其形成条件的原因，除表面的凹凸不平和龟裂外，其粒子的内部还会有空洞。所以，颗粒的密度总小于纯物质的密度。
（1）
颗粒密度

颗粒内部的封闭气孔包括在颗粒的体积之内，而颗粒表面的凹下、裂缝、开口的孔洞不包括在颗粒的体积之内。测定方法大致上可分为用液体或气体来置换体积的浸液法和气体容积法两大类。由于浸液法是采用易于润湿颗粒表面的液体作为浸液测得的颗粒密度也称为亲液颗粒密度。
（2）
真密度

真密度一般指固体密度值，其颗粒体积不包括存在于颗粒内部的封闭孔洞。因此，如果进行充分细粉碎，则可用与上述颗粒密度相同的方法进行测定。
（3）
表观颗粒密度

如果采用不润湿颗粒表面的液体，则颗粒表面的裂缝、凹下的窄口、开口的孔洞就能计入颗粒的体积。此密度也称为疏液颗粒密度。
2、堆积密度

以一定的方法将粉体填充在已知体积的容器中，该容器的体积也包括颗粒间空隙的体积，粉碎体质量除以此体积，所得的值即为堆积密度或表观密度。其倒数即单位粉体质量所占的填充体积称为表观比容积。

不仅由于实际粉体颗粒的几何性质，粉体本身的刚性或弹性，表面的物理化学性质等有所不同而使表观密度不同，而且填充方法对表观密度也有较大的影响。表观密度的测定分为低密度（松散的）和高密度（致密的）二种。但是低密度的测定值波动较大，这是因为容器中会产生“粒子的结拱”现象，使局部地方的空隙很大之故。而致密填充时，“粒子的架桥”由于振动而破坏，因而表观密度大体一致。
四、孔隙结构1、孔隙的分类

对孔隙的分类可按孔隙的大小和形状进行分类。
（1）
按孔隙大小分类


一般把200 以上的孔隙称为宏观孔隙；20~200 称为中间孔隙；20 以下的孔隙称微观孔隙。
（2）
按形状分成如下三种
a）
毛细管孔隙

这是一种连结于粉体层间的孔隙。
b）
袋形孔隙

这种孔隙只有一个入口，而其余部分封闭，且与其它孔隙不相通的孔隙。粒子表面的凹陷也属此种。
c）
泡形孔隙


居于粒子之中，完全与外界隔绝的孤立的孔隙。

除此之外，粉体的孔隙，又可分为粒子自身的孔隙（如粒子自身表面的或内部的孔隙）和位于粉体层粒子间的空隙。前者与粒子大小相比是微细孔；后者除了位于粒子间接触点处比较狭小外，大部分是具有几分之一粒径大小的。

粉体层内孔隙，由上述形形色色的各种孔隙组合而成，这样的孔隙系，进一步据其结构可以分成如同球形粒子层中的孔隙那样的分散孔隙系和沿着某一方向连绵的孔隙系。前者方向性比较强，作为各向同性孔隙，理论上处理比较简单；后者往往在板状、针状粒子层中生成，属各向异性孔隙。此外，烧结形成的孔隙系称为固结孔隙系。
2、孔隙大小的测定

用来测定粉体层孔隙大小及分布的方法，最常用的是毛细管凝结法和水银压入法两种。
（1）
毛细管法

蒸气的平衡蒸气压P0是对液面在某一温度下处于平衡的蒸气压力。液体的半径为r的毛细管中，由于液体表面张力s形成曲液面时，对于这种液面处于平衡的蒸气压力P可由下式给出

式中
V—蒸气的容积；

Q—润湿角。

因此，对粉体层进行蒸气吸附测定，当蒸气压低时，粒子表面仅形成吸附层；当蒸气压变高时，对于蒸气压P0液体会在比上式所给半径r更小的毛细管（孔隙）中凝结。利用这一原理依次提高蒸气压，测定蒸气的凝结量。分别测定具有比与各种蒸气压相对应的半径r为小的毛细管孔隙容积，由此可求出毛细管的大小，即孔隙分布。进一步，一边降低蒸气压，一边测定脱附量，则可显示出各种孔隙的影响程度，据此就能推断出孔隙的结构。
（2）
水银压入法

水银压入法被广泛应用于孔隙的测定。这种方法将不浸润毛细管壁的液体水银（q> ）压入毛细管孔隙，这时液面呈凸面。因毛细管力会使液体从毛细管中溢出，所以，液面上必须加一个比外部更高的压力P，这时力平衡可用下式表示

式中
r—毛细管压力；

s—液体表面张力

水银的表面张力s=480达因/cm，q= ，则

( )

若压力在1 kg/cm2~1000 kg/cm2范围内变化，则测定的孔隙范围可达75 ~75000 。测定时，将粉体层抽真空后加液，进而给液体加压P，液体则浸入到半径大于r的孔隙中了，但半径小于r的孔隙，并末浸进液体。从而，通过调节压力P，逐个测定浸入液体的量，进而测得孔隙的大小及分布。

因为通常以水银为压入液，所以称为水银压入法。由于这种方法应用普遍，近年来，随着测量仪器的发展，配合计算机，使这种方法变得十分简便，而且还可以同时用于孔隙率、粒径及比表面积等种种测定。