粉末测量新技术：Mastersizer 3000+ vs Morphologi-4ID

• 台湾科技大学 多功能材料制造实验室 / 文承瀚 研究生
• (转载自繁体版ACMT电子技术月刊No.091)

前言

随着科技的进步，积层制造技术正迅速改变现代制造业的面貌，在这一变革性的制造技术背后，粉末材料不仅直接决定了最终产品的质量和性能，还会影响制造过程的效率和成本。

近年来，粉末技术在材料选择、制粉工艺、颗粒特性控制和应用范围等方面取得了显著的突破，使得积层制造技术能够应用于更多元化和更尖端的领域。本文将探讨粉末分析技术的最新发展，并使用积层制造作为新技术运用的实例。

粉末特性

近年来，有许多研究探讨粉末物理性质的改变，特别是在粒径和形状的控制方面，这些进步对于粉末材料的物理性质和应用性能产生了深远的影响。

粒径改变造成的影响

• 比表面积：随着粉末粒径的减小，一般比表面积会显著增大。比表面积的增加使得粉末在积层制造中可以更有效地与添加剂进行混合。
• 分散性：小粒径粉末具有更好的分散性，可以在液体或聚合物基体中均匀分布，这在浆料的制备中至关重要，有助于提升材料的打印性能，但是小颗粒也有相应的缺点，其会容易发生团聚，进而影响分散性，因此，粉末的大小要根据使用需求进行调控。
• 反应速率：奈米级粉末由于其颗粒细小，一般比表面积较大，而使化学反应速率显著提高，这也会使浆料固化的性能显著提升。

形状控制的影响

• 流动性：球形粉末具有更好的流动性，这对于积层制造和粉末科学来说非常重要。良好的流动性有助于提高材料的成型精度和制造效率，同时减少制造过程中所产生的缺陷。
• 堆积密度：粉末的形状影响其堆积密度。球形粉末通常具有较高的堆积密度，这意味着在相同体积内可以填充更多的材料，有助于提高烧结体的致密度和机械强度，这在制造高性能结构材料时尤为重要。
• 表面活性：片状和棒状粉末具有较大的表面积，这可以提升材料的表面活性。以片状粉末为例，其在光起始剂的应用中可以提供更多的活性位点。

总的来说，通过精确控制粉末的粒径和形状，可以显著改变其物理性质，从而提升其在不同应用中的性能。

图1：Mastersizer可以大量且快速地分析粉末粒径大小

仪器介绍

以往在获得颗粒形貌时，仅能使用SEM（扫描式电子显微镜）和光学显微镜等测量工具，然而，这些方法在测量范围、操作便捷性和数据处理方面都有一定的限制。近年来，Malvern Panalytical公司推出了两款粒径和形貌测量仪器──Mastersizer 3000+和Morphologi 4-ID，接下来将探讨这两款仪器的优势。

Mastersizer 3000+

使用雷射绕射法测量粒径大小，其具有以下特点：

• 测量范围广：可量测从奈米到微米级别（10nm~3.5mm，范围和材料本身有关）的颗粒。
• 高代表性和重复性： 相比其他方法（例如：筛分法），雷射绕射法提供更具代表性且重复性好的数据。
• 快速测量： 能给出实时的粒径分布结果，并且能在短时间内完成完整的粉末分析，如图1。

Morphologi 4-ID

专门用于颗粒形貌分析，具备以下特点：

• 高分辨率成像：显示颗粒形貌特征，包括粒径、真圆度、伸长率等。
• 自动化分析： 自动量测、识别、分析、统计和量化颗粒形状参数，甚至可以自动分散样品。
• 多参数测量： 提供全面的颗粒特性数据，同时可以进行特定的参数分类，这有助于优化粉末形貌特性，提高烧结性能和机械性能，如图2。
• 
• 图2：Morgpologi 4-ID，除了形貌分布也可以看到颗粒形状

总结

在积层制造领域，Mastersizer 3000+和Morphologi 4-ID展示了各自独特的性能和应用优势。

Mastersizer 3000+以其广泛的测量范围，从奈米到微米级颗粒都能精确测量，适用于积层制造过程中的粉末质量控制和配方优化，确保最终产品的性能一致性。

相对地，Morphologi 4-ID则以其高分辨率的形貌成像能力著称，不仅提供粒径和形状参数的详细数据，还能进行颗粒分类分析，有助于深入理解颗粒形貌特征对材料性能的具体影响，从而优化粉末的形貌特性以提升产品的质量和功能性。

这两款仪器的结合满足了从粒径测量到形貌分析的全面需求，推动了制造技术的不断进步和创新。