第三章 粉體的物性與流變學(xué).ppt

1、1.第三章粉末的物理性質(zhì)和流變性，粉末的密度，粉末的填充和堆積特性，粉末的流變性，粉末之間的潤(rùn)濕性，2。第一節(jié)粉末密度，指每單位體積的粉末質(zhì)量。粉末的密度根據(jù)不同的體積可以分為真密度、顆粒密度、松密度和振實(shí)密度。1.粉末密度的概念。3.1 .真實(shí)密度(t)處于絕對(duì)致密狀態(tài)的材料的單位體積質(zhì)量是指粉末質(zhì)量(w)除以排除顆粒內(nèi)部和外部空隙的體積(真實(shí)體積Vt)所獲得的密度。t=w/Vt，4，2，顆粒密度g，指粉末質(zhì)量除以顆粒體積Vg得到的密度。顆粒體積(Vg):包括封閉孔的體積，但不包括顆粒表面上的凹孔、裂紋和開(kāi)孔，g=w/Vg，或p，5，粉末質(zhì)量除以粉末占據(jù)的容器體積v(堆積體積)堆積體積(Vb

2、):包括顆粒體積和顆粒之間的間隙。3.堆積密度)b也稱為表觀密度、堆積密度和填充體積，b=w/Vb，6。當(dāng)填充粉末時(shí)，在規(guī)則振動(dòng)或敲擊后測(cè)量的密度稱為敲擊密度(bt)。4。振實(shí)密度Bt，Bt=w/v，如果顆粒致密且無(wú)孔，則t=g一般為：t g bt b，7。(一)確定真實(shí)密度和顆粒尺寸：通常的方法是用液體或氣體代替粉末。液體浸漬法：通過(guò)加熱或減壓脫氣來(lái)測(cè)量粉末排出的液體體積，這是粉末的真實(shí)體積。2.粉末密度的測(cè)量方法；8.比重瓶法。測(cè)量原理：將粉末放入裝有液體介質(zhì)的容器中，讓液體介質(zhì)充分浸入粉末顆粒的開(kāi)口中。根據(jù)阿基米德原理，測(cè)量粉末的顆粒體積，然后計(jì)算單位顆粒體積的質(zhì)量。比重瓶法的基本步驟如

3、下：(1)比重瓶體積的校準(zhǔn)(2)粉末質(zhì)量的稱量(3)粉末體積的測(cè)量(9)將粉末放入容器中測(cè)量的體積包括粉末的真實(shí)體積、顆粒的內(nèi)部間隙、顆粒之間的間隙等。測(cè)量容器的形狀和尺寸、填充速度和材料的填充方法都影響粉末體積。沒(méi)有施加外力時(shí)測(cè)得的密度為松密度，施加外力且粉末處于最緊密填充狀態(tài)時(shí)測(cè)得的密度為振實(shí)密度。(2)松散密度和振實(shí)密度的測(cè)量，10。松密度測(cè)量裝置1，(a)裝配圖，(b)流動(dòng)漏斗，(c)量杯，11。松密度測(cè)量裝置2，(1)漏斗，(2)阻尼箱，(3)阻尼擋板，(4)量杯，(5)顆粒內(nèi)空隙率=(Vg-Vt)/Vg=1-g/t顆粒間空隙率=(V-Vg)/V=1- b/g總空隙率=(V -Vt)

4、/V=1- b/t，1。粉末的孔隙率，2。粉末的填充和堆積，13 2。粉末填充率；3.粉末顆粒的填充和堆積；3.1等直徑球形顆粒群的規(guī)則堆積，排列層：正方形排列層和單斜排列層或六邊形排列層。通過(guò)總結(jié)基本排列層次，可以得到六種排列形式。立方體最密堆積，立方體，正交立方體，面心立方，正交立方體，楔形四面體，六邊形最密，15，單位體：由八個(gè)相鄰球體的中心連接而成的平行六面體。最疏松、最致密和等直徑球形顆粒規(guī)則堆積示意圖，配位數(shù)：粉末填充實(shí)施例中一個(gè)顆粒和相鄰顆粒之間的接觸點(diǎn)數(shù)量，等直徑球規(guī)則填充的結(jié)構(gòu)特征，空隙率的推導(dǎo)(立方最致密填充)假設(shè)單元的邊長(zhǎng)為，球的半徑為R，18， 從等徑球形粒子的六種填充

5、性質(zhì)可以看出：a .等徑球形粒子規(guī)則填充的填充率隨著配位數(shù)的增加而增加； 最松散的包裝是6號(hào)配合的包裝，其填充率只有52.36%。最緊密的包裝是配位數(shù)為12的包裝，其填充率為74.06%。，20，21，3.2隨機(jī)或不規(guī)則填充，1)隨機(jī)密實(shí)填充：=0.3590.375 2)隨機(jī)傾倒填充：=0.3750.391 3)隨機(jī)稀疏填充：=0.40.41 4)隨機(jī)極稀疏填充：=0.460.47，(2)局部填充結(jié)構(gòu)排列結(jié)構(gòu)的局部變化(如孔隙率分布、填充數(shù)密度分布和接觸點(diǎn)角度分布等)。)對(duì)粉末現(xiàn)象有很大影響。23，(3)材料的含水量形成聚集體，這降低了整個(gè)材料的堆積速率。濕材料顆粒表面的吸水導(dǎo)致顆粒之間形成液

6、橋力，從而增加顆粒之間的粘附力，形成二級(jí)和三級(jí)顆粒，即聚集體。因?yàn)轭w粒的尺寸大于初級(jí)顆粒的尺寸，顆粒內(nèi)部保持松散的結(jié)構(gòu)。顆粒之間的內(nèi)聚力阻礙了顆粒在填充過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)。(4)顆粒形狀的空隙率隨著球形度的降低而增加。粗糙度系數(shù)的孔隙率隨著粗糙度系數(shù)的增加而增加。(6)顆粒尺寸越小，由于顆粒之間的團(tuán)聚導(dǎo)致的孔隙率越大。當(dāng)粒徑為一定值時(shí)，粒徑對(duì)顆粒堆積速率的影響不再存在，比值為臨界值。隨著顆粒尺寸的增加，與顆粒的重力相比，內(nèi)聚力的影響可以忽略不計(jì)。粒度變化對(duì)堆積速率的影響大大降低。因此，在細(xì)顆粒系統(tǒng)中，顆粒尺寸大于或小于臨界顆粒尺寸的材料在顆粒行為中起重要作用。(7)物料堆積的填充速度對(duì)于粗顆粒，較高

7、的填充速度會(huì)導(dǎo)致松散的物料，但是對(duì)于像面粉這樣具有內(nèi)聚力的細(xì)粉，較高的進(jìn)料速度會(huì)導(dǎo)致更密集的堆積。非均勻球形顆粒的填充結(jié)構(gòu)。對(duì)于兩種不同粒徑的球形顆粒，小顆粒粒徑越小，填充率越高，填充率隨大小顆粒的混合比而變化。當(dāng)大顆粒的質(zhì)量比為70時(shí)，填充率最高。28，當(dāng)單獨(dú)填充密度為1的大顆粒時(shí)，它們的空隙率為1，用2和2的小顆粒填充大顆粒的空隙，那么每單位體積填料的大顆粒質(zhì)量W1為W1(11) 1小顆粒質(zhì)量W2 1 (1 2) 2當(dāng)混合物中大顆粒的質(zhì)量比為1 2和12 0.4時(shí)，對(duì)于相同材料的球形顆粒，最大填充率的大顆粒的質(zhì)量比為0.71。在第三部分中，粉末的流變性和流動(dòng)性與顆粒的形狀、尺寸、表面狀態(tài)、

8、密度和孔隙率有關(guān)。粉末的流動(dòng)形式：重力流、振動(dòng)流、壓縮流、流化流。粉末流動(dòng)性，31，32，1。由于顆粒間的摩擦和內(nèi)聚力，粉末的摩擦角統(tǒng)稱為摩擦角。類型：休止角、內(nèi)摩擦角、壁摩擦角、滑動(dòng)角；2.粉末流動(dòng)性的評(píng)價(jià)和測(cè)量方法；33.靜力平衡狀態(tài)下粉末堆積層的自由斜率與水平面形成的角度。根據(jù)這個(gè)表達(dá)式，流動(dòng)性越小越好，可以認(rèn)為是粉末的“粘度”。常用的測(cè)量方法：注入法、排放法、傾角法。休止角、34、2.1休止角法，將粉末注入直徑有限的圓盤(pán)中心，直到粉末堆積層斜邊上的材料自動(dòng)沿圓盤(pán)邊緣流出，停止注射并測(cè)量休止角。tan=h/r，35，塌陷角：測(cè)量休止角后，重物自由下落至一定高度，導(dǎo)致樁振動(dòng)，此時(shí)形成錐角。

9、休止角和塌陷角。對(duì)于細(xì)顆粒，休止角與粉末流出容器的速度、容器的提升速度和轉(zhuǎn)鼓的轉(zhuǎn)速有關(guān)。休止角不是細(xì)顆粒的基本物理性質(zhì)：球形顆粒：=2328，具有良好的流動(dòng)性。規(guī)則顆粒：30，流動(dòng)性好。不規(guī)則顆粒：35，平均流動(dòng)性。極不規(guī)則顆粒：40，流動(dòng)性差。、36、37、2.2影響休止角的因素，(1)顆粒的形狀，(2)顆粒的尺寸，(3)粉末的填充狀態(tài)。對(duì)于不同的粉末，空隙率越大，空隙率越小，休止角越大(接觸點(diǎn)越多)。(4)振動(dòng)。(5)當(dāng)壓縮空氣被引入粉末時(shí)，它停止。流出速率越大，粉末的流動(dòng)性越好。3。流速，39。3.1流速測(cè)量，m:流出粉末的總質(zhì)量，s:粉末的比表面積，r:粗糙度系數(shù)，S0:孔隙面積，40

10、，1。增加顆粒尺寸以使粘合劑粉末顆粒?；?，從而減少顆粒之間的接觸點(diǎn)以及顆粒之間的粘附和內(nèi)聚力。2.顆粒形態(tài)和表面粗糙度球形顆粒的光滑表面可以減少接觸點(diǎn)和摩擦。3.適當(dāng)?shù)母稍锖退趾坑欣谙魅躅w粒間的作用力。4.添加助流劑的影響添加0.5%2%滑石粉、硅膠粉等助流劑可以大大改善粉體的流動(dòng)性。但是過(guò)度使用會(huì)增加抵抗力。3.2粉末流動(dòng)性的影響因素及改善方法，41，4，內(nèi)摩擦角4.1粉末流動(dòng)性的特點(diǎn)粉末層受力小，粉末層外觀不變；當(dāng)作用力達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)，粉末層突然坍塌前的狀態(tài)稱為極限應(yīng)力狀態(tài)。42，4.2的極限應(yīng)力給粉末層的任何表面增加了一定的垂直(正)應(yīng)力。如果沿該表面的剪切應(yīng)力逐漸增加，當(dāng)剪切應(yīng)力

11、達(dá)到某一極限值時(shí)，粉末將沿該表面滑動(dòng)。垂直(法向)應(yīng)力：應(yīng)力方向垂直于微型元件的平面；剪應(yīng)力(剪應(yīng)力):應(yīng)力作用的方向平行于微元平面，43，4.3粉末層的庫(kù)侖定律應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：4.4如果滑動(dòng)面上的剪應(yīng)力與垂直應(yīng)力成正比，44，C=0，粉末顆粒之間的粘附可以忽略，所以流動(dòng)性好，C0屬于粘性粉末。影響初始剪切強(qiáng)度的因素：溫度、粒度和粒度分布儲(chǔ)存時(shí)間、填充度、45、4.5內(nèi)摩擦角、粉末層上任意點(diǎn)的應(yīng)力關(guān)系、46、4.6內(nèi)摩擦角的測(cè)定、直剪試驗(yàn)、47、48、5、壁面摩擦角和滑動(dòng)摩擦角、壁面摩擦角():粉末層與壁面之間的滑動(dòng)角():粉末層中各顆粒與壁面之間的摩擦角。(研究顆粒在旋風(fēng)分離和收集料斗中沿錐

12、壁下降的過(guò)程)，49，6，應(yīng)力(或應(yīng)變)圖上的莫爾圓(二元應(yīng)力系統(tǒng))顯示了應(yīng)力(或應(yīng)變)分量之間的關(guān)系圓在受力物體的每個(gè)截面上的一個(gè)點(diǎn)上。粉末層中任意點(diǎn)處的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力可以用最大主應(yīng)力1、最小主應(yīng)力3以及有效表面和有效表面之間的夾角1來(lái)表示。50，-直線是直線A:靜止時(shí)-直線B:臨界流動(dòng)狀態(tài)/流動(dòng)狀態(tài)-直線是直線C:不會(huì)出現(xiàn)，粉末處于靜止?fàn)顟B(tài)，粉末不會(huì)沿該平面滑動(dòng)。7.粉末流動(dòng)和臨界流動(dòng)的充要條件摩爾-庫(kù)侖定律，52，表明材料的壓縮程度；尺寸反映了粉末的內(nèi)聚力和柔軟度。C=(bt-b)/bt 100% C為可壓縮性；b是最松散的密度；Bt是抽頭密度。當(dāng)壓縮度小于20%時(shí)，流動(dòng)性較好。當(dāng)壓縮

13、程度增加時(shí)，流動(dòng)性降低。8、可壓縮性)，53、靜態(tài)壓縮：整個(gè)表面均勻壓縮：沖擊壓縮錘壓縮爆炸壓縮，8.1壓縮模式，54、壓縮引起粉末顆粒和內(nèi)部顆粒之間的變化：(1)粉末顆粒相互推動(dòng)，壓縮能量消耗在顆粒之間的摩擦上；(2)粉體中的橋坍塌，壓力能消耗在粉體與壁的摩擦上；(3)粉末顆粒之間的物理接合，并且壓力能量在顆粒變形時(shí)被消耗并用作殘余應(yīng)力；(4)粉末顆粒的破壞，壓縮能量消耗在顆粒的變形和破壞上，8.2壓縮過(guò)程，拱橋效應(yīng)：顆粒相互交叉和咬合，形成一個(gè)拱橋空間，55。當(dāng)粉末顆粒B落在A上并且粉末B的重力為G時(shí)，在接觸處產(chǎn)生反作用力，合力為P，其等于G，但是方向相反。粉末自由堆積的孔隙率通常比理論計(jì)

14、算值大得多，56、材料、固定螺釘、bt、b、8.3壓縮性的測(cè)量、57、測(cè)量壓縮性的儀器攻絲測(cè)試儀、58、9、開(kāi)放屈服強(qiáng)度f(wàn)c、開(kāi)放屈服強(qiáng)度：在垂直于自由表面的表面上只有法向應(yīng)力而沒(méi)有剪切應(yīng)力。該法向應(yīng)力意味著破拱的最大法向應(yīng)力fc是粉末的物理性質(zhì)，并且筒倉(cāng)是拱形的。根據(jù)59、60和9.1的開(kāi)放屈服強(qiáng)度(fc)的測(cè)量，壓實(shí)的粉末樣品不塌陷(B)，并且具有一定的壓實(shí)強(qiáng)度，即開(kāi)放屈服強(qiáng)度。粉末樣品塌陷(C)，粉末的開(kāi)放屈服強(qiáng)度為0。fc小的粉末流動(dòng)性好，不易起拱。61，10，流量函數(shù)，62，3。影響粉末流動(dòng)的因素，1。溫度和化學(xué)變化2。濕度3。顆粒大小4。振動(dòng)4。影響5。63。第四節(jié)。粉末之間的力，

15、1。粘附和內(nèi)聚力粘附：指不同分子之間的吸引力，如粉末顆粒與壁之間的粘附(粘附)；內(nèi)聚力：指相同分子之間產(chǎn)生的吸引力(內(nèi)聚力)，64。粘附和凝聚的主要原因是：在干燥狀態(tài)下的范德瓦爾斯力(取向力、感應(yīng)力、分散力)，在潮濕狀態(tài)下通過(guò)靜電力的液橋和固橋，液橋存在于粉末和固體或粉末顆粒之間的間隙中，溶解的溶質(zhì)干燥并沉淀晶體，65。第二，分子間力作用在粉末顆粒的分子間范德華力上：對(duì)于半徑分別為R1和R2的兩個(gè)球形顆粒，分子間力FM為：對(duì)于球與板之間的距離：h，nm A Hamaker常數(shù)，J，66，例直徑為1m的相同物質(zhì)的球形顆粒的密度為10103kg/m3，當(dāng)兩者的表面。67，3。靜電作用，充電方式：(1)表面摩擦帶電(2)與帶電表面接觸(3)氣體離子的擴(kuò)散，Q1粒子和Q2粒子的表面電荷，C粒子和A粒子之間的表面距離Dp粒子直徑68，(1)潤(rùn)濕作用，潤(rùn)濕作用：一種流體在凝聚態(tài)物質(zhì)表面取代另一種流體的過(guò)程。粉體的潤(rùn)濕性是指固體界面從固-氣界面轉(zhuǎn)變?yōu)楣?液界面的現(xiàn)象。潤(rùn)濕、潤(rùn)濕和鋪展；4.顆粒之間的毛細(xì)作用力，69，(1)液體、固體和固體在固體表面的潤(rùn)濕過(guò)程示意圖，70。粘著功，在等溫和等壓條件下，單位面積液