談論粉體形貌時，我們到底在關注什么？

“諸以形貌命者，若山丘室廟者皆是也。”出自《墨子·大取》的“形貌”一詞，現在更多的是作為化學體系的專有名詞來使用。粒子形貌包括形狀、表面缺陷、粗糙度等，但主要指形狀。對于超細粉末的制備，粉末的高性能正是生產的經濟效益所在。而粉末的性能很大程度上取決于粉末粒子的形貌和粒度等特征。...

前言
“諸以形貌命者，若山丘室廟者皆是也。”出自《墨子·大取》的“形貌”一詞，現在更多的是作為化學體系的專有名詞來使用。粒子形貌包括形狀、表面缺陷、粗糙度等，但主要指形狀。對于超細粉末的制備，粉末的高性能正是生產的經濟效益所在。而粉末的性能很大程度上取決于粉末粒子的形貌和粒度等特征。

粉末的結構形貌特征包括粉末的形狀、化學組成、內外表面積、體積和表面缺陷等。它們一起決定了粉末的綜合物理化學性能。

對超細粉末的形貌的要求也因用途而異。例如電解用的氧化鋁，要求在生產過程中分解所得的氫氧化鋁為球狀；而做各種紙張涂布顏料用的氫氧化鋁則要求其為片狀；又如磁記錄介質用超細三氧化鐵磁粉要求形狀是軸徑比大于的針狀；而顏料用的超細三氧化鐵最好是棒狀、盤狀、薄板狀的。

控制粒子形貌的四種途徑

超細粒子的形貌往往對操作條件很敏感。溶液濃度、反應體系中陰離子的種類、反應體系是否密封等因素均可能影響到粒子的形貌。晶粒形貌雖然受到許多因素的影響，但是有關它形成的機理不外乎熱力學控制和動力學控制。總而言之，可以運用四種途徑來理解和控制沉淀粒子的形狀變化熱力學平衡態下的形狀控制、動力學控制、聚集作用控制和添加劑調控。

1.熱力學平衡態下的形狀控制

其基本思想是從晶體內部結構和熱力學的基本原理出發，導出晶體的平衡生長形態，先后發展出幾種代表性的理論描述。

Gibbs-Wullf定律認為晶體在生長過程中可以自我調整形態，使其總表面能達到最小的趨勢；Frank運動學理論提出了兩個基本定律，根據法向生長速率與晶面取向的關系來計算預測晶體的生長形態；PBC理論認為晶體中存在著由一系列強鍵不間斷地連貫成的鍵鏈，并呈周期性重復，稱為周期鍵鏈......

2.動力學控制

包括擴散控制生長理論和界面控制生長理論。擴散控制生長時，溶質分子長在晶粒邊、角上的速度要比長在晶面上的速度快，久而久之，容易長出枝晶狀的粒子。界面控制生長理論把晶體的生長界面結構模型分為光滑面和粗糙面兩類，且存在一個臨界溫度，界面發生光滑面和粗糙面的轉化。

但也有人認為，該理論的界面結構模型過于簡化，動力學規律的推導不夠嚴謹，假定條件過多，而且也沒有考慮環境相結構的影響。

3.聚集作用控制

粒子的聚集分為兩種布朗運動引起的聚集和流體運動剪切力引起的聚集。通過計算機模擬了兩種聚集方式；單體聚集和集團聚集。結果表明聚集粒子具有分形生長的特點。借助計算機模擬，可以部分揭示關于聚集粒子形成的機理，較好地解釋沉淀制粉過程中的某些現象以及實現聚集體的形貌特征控制和預測。

4.添加劑作用控制

使用添加劑，往往可以顯著地影響上述三種控制手段的實施效果。添加劑加入后可能會通過四種機制來影響晶粒的形狀變化：一、減少溶質往晶面上的供給，從而也降低了界面附近的過飽和度；二、降低固液界面能；三、蓋覆往晶粒表面的生長活性點；四、阻隔生長基元間的聚集。

對不同的沉淀體系，不同的添加劑，其作用機制是不一樣的，產生的效果也會有很大差別。

對粉體形貌的影響因素

不同粒徑，不同元素，粉體的多種多樣性也造成了其影響來源既廣又多。哪怕是同一物質，也會存在有截然不同的差異，會影響粉體形貌的因素自然也不會少。但是，即使影響來源復雜，但影響因素無外乎那幾類。以下以濕化學法制備為例，介紹幾種影響粉體形貌的因素。

溶液pH值對粉體形貌的影響

溶液pH值對產品形貌的影響是相當復雜的，一般可歸結為以下幾種方式:

(1)pH值影響溶解度，使溶液中離子平衡發生改變；
(2)pH值改變雜質的活性。即改變雜質絡合或水合狀態，使雜質敏化或鈍化，PH值的作用也可以改變晶面的吸附能力，因pH值對其有較大的影響；
(3)pH值直接影響晶體生長。通過改變各晶面的相對增長速度，引起晶體生長習性的改變。

溫度對粉體形貌的影響

生長溫度對晶體的習性和質量都有影響。可以利用生長習性隨溫度的變化，選擇合適的生長溫度以獲得所需的晶體。晶體生長過程很少是純表面反應或是純擴散過程。一般在較低的溫度下，結晶過程主要由表面反應這一步控制當溫度升高時，生長速度加快，擴散就逐漸成為控制結晶過程的主要步驟了。

濃度對粉體形貌的影響

過飽和度是結晶的驅動力，不同過飽和度會產生不同的生長機制，過飽和度對晶體生長速度、質量和晶體外形影響都很大。晶體在低飽和度下生長時，速度較慢，晶面發展比較充分，一些高指數的次要晶面容易出露。隨著過飽和度的增加，逐漸減輕到最后消失。

添加劑對粉體形貌的影響

添加劑產生的影響，一般多歸結為生長晶面對添加劑的吸附作用，從而導致了晶體生長速率的變化，而最終反映到晶體形態上。由于晶體的各向異性，添加劑在晶體的不同晶面上經常發生選擇性吸附。這種吸附常使某些晶面的生長受到阻礙，因而改變了各晶面的相對生長速度。在添加劑改變結晶習性的例子中有不少是由這種原因造成的。

結語
不同應用領域對功能粉體材料形貌與粒度的多樣性要求，為粉體材料制備技術發展提出了新的要求。因此，在微納粉末制備過程中，根據其應用需要進行粉末結構、形貌控制就具有十分重要的意義。

參考來源
李光宗等.鉬粉制粉過程中的粉體形貌演變
范偉東.氫氧化鋁粉體制備過程形貌控制研究
馮雅楠.形貌和粒徑對納米CeO2吸附和光催化性能的影響

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