X射线小角散射法测量纳米粉末的粒度分布

粉末冶金技术X射线小角散射法测量纳米粉末的粒度分布王辉~曾美琴（华南理工大学机械工程学院，广州510640）布。测量结果与专用X射线小角散射仪器的测量结果一致，并经TEM分析验证。证明在常规高分辨X射线衍射仪上应用小角散射法测量纳米粉末的粒度是可行的。与采用四狭缝系统或Kratky狭缝系统的专用小角散射仪相比，该方法的特点是操作简单，成本较低，易于推广。目前此法可测量1-300nm范围的粉末粒度。

1前言纳米粉末材料由于具有独特的表面效应、体积效应和量子尺寸效应，近年来受到了广泛的研究。粒度分布是纳米粉末材料的一项重要特征，准确测定纳米粉末的粒度分布对指导其研究和生产具有非常重要的意义。目前测定粉末粒度的方法多达400余种，大致可分为显微镜法、筛分法、沉降法、吸附法、电泳法和光散射法等，其中多数方法不适合测量纳米粉末的粒度。如透射电镜虽然可以直接观察纳米颗粒的形态，但在测定粉末的粒度分布时，统计代表性较差；比表面积法只能推算出粉末的平均粒度；沉降法由于可见光的波长大于纳米颗粒的尺寸，导致光的吸收系数不是一个常数，故不能进行准确的测量。

X射线小角散射法（SAXS）是测量纳米粉末粒度分布的一种有效方法，其相关理论、。由图可见，工艺B较工艺A合成的Zr2颗粒更细。是两种工艺合成的Zr2粉末的TEM照片。

由于存在不同粒度的粉末，从TEM照片上难以判断哪种工艺合成的粉末更细。由此看出，小角散射法测量纳米粉末粒度分布的优越性。

a工艺A；工艺B两种工艺合成Zr2粉末的粒度分布a工艺A；工艺B两种工艺合成Zr2粉末的TEM照片4.3Fe粉的粒度分布用此法测量高能球磨法制备的超细Fe粉的粒度。由于CuKa辐射对Fe粉产生的荧光效应，强烈影响样品散射信号的测量，导致无法计算粉末粒度分布。为消除荧光效应的干扰，在探测器前加装了弯晶石墨单色器。为Fe粉的粒度分布。由图可知，Fe粉的平均粒度为74.6nm，按质量计算，至少70%的Fe粉粒度小于100nm，超过40%的Fe粉粒度小于20nm.该样品同样经配备Kratky狭缝系统的Rigaku3014X射线衍射装置（Co靶，对Fe粉不产生荧光效应）测量，结果非常接近。是Fe粉的TEM照片。照片显示Fe粉的粒度达到纳米级，多数粉末的粒度小于70nm，这一结果与小角散射测量的平均粒度吻合。电镜下观察到Fe粉颗粒团聚，但由于小角散射法测量的是一次颗粒的尺寸，因此仍然可以得到准确的结果，这再次表明X射线小角散射法的优越性。

4.4Afe3+3%Ti2粉末的粒度分布X射线小角散射法测量纳米粉末的粒度分布也有一定的局限性，它不能测量含有微孔材料的粒度，也不能测量混合物的粒度，这是因为异质相的电子密度差异干扰了样品的小角散射强度。但如果另一相所占的比例数非常少，则这种干扰可以忽略。据此，本文测量了AhO3+3%TiO2团聚纳米陶瓷粉末的粒度分布。是该粉末不同放大倍数的扫描电镜照片。如图所示，Al2O3+3%TiO2粉末的团聚现象非常严重，粉末颗粒团聚成较规则的球形，而组成每一个球的颗粒形状则是不规则的，从图中无法得到颗粒的平均直径和粒度分布数据。中有采用小角散射法测量的Al2O3+3%TiO2团聚粉末中原始颗粒的粒度频度分布和累积分布。由图可知，AhO3+3%TiO2团粒内的粒度分布范围较宽，在1 ~300nm范围内都有。粉末一次颗粒的平均粒度3%Ti2粉的粒度分布5结论在常规高分辨X射线衍射仪上应用小角X射线散射效应成功地测定了多种纳米粉末的粒度分布。结果表明，此方法用于测量纳米粉末的粒度是完全可行的。该方法只需要简单的光路配置，无需昂贵的X射线小角散射装置，且操作简便，值得进一步推广和应用。目前此方法能够测量1粒度范围的粉末。

致谢感谢钢铁研究院的张晋远教授和飞利浦X射线仪器分析部门的邬时海在X射线小角散射实验上的支持和帮助。