粒徑
粒徑(particle size)就是一種粉末中個別顆粒有多大,通常以直徑表示。它是任何粉末最常被引用的單一數字,因為許多其他性質都由它衍生。粗略地說:沙粒約 100 至 1000 微米,細陶瓷粉在 1 微米以下,而奈米粉在 0.1 微米、也就是 100 奈米以下。較小的顆粒較難看見、處理時較易飛塵,而且對陶瓷工作者極為關鍵的是,它們燒結得積極得多,因為小就意味著相對於體積擁有大量表面。
有個常讓初學者絆倒的微妙之處:粉末顆粒鮮少是規整的球,所以它的尺寸並非單一明確的長度。棒狀或片狀在不同方向有不同寬度,而量測儀器報告的是等效直徑(equivalent diameter),也就是在該測試中行為相同的球的直徑,無論是靠沉降速度、雷射光散射、還是表面積。因此不同方法對同一粉末會給出略有差異的數字,這是正常的。一條有用的捷徑把尺寸連到表面:對光滑球體,比表面積等於 6 除以密度與直徑的乘積,所以把粒徑減半就使表面積加倍,這正是細度與可燒結性攜手同行的原因。
粒徑之所以重要,是因為它設定了燒結的驅動力與步調。細顆粒有高表面能,那是燒結所花的燃料,又有短的擴散距離,所以細粉在較低溫度就緻密化,並給出更細的最終晶粒組織與更高的強度。這就是為什麼製造者力求細粉。誠實的反面是:單一的平均尺寸永遠說不完整個故事。同樣要緊的還有尺寸分布得多開(分布)、以及顆粒是否結團,所以粒徑最好與粒徑分布和比表面積一起判讀,而非單獨看待。
0.2 微米的氧化鋁粉在約 1400 度 C 就能燒到緻密,而化學組成相同的 5 微米粉可能需要 1700 度 C 才能達到同樣密度;尺寸相差二十五倍,在窯裡就值好幾百度。
較小的顆粒帶有更多表面能與更短的擴散路徑,所以在較低溫度就能燒結。
真實粉末並沒有單一的「真正粒徑」。非球形顆粒給出的等效直徑取決於量測方法,而單一平均值又藏起了分布,所以引用粒徑時應同時說明分布與量測方式。