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粉體工程課件 1 顆粒學(xué) 粉體工程 及其進(jìn)展 1 1顆粒 粉體 Particles 無所不在 空氣 海洋 湖泊 水 土壤 太空 多種來源 Chapter1粉體工程概論 a 自然界 巖石風(fēng)化 火山活動 河流沖擊等等 b 人工 工業(yè) 幾乎每一固體材料在制備開始 末尾或中間至少經(jīng)歷一個(gè)粉體階段 日常生活 空氣中塵埃 廢氣污染物 食物 可以說我們是生活在顆粒的世界 粉體是物質(zhì)形態(tài)的一種特殊存在形式 在外觀表現(xiàn)上介于固體和流體之間 隨著細(xì)度的增加常常表現(xiàn)出千變?nèi)f化的性質(zhì) 2 WorldCongressParticleTechnology日本人認(rèn)為Particle嚴(yán)格來說是粒子或粒體而不是粉體 因?yàn)轭w?？偸且苑垠w這種集合體的形式出現(xiàn) 集合產(chǎn)生了個(gè)體不具有的特殊性 粉體 粉體工程另一詞Kona更為傳統(tǒng)和更易于表達(dá)Particleandpowder 粉體 Powder 由細(xì)小固體顆粒組成的集合體 G Jimbo Funtai Powder ParticleandBeyond粉體與展望 2020 4 21 5 粉體與顆粒的關(guān)系 指出 KonaorFuntai ParticleorPowder顆粒 顆粒學(xué) 粉體是處于特定聚集狀態(tài)的物質(zhì) 是一種分布于某一范圍內(nèi)的大小顆粒之間相互作用的存在狀態(tài) 它與氣體 液體 固體相同嗎 第四相粉體 具有固體屬性 但粉體的表面積很大 使得自由能變得不可忽略 S surfacearea 大 吸引力 輸送 呈流體狀態(tài) 集合產(chǎn)生了個(gè)體所不具有的特殊性 粉體 散體粉體力學(xué)散體力學(xué)粉體力學(xué)與工程 專著 謝洪勇編著 粉體的特性 材料的機(jī)械 物理和化學(xué)性質(zhì)描述了組成材料的物質(zhì)組態(tài)的基本特性 當(dāng)物質(zhì)被 分割 成為粉體之后 上述三類性質(zhì)則不能全面描述材料的性質(zhì) 必須對粉體材料的組成單元 顆粒及其集合 進(jìn)行詳細(xì)描述 2020 4 21 9 粉體工程的應(yīng)用范圍 顆粒大小決定 影響 e g 水泥的凝結(jié)時(shí)間 強(qiáng)度 結(jié)構(gòu)陶瓷的強(qiáng)度 韌度 功能材料的功能 催化劑的活性 食品的味道 藥物的藥力 顏料的著色力 顆粒大小 粉體系統(tǒng)各種性質(zhì)影響很大顆粒集合 吸引力 輸送顆粒制備 粉碎 2020 4 21 10 e g 陶瓷材料性能由 a 材料組分 b 顯微結(jié)構(gòu) 粉體特性 顆粒度 形狀 團(tuán)聚狀態(tài) 相組分 亞微米 納米級超細(xì)粉 加速燒結(jié)過程中動力學(xué)過程 降低燒結(jié)時(shí)間 改善燒結(jié)體性能 e g 水泥工藝是兩磨一燒 水泥性能由a 材料組成 煅燒 b 顆粒度 顆粒大小及分布 水泥 溶膠 凝膠法 DSP DSP水泥 densifiedsystemscontaininghomogeneousarrangedultrafineparticle DSPcement 2020 4 21 11 非金屬礦行業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)和社會就業(yè)的貢獻(xiàn)和影響不斷提高 2000年非金屬礦工業(yè)總產(chǎn)值已達(dá)548 82億元 超過金屬礦工業(yè)總產(chǎn)值 435 34億元 非金屬礦產(chǎn)品與金銀銅鐵一樣 是社會發(fā)展不可缺少的重要物質(zhì)資料 在出口方面 非金屬礦產(chǎn)品是我國改革開放以來出口創(chuàng)匯增長最快的產(chǎn)品 其巨大貢獻(xiàn)是不爭的事實(shí) 非金屬礦產(chǎn)品在 六五 期間出口12 5億美元 七五 期間達(dá)到25 7億美元 八五 期間超過53 7億美元 九五 期間超過100億美元 2000年出口創(chuàng)匯24 29億美元 2001年達(dá)到28億美元 2002年繼續(xù)保持增長勢頭 估計(jì) 十五 期間將超過180億美元以上 重要的戰(zhàn)略資源石墨 我們國家占世界儲量的90 以上 是世界上的最大出口國 纖維狀硅灰石也是重要的礦物資源 我們的出口量占世界貿(mào)易量的30 以上 粉體技術(shù)所涉及到的行業(yè)和產(chǎn)品應(yīng)用 2020 4 21 13 粉體技術(shù)所涉及到的行業(yè)和產(chǎn)品應(yīng)用 2020 4 21 14 粉體技術(shù)所涉及到的行業(yè)和產(chǎn)品應(yīng)用 2020 4 21 15 粉體技術(shù)所涉及到的行業(yè)和產(chǎn)品應(yīng)用 1 2顆粒學(xué) 粉體工程 Powdertechnology Particuology 1943年 美國Micromeritics 微晶學(xué) 微塵學(xué) 顆粒學(xué)最早著作 今天已發(fā)展為一門新興的綜合性技術(shù)學(xué)科 一門交叉學(xué)科 邊緣學(xué)科 超微顆粒是其中最為活躍的分支 Particuology 拉丁語Particula 希臘語Logia 顆粒的 學(xué)科 2020 4 21 17 Fineparticle顆粒從個(gè)體顆粒出發(fā) 稱為顆粒學(xué) Powder粉體從集合粉體出發(fā) 稱為粉體工程學(xué) 研究范圍 粉體材料制備 加工和處理過程以及出現(xiàn)的現(xiàn)象 以顆粒性質(zhì) 特征 內(nèi)部結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ) 粉體技術(shù)是一門跨行業(yè) 跨學(xué)科的新興技術(shù) 包括粉碎 分級 分離 均化 混合 輸送 儲存 改性 造粒 粉塵爆炸以及粉體特性的研究和測試等 作為一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié) 粉體技術(shù)早已應(yīng)用于各工業(yè)部門 但作為一項(xiàng)專門技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)地研究 開發(fā)則是隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展而形成的 2020 4 21 19 美國FineParticle協(xié)會 歐洲粉體技術(shù)研討會InternationalCongressonParticleTechnologyInternationalMineralProcessingCongress歐洲粉碎協(xié)會 EuropeanSymposiumonComminution 國際粉碎研究學(xué)會 InternationalComminutionResearchAssociation 國際礦物工程粉碎協(xié)會 MineralsEngineeringInternational ComminutionAssociation 2020 4 21 20 日本是比較重視粉體技術(shù)研究開發(fā)的國家1956年日本粉體工學(xué)研究會 粉體工學(xué)會志 他們于1971年成立日本粉體工業(yè)技術(shù)協(xié)會 APPIE 的標(biāo)準(zhǔn)委員會 并在1982年開始與日本工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會和ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織聯(lián)合 制定系列粉體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) 亞洲顆粒技術(shù)粉碎工作組 ComminutionGroupofAsianParticleTechnology 等國際研究組織 著名研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者 國外美國國家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室賓夕法尼亞大學(xué) Austin教授猶他大學(xué) King教授德國Karlsruhe大學(xué)的Rumpf教授從固體物理學(xué)角度建立的粉碎規(guī)律德國Clausthal大學(xué) Sch nert Leschonski教授日本東京大學(xué)井上教授名古屋大學(xué) 神保元二教授東北大學(xué) Yashima教授 2020 4 21 22 著名研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者 國外美國杜邦公司美國P M 公司美國斯特蒂文特公司美國More Bouse Cowles公司 化工原料及非金屬礦的細(xì)磨及分散 日本細(xì)川 Hosokawa 集團(tuán) 德國Alpine公司德國Bosch集團(tuán)德國耐馳 Netzsch 公司法國烏爾特拉芬公司 2020 4 21 23 著名研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者 科研院所中國科學(xué)院過程所清華浙大武漢理工大學(xué)同濟(jì)大學(xué)北京科技大學(xué)華南理工 2 UFP 超微粉體概述 ultrafineparticles superfineparticles veryfineparticles 超細(xì)粉 超微粉 超微細(xì)粉 沒有統(tǒng)一的稱謂 微顆粒 fineparticles 超細(xì)粉體在廣義上指從微米級到納米級的一系列超細(xì)材料 狹義上是指從微米級 100納米的一系列超細(xì)材料 粗顆粒 coarseparticle 亞微顆粒 submicronparticles0 1 1 m 顆粒原子數(shù)109 1010個(gè) 超微顆粒 ultrafineParticelsnanometer毫微米10 9 微米級 1 m 亞微米級 0 1 1 m 納米級 0 1 m 部分學(xué)者的顆粒的單元尺度概念 可開發(fā)出多種新功能材料 物質(zhì)新狀態(tài) 不能忽視表面的影響 2020 4 21 27 將物體逐步微細(xì)化就得到所謂的微細(xì)顆粒 這些顆粒單位質(zhì)量的表面積比原來的塊狀固體要大得多 它與原塊狀固體的根本差別就在于此 當(dāng)這一單純的差別超過一定程度時(shí) 這種顆粒在性能上就與原固體完全不同 成為 物質(zhì)的新狀態(tài) 具有這種狀態(tài)的顆粒就叫 超微顆粒 UFP 它與通常的顆粒是有差別的 2020 4 21 28 超微顆粒的粒徑 即超微顆粒在性能上出現(xiàn)與原固體完全不同行為時(shí)的粒徑 根據(jù)性能的不同 有很大的差別 e g 磁性以及電阻等性能分別與磁疇的磁化過程以及載流子的平均自由程這種顆粒本身的內(nèi)部有結(jié)構(gòu)有著深刻的聯(lián)系 所以 超微顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它作為 超微顆粒 的臨界粒徑 2020 4 21 29 部有結(jié)構(gòu)有著深刻的聯(lián)系 所以 超微顆粒的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它作為 超微顆粒 的臨界粒徑 超微顆粒作為物質(zhì)存在的新狀態(tài)的概念正在逐漸為人們所接受 超微顆粒制備及其相關(guān)物性的理論與應(yīng)用研究 正在形成與發(fā)展之中 2020 4 21 30 超微顆粒以其 體積效應(yīng) 和 表面效應(yīng) 顯著區(qū)別于一般顆粒 正因如此 引起了許多學(xué)者濃厚的研究興趣 并擴(kuò)展到很多領(lǐng)域 如 光學(xué) 電子學(xué) 磁學(xué) 工業(yè)化學(xué) 結(jié)構(gòu)及功能材料等 有的已進(jìn)入實(shí)用階段 2020 4 21 31 因此 對UFP的進(jìn)一步了解和研究 在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中 顯得越來越重要 也是這門課程開設(shè)的目的 本課程主要介紹UFP的基本概念 特性 制備方法 測試和表征與有關(guān)應(yīng)用 2020 4 21 32 顆粒學(xué)是一門新興的邊緣學(xué)科 交叉學(xué)科 多學(xué)科交叉領(lǐng)域 納米材料是其中一個(gè)分支 是材料制備科學(xué)的一次飛躍 日本 21世紀(jì)的重大科技 美國 國家基金會把納米科學(xué)列為優(yōu)先支持領(lǐng)域 英國 作為重振英國制造業(yè)的突破口 德國 最大科研項(xiàng)目 關(guān)于UFP的尺寸界限 e g 磁性以及電阻等性質(zhì)分別與磁疇的磁化過程以及載流子的平均自由程 顆粒本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有密切聯(lián)系 UFP為何具有獨(dú)特的性能 首先 聯(lián)想到非常發(fā)達(dá)的表面 因?yàn)槲镔|(zhì)內(nèi)部與表面原子所處環(huán)境是不同的 所以 UFP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了它作為 UFP 的臨界粒徑 UFP粒徑 大約1 100nm范圍也學(xué)者認(rèn)為 5nm 1 m范圍納米 亞微米 e g 配位數(shù)為6的晶體本體原子 6個(gè)配位鍵完整表面原子 1個(gè)配位鍵折斷邊棱原子 2個(gè)配位鍵折斷隅角原子 3個(gè)配位鍵折斷 處在表面 邊棱 特別是隅角上的原子能級比起本體中的原子都要高 活性大 比較容易蒸發(fā) 溶解和起化學(xué)反應(yīng) 顆粒越小 處于表面 邊棱 特別是隅角上的原子就越多 對于球形顆粒 S 1 d當(dāng)d S 表面原子數(shù) 整體原子數(shù) 這時(shí)為數(shù)眾多的較高能級的表面原子便不能不對顆粒的性質(zhì)產(chǎn)生影響 銅顆粒的粒徑和表面能邊長1mol中的1個(gè)顆粒中的全表面積表面能表面能與顆粒數(shù)原子數(shù)體積能10nm7 12 10188 46 1044 27 1079 4 10102 751 m7 12 10128 46 10104 27 1059 4 1080 0275e g 原子直徑0 2nm顆粒尺寸0 4nm 若每邊只能容納2個(gè)原子 整體原子數(shù)是8個(gè)原子 處于表面原子數(shù)目 mm2 erg 8個(gè) 表面原子占全部原子的百分?jǐn)?shù)是100 若顆粒尺寸1nm時(shí) 表面原子 全部原子78 4 若顆粒尺寸20nm 表面原子 全部原子5 9 若顆粒尺寸1 m 表面原子 全部原子0 12 當(dāng)顆粒尺寸 1 m時(shí) 表面原子份數(shù) 0 1 這種程度的表面原子的出現(xiàn)對物質(zhì)性質(zhì)影響不大 所以 1 m的顆粒不是UFP 定為上限 下限與上限一樣沒有明確范圍 返回首頁 進(jìn)下一章 放松一下 若顆粒中只含有幾個(gè)原子 是原子團(tuán) 這種微粒是物理學(xué)家或化學(xué)家研究的對象 不屬UFP范圍 工業(yè)上無應(yīng)用 若d50 無熔點(diǎn) 分不清氣體 液體或固體 若d 5nm 原子數(shù)達(dá)數(shù)千以上 有穩(wěn)定熔點(diǎn) 所以 有學(xué)者定1 m 5nm為UFP 納米 亞微米 也有學(xué)者定UFP粒徑 大約1 100nm范圍 2020 4 21 40 超細(xì)粉碎技術(shù)因高技術(shù)和新材料產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步而快速發(fā)展 全球自80年代以來各種超細(xì)粉體原料的需求量呈快速增長 據(jù)統(tǒng)計(jì) 中國在90年代之前 非金屬礦物超細(xì)粉產(chǎn)品還不足5萬t 96年已超過30萬t 2000年超過50萬t 2005年國內(nèi)需求量將達(dá)140萬t 預(yù)計(jì)2010年將達(dá)200萬t 超微粉體 工業(yè)應(yīng)用 2020 4 21 41 對超細(xì)粉的需求量將越多 越高 越廣 e g SiC超細(xì)粉 5 m1 9萬 3 5 m3 4萬 1 m10 15萬 SiC原料 5400元 深加工與普通加工的差價(jià) 可見超細(xì)粉碎和UFP制備的意義 目標(biāo) 高純 超細(xì) 多功能和復(fù)合化 2020 4 21 42 在制備高性能陶瓷材料時(shí) 非金屬礦物原料越純 粒度越細(xì) 材料的致密性越好 強(qiáng)度和韌性越高 一般要求原料的粒度小于1 m甚至0 1 m 如果原料細(xì)度能到納米級 則制備的陶瓷稱為納米陶瓷 性能更加優(yōu)異 是當(dāng)今陶瓷材料發(fā)展的最高境界 非金屬礦加工技術(shù)是高技術(shù)陶瓷發(fā)展的關(guān)鍵 只有發(fā)展了非金屬礦物的高純加工技術(shù)和超細(xì)粉體加工制備技術(shù)才有高技術(shù)陶瓷材料的迅速發(fā)展 2020 4 21 43 顯像管是現(xiàn)代微電子 信息產(chǎn)業(yè)的重要器件 顯像管用的氧化鋁微粉平均粒徑一般為1 5 m 5 5 m 黑底石墨乳粒徑要小于1 m 管頸石墨乳小于4 m 銷釘及錐體石墨乳小于10 m 現(xiàn)代重要信息材料的復(fù)印粉及打印墨粉要求粒徑達(dá)到微米級 光纖及壓電材料的石英粉要求純度達(dá)到99 999 雜質(zhì)含量要求為PPM級 現(xiàn)代高檔紙張用的高嶺土和碳酸鈣涂料要求白度達(dá)到90以上 細(xì)度 2 m含量超過90 沒有非金屬礦超細(xì)深加工技術(shù)的發(fā)展 現(xiàn)代微電子及信息技術(shù)的發(fā)展將被延緩 2020 4 21 44 復(fù)合材料的重要組分之一是無機(jī)非金屬礦物填料 包括碳酸鈣 高嶺土 滑石 云母 硅灰石 石英 氧化鋁 氧化鎂 碳黑等 這些非金屬礦物填料的粒度越細(xì) 與有機(jī)基質(zhì)的相容性越好 復(fù)合材料的綜合性能就越好 解決超細(xì)問題要依靠超細(xì)粉碎技術(shù) 而解決與有機(jī)基質(zhì)的相容性問題要依賴一種新的非金屬礦深加工技術(shù) 礦物表面改性 其它如特種涂料 高級磨料 催化劑載體 吸附材料等要求非金屬礦物原料純度高 粒度細(xì)或粒度分布較窄且表面活性好 因此 必須要對其進(jìn)行提純 粉碎和分級以及表面改性等加工 2020 4 21 45 造紙工業(yè)從普通紙張到涂布紙及其它高級紙品的技術(shù)進(jìn)步需要高純 超細(xì)和高白度的高嶺土 碳酸鈣 滑石等非金屬礦物涂料 冶金工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步要求高品位及一定粒度級配的高鋁非金屬礦物 硅線石 紅柱石 蘭晶石等 耐火材料及鎂 菱鎂礦 碳 石墨 復(fù)合材料 高分子材料的技術(shù)進(jìn)步需要相容性好而且具有增強(qiáng)作用的非金屬礦物填料 如碳酸鈣 高嶺土 滑石 硅灰石 云母 石英 長石等 2020 4 21 46 還有非金屬礦超細(xì)深加工技術(shù)還與當(dāng)代環(huán)保技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)相關(guān) 許多非金屬礦物 凹凸棒石 海泡石 沸石 硅藻土 膨潤土 蛋白土 珍珠巖等經(jīng)過除雜提純 活化處理 粉碎分級 成型造粒等加工后具有較高的活性和選擇性吸附的特性 可廣泛應(yīng)用于處理廢水 廢氣 廢物及有毒物質(zhì) 成為獨(dú)特的綠色環(huán)保產(chǎn)品 由于現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)發(fā)展到對非金屬礦物原 材 料要求的提高是非金屬超細(xì)深加工利用技術(shù)發(fā)展的原動力 同時(shí) 現(xiàn)代科技革命和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提高了非金屬礦超細(xì)深加工業(yè)自動控制 質(zhì)量檢測的技術(shù)水平 2020 4 21 47 90年代以后 超微粉體技術(shù)在我國得到了長足的發(fā)展 許多專門從事超微粉體技術(shù)研究 開發(fā)的單位迅速成立 一個(gè)粉體技術(shù)熱點(diǎn)正在許多行業(yè)和研究領(lǐng)域形成 我國與超微粉體工程相關(guān)聯(lián)的企業(yè)也已超過一千家 全國各類超細(xì)粉碎和分級設(shè)備生產(chǎn)廠家已發(fā)展到近100家 2020 4 21 48 根據(jù)非金屬礦行業(yè)協(xié)會的報(bào)告介紹 到2010年超細(xì)非礦產(chǎn)品的年產(chǎn)量為713萬噸 需要超細(xì)粉碎設(shè)備980套 超細(xì)分級機(jī)1300臺 改性設(shè)備485套 后處理設(shè)備550套 按照現(xiàn)在的價(jià)格計(jì)算 設(shè)備總價(jià)值約32億元人民幣 除了在非金屬礦加工領(lǐng)域自身應(yīng)用外 粉體加工技術(shù)和設(shè)備在化工 建材等行業(yè)也有較大的市場 其需求量與非金屬礦行業(yè)相當(dāng) 2020 4 21 49 我國超微粉體技術(shù)總狀況是 能夠生產(chǎn)出目前在工業(yè)上應(yīng)用的超細(xì)設(shè)備