??顆粒材料和塊狀材料的測試方法大多通用，顆粒特性中最獨(dú)特的也是塊狀材料不具備的是它的幾何性能，即粒度、粒形、表面積、孔徑。顆粒的形狀對顆粒群的許多性質(zhì)都有影響，例如比表面積、流動(dòng)性、磁性、固著力、增強(qiáng)性、填充性、研磨特性和化學(xué)活性等，因此顆粒測試工作中最重要的是其幾何性能的測量。

　　粒度儀是測量顆粒大小（即粒度）的儀器，粒度量值從幾個(gè)納米到幾千微米都有。粒度儀有上百種，但常用的不多，僅有激光粒度儀、圖像儀、光透儀、圓盤離心沉降儀、顆粒計(jì)數(shù)器、庫爾特儀、光子相關(guān)譜、X光小角散射儀等。

　　目前，在我國使用的、國內(nèi)外粒度儀的種類較多，用戶遍及各個(gè)行業(yè)，這些粒度儀在納米/亞微米/微米級(jí)顆粒粒徑測量、粒徑分布測量、顆粒數(shù)量及濃度測量中扮演著重要的角色，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、電子、制藥、航空、電力、環(huán)境等行業(yè)中，其測量數(shù)據(jù)的可靠與否直接關(guān)系到科學(xué)研究、產(chǎn)品質(zhì)量、計(jì)量仲裁等的發(fā)展和結(jié)果評(píng)價(jià)。

　　一、國產(chǎn)品牌產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

　　我國粒度儀的研制始自上世紀(jì)80年代，90年代隨著改革開放的深入進(jìn)行，從高校和研究院所先后分立出多家按商業(yè)化模式運(yùn)作的專業(yè)公司，從事粒度儀的開發(fā)、生產(chǎn)。目前各專業(yè)公司都取得了長足的發(fā)展，成為國內(nèi)市場激光粒度儀的主要提供者，并已有部分產(chǎn)品進(jìn)入到國外市場，此外在常規(guī)產(chǎn)品質(zhì)控方面有逐步取代國外產(chǎn)品的趨勢。

　　目前國內(nèi)四大品牌：LS（珠海歐美克）、BT(丹東百特)、JL（成都精新）和 Winner（濟(jì)南微納），在國內(nèi)市場上已占據(jù)了80%份額，這是各儀器公司的努力結(jié)果：積極打入各粉體行業(yè)，宣傳本品牌的形象，不斷改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量，搞好自身經(jīng)營管理，而且擴(kuò)大再生產(chǎn)的投入都比較大，特別是歐美克和百特公司都新建了產(chǎn)業(yè)基地。

　　在粒度儀現(xiàn)有的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中都沒有給出準(zhǔn)確度、重復(fù)性和分辨率的量化指標(biāo)，而準(zhǔn)確度、重復(fù)性和分辨率是判斷儀器性能的重要指標(biāo)。中國顆粒學(xué)會(huì)顆粒測試專業(yè)委員會(huì)從2005年6月到2006年6月和2008年5月到2009年5月間聯(lián)合計(jì)量部門開展了二次粒度儀量值比對活動(dòng)?；顒?dòng)的目的是對目前應(yīng)用面較廣的粒度測量儀器，包括納米/亞微米/微米級(jí)粒度測量、顆粒數(shù)量濃度測量類的儀器進(jìn)行比對和全面評(píng)價(jià)，對實(shí)驗(yàn)室測量能力及儀器的主要技術(shù)性能如準(zhǔn)確性、分辨力、重復(fù)性進(jìn)行考察。這不僅是對國內(nèi)外粒度儀的一次檢驗(yàn)，也是對各實(shí)驗(yàn)室能力的一次驗(yàn)證。

　　活動(dòng)結(jié)果顯示，無論是國內(nèi)生產(chǎn)的粒度儀，還是國外進(jìn)口的粒度儀，第二次比第一次量值比對時(shí)產(chǎn)品性能有了長足的進(jìn)步，該工作在國際上已引起重視。通過量值比對，有利于在今后修訂國標(biāo)時(shí)，加入準(zhǔn)確性、重復(fù)性和分辨率等定量指標(biāo)，是很有意義的一件事。

　　二、激光粒度儀研發(fā)進(jìn)展

　　激光粒度分析儀是指以激光作為探測光源的粒度分析儀器。到目前為止，這樣的儀器至少有4種不同的原理，分別是：（1）基于靜態(tài)光散射原理，即根據(jù)不同大小的顆粒對光的散射有不同的角分布的原理測量顆粒大小的儀器；（2）基于動(dòng)態(tài)光散射（光子相關(guān)光譜）原理，即根據(jù)微小顆粒（通常小于1 μm）在液體中的布朗運(yùn)動(dòng)，引起散射光的頻率移動(dòng)（或相位變化），散射光相互干涉，使得某觀察點(diǎn)上散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的原理，測量顆粒大小的儀器；（3）光阻法顆粒計(jì)數(shù)器；（4）光脈動(dòng)法粒度儀。本文所指的激光粒度儀，由于約定俗成的原因，是指（1）基于靜態(tài)光散射原理的儀器。

　　我國激光粒度儀的研制自80年代開始，包括天津大學(xué)，濟(jì)南大學(xué)，上海理工大學(xué)，丹東儀表所等單位先后都做了大量的工作，并在近10年有了明顯的突破：如天津大學(xué)的雙譜面結(jié)構(gòu)，丹東百特的兩種光學(xué)結(jié)構(gòu)，濟(jì)南微納的樣品池，華南師范大學(xué)的折射率測量，珠海歐美克的全自動(dòng)系統(tǒng)等等。

　　與此同時(shí)我國學(xué)者在測試基礎(chǔ)理論方面也做了大量的工作，如對不同形狀、大顆粒的散射光分布的計(jì)算；數(shù)據(jù)反演算法的改進(jìn)，該方法對高達(dá)20%的噪聲仍可獲得滿意結(jié)果。

　　三、研制成功三種國產(chǎn)新粒度儀

　　1．納米級(jí)粒度分析儀

　　動(dòng)態(tài)光散射粒度儀是國際上目前測定納米粉粒度最通用的納米粒度儀，這些儀器可按兩種方法分類：1）數(shù)據(jù)分析上的差異（相關(guān)法和頻率分析法）；2）光學(xué)裝置上的差異（零差式和外差式檢測器光學(xué)系統(tǒng)）。

　　多年來我國學(xué)者對動(dòng)態(tài)光散射技術(shù)進(jìn)行了廣泛深入的研究，但利用該技術(shù)生產(chǎn)納米粒度儀的研發(fā)工作卻未獲突破，原因是生產(chǎn)該儀器的關(guān)鍵部件數(shù)字相關(guān)器必須從國外進(jìn)口。兼有高速運(yùn)算、實(shí)時(shí)處理等特點(diǎn)的數(shù)字相關(guān)器，能夠精確地計(jì)算出散射光強(qiáng)的自相關(guān)函數(shù)，為計(jì)算機(jī)提供準(zhǔn)確、可靠的納米顆粒粒度分布的信息，保證納米粒度測試的準(zhǔn)確性。近5年來，在濟(jì)南大學(xué)、華南師大等單位的努力下，數(shù)字相關(guān)器于2008年相繼開發(fā)成功，從而推出了國產(chǎn)光子相關(guān)譜粒度儀。

　　研制相關(guān)器的主要難點(diǎn)在于：

　　1）對通道數(shù)要求高：應(yīng)在100個(gè)以上；

　　2）要求處理速度快，且處理數(shù)據(jù)量極大，每秒需處理數(shù)據(jù)100 M個(gè)以上；

　　3）抗干擾能力強(qiáng)。

　　國產(chǎn)光子相關(guān)譜粒度儀雖然已經(jīng)問世，但是與國外同類儀器相比尚有一定差距，我們應(yīng)該在以下技術(shù)上注意改進(jìn)：

　　1）數(shù)字相關(guān)器性能還需進(jìn)一步提高，包括通道數(shù)、互相關(guān)技術(shù)、通道分配技術(shù)等。

　　2）顆粒分散充分與否對測試結(jié)果有很大的影響，因此納米顆粒的分散技術(shù)也應(yīng)同步提高。

　　3）應(yīng)該發(fā)展多角度互相關(guān)技術(shù)，以便進(jìn)一步提高儀器的抗干擾能力。

　　2．動(dòng)態(tài)圖像儀

　　動(dòng)態(tài)圖像儀與靜態(tài)圖像儀的主要區(qū)別在于采集顆粒圖像的方式不同。靜態(tài)圖像儀需要將顆粒樣品分散在載玻片上，再使用攝像器件采集顆粒圖像，因此分散操作繁瑣，顆粒容易粘連，圖像處理困難。因?yàn)槿拥念w粒數(shù)量有限，統(tǒng)計(jì)代表性差；顆粒在載玻片上一般都采取重心最低的體位，因此造成取向誤差。雖然人們采用了各種技術(shù)，如取消粘連的自動(dòng)分割軟件操作，多幅圖像拼接技術(shù)克服取樣量少代表性差的問題，但是效果并不理想。解決以上問題的根本方案在于采用動(dòng)態(tài)顆粒測試技術(shù)——顆粒在運(yùn)動(dòng)中拍攝圖像。

　　上世紀(jì)末，國外已有動(dòng)態(tài)顆粒圖像儀器上市，荷蘭安米德、英國馬爾文、法國西拉斯等都先后在中國推出了他們的粒度粒形分析儀。我國學(xué)者對該項(xiàng)技術(shù)的研制起步于2005年，經(jīng)過3年的努力，2007年11月由濟(jì)南微納顆粒技術(shù)有限公司研制的Winner100動(dòng)態(tài)顆粒圖像儀通過技術(shù)鑒定，填補(bǔ)了我國的一項(xiàng)空白。2008年丹東百特也推出了同類產(chǎn)品。相繼推出的動(dòng)態(tài)顆粒圖像儀表明該項(xiàng)技術(shù)在我國已經(jīng)成熟。

　　動(dòng)態(tài)圖像儀的難度在于：

　?、?/span> 在運(yùn)動(dòng)中拍攝顆粒的圖像易出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象；

　?、?/span> 顆粒圖像的高速處理與分析。

　　解決第一個(gè)問題的關(guān)鍵是提高曝光速度。在曝光時(shí)間內(nèi)，顆粒運(yùn)動(dòng)的距離小于一個(gè)像素即可得到清晰的圖像，因此動(dòng)態(tài)圖像儀對攝像器件和光學(xué)照明系統(tǒng)都提出了更高更苛刻的要求。

　　3．超聲譜粒度儀

　　國外在上世紀(jì)末就推出了商品化的超聲譜粒度儀（德國和英國），由于我國很多過程工程急需這類儀器，上海理工大學(xué)自1999年開始研發(fā)。比起其它粒度測量儀器，該方法的主要優(yōu)勢在于“高濃度測量”、“非接觸，耐污染”和“在線測量”上，問題是影響參數(shù)較多，計(jì)算時(shí)不同正則化反演結(jié)果也會(huì)不同。

　　經(jīng)過近10年研究，上海理工大學(xué)于2009年開發(fā)出LU-1001 超聲波漿料濃度、粒度測定儀，其測量對象覆蓋化工、醫(yī)藥、食品、粉末冶金、礦業(yè)、水泥、泥沙等行業(yè)的各類漿料，可測濃度范圍：1%～70%wt；粒度范圍：1～300nm。

　　四、在線測量

　　除上前述超聲譜粒度儀、激光粒度儀、動(dòng)態(tài)圖像儀可用于在線測量外，上世紀(jì)90年代后還發(fā)展了用于在線測量的光透過率起伏頻譜法。該方法測試裝置簡單、價(jià)廉、可測濃度范圍大，其主要問題是測量粒度下限為數(shù)微米，分辨率比較低。目前，基于該技術(shù)的測試設(shè)備國際上處于開發(fā)階段，國內(nèi)上海理工大學(xué)在此方面做了大量的研發(fā)工作。

　　五、顆粒度有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（CRM）研制

　　儀器出廠前要刻度，批量生產(chǎn)時(shí)要進(jìn)行定型檢定，在日常使用中要進(jìn)行校準(zhǔn)，檢定和校準(zhǔn)都是量值溯源的一種方式。檢定是定期的，校準(zhǔn)需日常進(jìn)行，檢定和校準(zhǔn)兩者互為補(bǔ)充，不能相互代替。

　　粒度儀的檢定和校準(zhǔn)采用顆粒有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（Certified reference material,CRM）。和一般標(biāo)樣（reference material,RM）不同，CRM是經(jīng)過“定值”的，定值數(shù)據(jù)公開發(fā)布。國家對一級(jí)CRM的定值有一定規(guī)定，必須采用：①絕對測量法；②多個(gè)實(shí)驗(yàn)室采用準(zhǔn)確、可靠的方法協(xié)同定值；③兩種以上不同原理的準(zhǔn)確的、可靠的方法。對顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，我國一般認(rèn)定絕對測量方法，即顯微鏡法，其刻度可溯源到長度標(biāo)準(zhǔn)。目前我國顯微鏡刻度標(biāo)尺，一般是10微米，最小已達(dá)到416納米。

　　目前國際上的粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(標(biāo)準(zhǔn)樣品)種類繁多，根據(jù)各領(lǐng)域的需要開發(fā)出不同材料的微粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，除聚苯乙烯標(biāo)準(zhǔn)微粒和玻璃球標(biāo)準(zhǔn)微粒以外還有：熒光聚合物微粒、活性表面微粒、球形花粉和孢子、金屬和礦物微粒、煙塵檢測器測試微粒。最具權(quán)威性的是美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（National Institute of Standards and Technology, NIST）有多種規(guī)格的粒徑范圍在100 nm－30 mm之內(nèi)的單分散粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其中1微米以下的有4種尺寸，分別是：SRM1964（標(biāo)稱粒徑60 nm），SRM1963（標(biāo)稱粒徑100 nm），SRM1691（標(biāo)稱粒徑300 nm），SRM 1690（標(biāo)稱粒徑1000 nm）。定值方法采用多個(gè)實(shí)驗(yàn)室合作方式。

　　在我國生產(chǎn)粒度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的單位有：核工業(yè)北京化工研究院、中國石油大學(xué)（北京）、中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所、中國計(jì)量科學(xué)研究院、北京海岸鴻蒙標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)有限公司。

　　高標(biāo)準(zhǔn)的顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制涉及到材質(zhì)（穩(wěn)定性好）、定值水準(zhǔn)（即量值溯源）、單分散性（粒度分布的變異系數(shù)越小越好，分散度≤3%最好）、球形度好（95%~98%）等指標(biāo)。目前，美國NIST的CRM和我國一級(jí)顆粒標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可滿足這一要求。

　　六、問題及展望

　　作為亞微米以上顆粒測量的實(shí)驗(yàn)室（相對于在線）主流儀器，激光粒度儀的國產(chǎn)品牌在國內(nèi)已經(jīng)占領(lǐng)了主要市場份額，但就技術(shù)水平來說，國產(chǎn)裝備在亞微米范圍和寬分布樣品測量上，和世界先進(jìn)水平相比還有一定差距。動(dòng)態(tài)光散射儀器的生產(chǎn)我國還剛剛開始進(jìn)入商品化樣機(jī)研制階段，而國外推出產(chǎn)品已經(jīng)20年，差距較大。

　　在線測量方面，超聲譜法國外在10年前就有產(chǎn)品面市，而我國尚無國產(chǎn)裝備；我國率先將光脈動(dòng)法在線測量技術(shù)投入工業(yè)化應(yīng)用。

　　我們曾對納米顆粒的粒度分析方法做過調(diào)查（見表1），在14種方法中，電泳光散射、電聲譜國內(nèi)無人研究；毛細(xì)管流動(dòng)色譜、場流分級(jí)雖然國內(nèi)無人研究，但國外也無儀器推出；測量氣溶膠粒度分布用的電遷移、擴(kuò)散電池，國內(nèi)雖有人研究過，但無國產(chǎn)儀器推出。

表1 納米粒度及粒度分布測量方法一覽表

　　總之，近些年我國的粒度測試技術(shù)從產(chǎn)品研制到理論研究都取得了巨大的進(jìn)步，但是原創(chuàng)性的工作，尤其是從整機(jī)或整個(gè)方法由國人推出發(fā)明的情況，到目前為止還未見報(bào)道。在我國已經(jīng)成為世界經(jīng)濟(jì)大國的今天，這是今后需要注意的一個(gè)大問題，本學(xué)科的工作者應(yīng)在原創(chuàng)性研究上更加努力。