粉體力學(xué).ppt

1、粉體科學(xué)是一門跨學(xué)科的新興技術(shù)科學(xué)，其研究?jī)?nèi)容包括粉體的物性、粉體顆粒的制備與處理。,四. 粉體工程與粉體科學(xué),與粉體科學(xué)相關(guān)的產(chǎn)業(yè)及學(xué)科,產(chǎn)業(yè)及學(xué)科,冶金及金屬工藝學(xué),窯業(yè)、碳素工業(yè),原子能和能源工業(yè),顏料和感光劑工業(yè),電化學(xué)和部分無(wú)機(jī)化學(xué)工業(yè),石油化學(xué)、高分子化學(xué)、無(wú)機(jī)精密化學(xué)工業(yè),電子學(xué),宇宙科學(xué),1 粉體顆粒的物性,1.1 顆粒的尺寸與尺寸分布 1.2 顆粒的形狀 1.3 顆粒的阻力系數(shù)與自由沉降 1.4 粉體間的作用力 1.5 粉體顆粒的團(tuán)聚性,如何描述粉體顆粒的大小,粉體的粒子學(xué)特性包括粉體粒徑、粒徑分布、粒子形狀、密度、流動(dòng)性、堆積密度、比表面積等。,1 .1 顆粒的尺寸與尺寸分

2、布,1.1.1 顆粒尺寸徑 1.1.2 顆粒的尺寸分布 1.1.3 平均顆粒尺寸 1.1.4 顆粒的密度 1.1.5 粒度分布的測(cè)試,粉體的粒度（particle size）,由于細(xì)顆粒的團(tuán)聚作用，粉體一般是大量顆粒的聚合體。,按ISO3252定 義，晶粒（A）、 顆粒（B）、聚合 體（C）的區(qū)別如 右圖所示。,顆粒大小和形狀表征,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(duì)粉體材料的組成單元顆粒，進(jìn)行詳細(xì)描述。顆粒的大小和形狀是粉體材料最重要的物性特性表征量。,顆粒大小和形狀表征,直徑D,直徑D、高度

3、H,？,顆粒的大小,單個(gè)顆粒的大小 顆粒的大小是顆粒最基本的幾何參數(shù)。,1.1.1 粒徑,在表示顆粒大小時(shí)還常常使用“粒度”這一術(shù)語(yǔ)。 它通常是指顆粒大小、粗細(xì)的程度?！傲健本哂虚L(zhǎng) 度的量綱，而“粒度”則是用其他的單位，如泰勒篩 的“目”。 不過(guò)，實(shí)際運(yùn)用時(shí)對(duì)二者不加區(qū)別，只 是習(xí)慣上用“粒徑”表示大小，用“粒度”表示顆粒大 小的分布。,人為規(guī)定了一些所謂尺寸的表征方法,三軸徑 用體積最小的、顆粒的外接長(zhǎng)方體的長(zhǎng)、寬、高 （或厚）來(lái)定義顆粒的大小時(shí)，長(zhǎng)l、寬b、高（或 厚）t就稱為三軸徑。 三軸徑通常用顯微鏡測(cè)量，這是所觀察到的顆粒 是處于穩(wěn)定狀態(tài)（顆粒以最大穩(wěn)定度，其重心最低 ）下的平面投

4、影。,當(dāng)量粒徑 在實(shí)際的生產(chǎn)工藝過(guò)程中，測(cè)量粉體顆粒的粒徑 往往是為了某種工藝的需要，或與粉體的用途有 關(guān)，因此，可以將形狀不規(guī)則的顆粒與球形顆粒相 比較，換算成具有長(zhǎng)度量綱的數(shù)值，這樣求得的粒 徑稱為當(dāng)量粒徑。,等效粒徑 斯托克斯徑是一種名義上的粒徑，雖然具有長(zhǎng)度 的量綱，但卻不是表示幾何意義上的大小，只是表 示顆粒的沉降速度這一物理意義的大小，這類粒徑 有時(shí)又稱為“等效粒徑”。,1.1.1 粒徑,定向粒徑 沿一定方向的顆粒的一維尺度,注意 即使對(duì)于同樣的顆粒，如果測(cè)定粒徑的原理和方法不同，那么所 使用的粒徑的含義和數(shù)值就應(yīng)當(dāng)不同，用沉降法所測(cè)得的粒徑的含 義和數(shù)值也就不同。例如，對(duì)于通過(guò)粉

5、碎而制成的粉體，用沉降法 所測(cè)得的粒徑是透氣法的數(shù)倍，使用粒徑的數(shù)據(jù)時(shí)，要求附加說(shuō)明 測(cè)定方法。,三軸徑的計(jì)算式及物理意義,幾何當(dāng)量徑的定義,層流區(qū)的等沉降速度當(dāng)量徑,斯托克斯徑（有效徑）,6,與顆粒的體積相等的球的直徑,體積當(dāng)量徑,3,與顆粒的外表面積相等的球的直徑,表面積當(dāng)量徑,2,與顆粒的投影面積相等的圓的直徑,投影面積當(dāng)量徑,1,與顆粒在流體中的沉降速度相等的球的直徑,等沉降速度當(dāng)量徑,5,與顆粒的比表面積相等的球的直徑,比表面積當(dāng)量徑,4,計(jì)算公式,定 義,名 稱,序號(hào),沿一定方向的顆粒的一維尺度。定向徑包括三種,定向徑,S1,S2,定向最大徑,Martin徑,Feret徑,對(duì)于一個(gè)

6、顆粒，隨方向而異，定向徑可取其所有方向的平均值；對(duì)取向隨機(jī)的顆粒群，可沿一個(gè)方向測(cè)定。,粉體的粒徑具有統(tǒng)計(jì)特征，而不是對(duì)單個(gè)顆粒的尺 寸。所以，一般將顆粒的平均大小稱為粒度。習(xí)慣上可 將粒徑和粒度二詞通用。,顆粒的大小用其在空間范圍所占據(jù)的線性尺寸表示。球性顆粒的直徑就是粒徑（particle diameter）。非球形顆粒的粒徑則用球體、立方體或長(zhǎng)方體的尺寸表示。其中用球體的直徑表示不規(guī)則顆粒的粒徑應(yīng)用得最普遍，稱為當(dāng)量直徑或相當(dāng)徑（equivalent diameter）。,總 結(jié),粒徑的統(tǒng)計(jì)特征,粒徑的表示方法,粉體的描述,最直接的方法是將顆粒的組成情況表達(dá)出來(lái)粒度組成。 粉體的粒度分布

7、嚴(yán)格地說(shuō)都是不連續(xù)的，但大多數(shù)粉體的粒度分布可以認(rèn)為是連續(xù)的。 粒度組成對(duì)粉體取樣實(shí)際測(cè)定。 測(cè)量方法：將連續(xù)的粒度分布范圍分成多個(gè)離散的粒級(jí)，測(cè)出各粒級(jí)中顆粒個(gè)數(shù)或質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。,？如何表征多分散系統(tǒng)的尺寸,尺寸分布的概念 原因：粉體是有不連續(xù)的微粒組成，屬于多分散系統(tǒng)。因此粉體 顆粒的粒徑不是單一的，通常會(huì)在一定范圍內(nèi)連續(xù)取值。即顆粒 的大小服從統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。 粉體的力學(xué)性能，不僅與其平均粒徑 的大小有關(guān)，還與各種粒徑的顆粒在粉體中所占的比例有關(guān)。為 了表示粉體中顆粒大小組成情況，必須要用粒度分布的概念。 定義及意義：描述粒徑分布的狀態(tài)。通常是指某一粒徑的顆粒在 整個(gè) 粉體中所占的比例。有了粒

8、度分布的數(shù)據(jù)，就不難求出這種 粉體的某些特征值，如平均粒徑等從而可以對(duì)成品粒度進(jìn)行評(píng) 價(jià)。,尺寸分布的基準(zhǔn) 1作為分散系統(tǒng)的粉體，其顆粒的大小服從統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。單個(gè) 顆粒的粒徑是在某一范圍內(nèi)隨機(jī)取值，對(duì)整個(gè)粉體，可以用采樣 分析的方法來(lái)測(cè)量粒度分布。（頻率分布與累積分布） 2尺寸分布可以取個(gè)數(shù)、長(zhǎng)度、面積、體積（或質(zhì)量）等4個(gè)參數(shù)中的一個(gè)作為基準(zhǔn)。粒度分布的基準(zhǔn)取決于粒度分布的測(cè)定方法。如用顯微鏡法測(cè)定粒徑分布時(shí)常用個(gè)數(shù)基準(zhǔn)；用沉降法時(shí)用質(zhì)量基準(zhǔn)。,難點(diǎn)： 粒徑的定義有多種，對(duì)于同一種粉體物料，選用不同的粒徑 就會(huì)得到不同的粒徑分布。粉體的粒徑分布通常用實(shí)測(cè)的方法獲得。處理方式也是多種多樣的，如

9、整理成表格、繪成曲線、歸納相應(yīng)的函數(shù)形式。 運(yùn)用尺寸分布的概念時(shí)，應(yīng)當(dāng)明確是什么分布、什么基準(zhǔn)，用的什么粒徑。,1.1.2 顆粒的尺寸分布,測(cè)量/描述方法：將連續(xù)的粒度分布范圍分成多個(gè)離散的粒級(jí) ，測(cè)出各粒級(jí)中顆粒的個(gè)數(shù)或質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。 顯微鏡法 計(jì)數(shù)器法 篩分析法 沉降法 數(shù)學(xué)函數(shù)法,個(gè)數(shù)分布數(shù)據(jù),質(zhì)量分布數(shù)據(jù),概率理論或近似函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)法尋求數(shù)學(xué)函數(shù)，以描述粒度分布,粒 度 的 頻 率 分 布,頻率及頻率分布的概念,粒 度 的 頻 率 分 布,頻率（頻數(shù)）分布曲線 例：用顯微鏡觀察N為300個(gè)顆粒的粉體樣品。經(jīng) 測(cè)定，最小顆粒的直徑為1.5um，最大顆粒直徑為 12.2um。將被測(cè)出的顆粒按由

10、小到大的順序以適當(dāng)?shù)?區(qū)間加以分組（一般取1025組），小于10組數(shù)據(jù)不 準(zhǔn)，大于25組數(shù)據(jù)處理過(guò)程復(fù)雜。取組數(shù)h=12組，區(qū) 間的范圍稱為組距，用DP表示。設(shè)DP= 1um，每 一個(gè)區(qū)間的中點(diǎn)，用di表示。落在每一區(qū)間的顆粒除 以N，便是f（ DP）。將測(cè)量的數(shù)據(jù)加以整理，得 到表,粒 度 的 頻 率 分 布,幾點(diǎn)說(shuō)明 1.頻率或頻數(shù)分布曲線是一樣的，只是縱坐 標(biāo)的取法不同，工程上常用頻率分布曲線。 2. 縱坐標(biāo)的取法有兩種，直接取頻率或頻數(shù) 和取單位組距的頻率。 3. 在頻率分布曲線中，某一粒徑范圍內(nèi)的顆 粒的質(zhì)量占整個(gè)粉體質(zhì)量的百分率等于在該 粒徑范圍內(nèi)的頻率分布曲線下的面積，而頻 率分

11、布曲線下的總面積為1。,累 積 分 布,累積分布的概念 把顆粒大小的頻率分布按一定的方式累積，便得到 相應(yīng)的累積分布。 累積分布表示小于（或大于）某一粒徑的顆粒在全部 顆粒中所占的比例。而頻率分布是表示某一粒徑或粒 徑范圍內(nèi)的顆粒在全部顆粒中所占的比例。,累積分布的類型 1. 將頻率或頻數(shù)按照粒徑從小到大進(jìn)行累積負(fù)累積；所得到 的累積分布表示小于某一粒徑的顆粒的數(shù)量或百分?jǐn)?shù)，曲線又稱為累 積篩下分布曲線,常用D（DP）表示。 2.將頻率或頻數(shù)按照粒徑從大到小進(jìn)行累積正累積；所得到的 累積分布表示大于某一粒徑的顆粒的數(shù)量或百分?jǐn)?shù)，曲線又稱為累積 篩余分布曲線，常用R（DP）表示。,幾點(diǎn)說(shuō)明 工程

12、上累積分布比頻率或頻數(shù)分布曲線用的廣泛。 1. 可以通過(guò)曲線微分求得頻率分布曲線； 2. 根據(jù)累積分布曲線，可以大致估計(jì)粉體中細(xì)小顆粒所占的 比例。,累 積 分 布,頻率分布和累積分布的關(guān)系,總 結(jié),尺寸分布的表示,粉體的尺寸分布（particle diameter distribution）,由于實(shí)際粉體大都由粒度不等的顆粒組成，所以它就存在一個(gè)粒度分布范圍，簡(jiǎn)稱粒度分布。粒度分布通常用簡(jiǎn)單的圖表或函數(shù)形式來(lái)表示。,1）頻度分布（微分型）：用橫坐標(biāo)表示粒徑，縱坐標(biāo)表示各粒徑對(duì)應(yīng)的顆粒百分含量。 2）累積分布（積分型）：用橫坐標(biāo)表示粒徑，縱坐標(biāo)表示小于(或大于)某粒徑的顆粒占全部顆粒的百分含量

13、。,實(shí)際顆粒群的尺寸分布嚴(yán)格說(shuō)都是不連續(xù) 的，但大多數(shù)顆粒群的粒度分布可以認(rèn)為是連續(xù)的。粒度分布的范圍越窄，其分布的分散程度越小，集中度越高。 對(duì)尺寸分布最精確的描述是用數(shù)學(xué)函數(shù)，即用概率理論或近似函數(shù)的經(jīng)驗(yàn)法去尋求數(shù)學(xué)函數(shù)。實(shí)際顆粒的粒度分布取決于其生成條件。,表征尺寸分布的特征參數(shù),中位粒徑D50 粉體物料的樣品中，把樣品的個(gè)數(shù)（或質(zhì)量） 分成 相等兩部分的顆粒粒徑。,最頻粒徑Dmod 頻率分布坐標(biāo)圖中，縱坐標(biāo)最大值對(duì)應(yīng)的粒徑。即在 顆粒群中個(gè)數(shù)或質(zhì)量出現(xiàn)概率最大的顆粒粒徑。 若f(Dp)已知，令f(Dp)的一階導(dǎo)數(shù)為零，可求出Dmod。 若D(Dp)或 R(Dp)已知，其二階導(dǎo)數(shù)為零，可

14、求出Dmod。,標(biāo)準(zhǔn)偏差 分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即粒徑Di對(duì)平均粒徑的二次矩的平方根。 它反映分布對(duì)D平的分散程度。分布函數(shù)中的兩個(gè)參數(shù)D平和完 全決定了粒度分布。,粉體粒度分布/粉體平均粒徑,1個(gè)尺寸是10mm，9個(gè)尺寸是1mm。 如何表示這10個(gè)顆粒的平均尺寸才合理？,概述 為了表征多分散粉體顆粒的大小，除了采用粒度分布之外，還 可以用平均粒徑來(lái)表示（人為定義）。采用平均粒徑，實(shí)際上就是 在某一特征相似的前提下，用假想的均勻系統(tǒng)來(lái)代替實(shí)際的非均勻 分布系統(tǒng)。在運(yùn)用平均粒徑時(shí)必須指明是哪一種粒徑，否則將導(dǎo)致 錯(cuò)誤的結(jié)論（為什么？）,數(shù)學(xué)平均粒徑,統(tǒng)計(jì)粒徑,幾何平均粒徑,1.1.3 平均粒徑,加權(quán)平

15、均粒徑,粒度分布的平均粒徑,1.1.3 平 均 粒 徑,統(tǒng) 計(jì) 粒 徑,1.1.3 平均粒徑,與單個(gè)顆粒的三軸徑不同，統(tǒng)計(jì)粒徑必須用顯微鏡測(cè)定若 干顆粒平面投影的數(shù)據(jù)，再取其平均值，但每個(gè)顆粒都在某 一固定的方向上測(cè)量，故也稱為定向徑。,1.弗雷特徑：在一定的方向上，夾住顆粒平面投影的兩平行線間距離的平均值。 2.馬丁徑：在一定的方向上，將顆粒的投影二等份，分界線與顆粒投影輪廓線兩交點(diǎn)間距離的平均值。 3.定向最大徑：在一定的方向上，顆粒投影輪廓最大寬度的平均值。 顯然，統(tǒng)計(jì)粒徑與顆粒的取向有關(guān)，當(dāng)然只要測(cè)量的顆粒的數(shù)目足夠多，再取其平均值，是可以補(bǔ)償因取向引起的偏差。,數(shù)學(xué)平均粒徑,加 權(quán)平

16、均粒徑,粉體粒度分布的平均徑,動(dòng)量矩平均尺寸,常用的顆粒平均尺寸有：,中間尺寸d50% (medium diameter),最大頻率尺寸,中間尺寸d50顆粒百分?jǐn)?shù)達(dá)到50所對(duì)應(yīng)的顆粒尺 寸。見(jiàn)積累尺寸分布圖。,最大頻率尺寸頻率尺寸分布圖中顆粒頻率峰值所對(duì)應(yīng)的顆粒尺寸。,在頻率尺寸分布圖中平均尺寸對(duì)縱坐標(biāo)的動(dòng)量矩等于所有顆粒尺寸區(qū)間對(duì)縱坐標(biāo)動(dòng)量矩之和。,動(dòng)量矩平均尺寸,粉體粒度分布/粉體平均粒徑,P4 1-21,P4 1-22,粉體尺寸分布寬度定義,Particle size,Particle size distribution,Mean size,size distribution wide,粒度分布/平均粒徑,尺寸分布寬度（size distribution wide）,D84%、D16% 分別為顆粒累計(jì)百分?jǐn)?shù)為84和16所對(duì)應(yīng)的顆粒尺寸。,顆粒尺寸分布寬度,粒度分布/平均粒徑,1.1.4顆粒的密度,（一）密度 1、定義：材料的密度是指材料在絕對(duì)密實(shí)狀態(tài)下單位體積的質(zhì)量，按下式計(jì)算：= m/VP 式中：-密度(kg/m3) m-材料質(zhì)量（kg） VP-材