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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(wú)所不在 空氣 海洋 湖泊 水 土壤 太空 多種來(lái)源 Chapter1粉體工程概論 a 自然界 巖石風(fēng)化 火山活動(dòng) 河流沖擊等等 b 人工 工業(yè) 幾乎每一固體材料在制備開(kāi)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(shuō)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(lái)說(shuō)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(duì)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(jí)超細(xì)粉 加速燒結(jié)過(guò)程中動(dòng)力學(xué)過(guò)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(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(guò)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(huì)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(guó)改革開(kāi)放以來(lái)出口創(chuàng)匯增長(zhǎng)最快的產(chǎn)品 其巨大貢獻(xiàn)是不爭(zhēng)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(guò)53 7億美元 九五 期間超過(guò)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(zhǎng)勢(shì)頭 估計(jì) 十五 期間將超過(guò)180億美元以上 重要的戰(zhàn)略資源石墨 我們國(guó)家占世界儲(chǔ)量的90 以上 是世界上的最大出口國(guó) 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(guó)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(yǔ)Particula 希臘語(yǔ)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(guò)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(jí) 分離 均化 混合 輸送 儲(chǔ)存 改性 造粒 粉塵爆炸以及粉體特性的研究和測(cè)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(kāi)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(guó)FineParticle協(xié)會(huì) 歐洲粉體技術(shù)研討會(huì)InternationalCongressonParticleTechnologyInternationalMineralProcessingCongress歐洲粉碎協(xié)會(huì) EuropeanSymposiumonComminution 國(guó)際粉碎研究學(xué)會(huì) InternationalComminutionResearchAssociation 國(guó)際礦物工程粉碎協(xié)會(huì) MineralsEngineeringInternational ComminutionAssociation 2020 4 21 20 日本是比較重視粉體技術(shù)研究開(kāi)發(fā)的國(guó)家1956年日本粉體工學(xué)研究會(huì) 粉體工學(xué)會(huì)志 他們于1971年成立日本粉體工業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì) APPIE 的標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì) 并在1982年開(kāi)始與日本工業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)查會(huì)和ISO國(guó)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(guó)際研究組織 著名研究機(jī)構(gòu)與學(xué)者 國(guó)外美國(guó)國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)外美國(guó)杜邦公司美國(guó)P M 公司美國(guó)斯特蒂文特公司美國(guó)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(guó)Alpine公司德國(guó)Bosch集團(tuán)德國(guó)耐馳 Netzsch 公司法國(guó)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(guó)科學(xué)院過(guò)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(méi)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(jí)到納米級(jí)的一系列超細(xì)材料 狹義上是指從微米級(jí) 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(jí) 1 m 亞微米級(jí) 0 1 1 m 納米級(jí) 0 1 m 部分學(xué)者的顆粒的單元尺度概念 可開(kāi)發(fā)出多種新功能材料 物質(zhì)新?tīng)顟B(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(lái)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(guò)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?tīng)顟B(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(guò)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?tīng)顟B(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(duì)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(lái)越重要 也是這門課程開(kāi)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(cè)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(guó) 國(guó)家基金會(huì)把納米科學(xué)列為優(yōu)先支持領(lǐng)域 英國(guó) 作為重振英國(guó)制造業(yè)的突破口 德國(guó) 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(guò)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(jí)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(duì)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(jí)的表面原子便不能不對(duì)顆粒的性質(zhì)產(chǎn)生影響 銅顆粒的粒徑和表面能邊長(zhǎng)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(duì)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(méi)有明確范圍 返回首頁(yè) 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(duì)象 不屬UFP范圍 工業(yè)上無(wú)應(yīng)用 若d50 無(wú)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(lái)各種超細(xì)粉體原料的需求量呈快速增長(zhǎng) 據(jù)統(tǒng)計(jì) 中國(guó)在90年代之前 非金屬礦物超細(xì)粉產(chǎn)品還不足5萬(wàn)t 96年已超過(guò)30萬(wàn)t 2000年超過(guò)50萬(wàn)t 2005年國(guó)內(nèi)需求量將達(dá)140萬(wàn)t 預(yù)計(jì)2010年將達(dá)200萬(wàn)t 超微粉體 工業(yè)應(yīng)用 2020 4 21 41 對(duì)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(wàn) 3 5 m3 4萬(wàn) 1 m10 15萬(wàn) SiC原料 5400元 深加工與普通加工的差價(jià) 可見(jiàn)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(jí) 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(jí) 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(jí) 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(guò)90 沒(méi)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(wú)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(wèn)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(wèn)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(jí)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(duì)其進(jìn)行提純 粉碎和分級(jí)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(jí)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(jí)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(zhǎng)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(rùn)土 蛋白土 珍珠巖等經(jīng)過(guò)除雜提純 活化處理 粉碎分級(jí) 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(duì)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(dòng)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(dòng)控制 質(zhì)量檢測(cè)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(guó)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展 許多專門從事超微粉體技術(shù)研究 開(kāi)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(guó)與超微粉體工程相關(guān)聯(lián)的企業(yè)也已超過(guò)一千家 全國(guó)各類超細(xì)粉碎和分級(jí)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(huì)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(wàn)噸 需要超細(xì)粉碎設(shè)備980套 超細(xì)分級(jí)機(jī)1300臺(tái) 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(chǎng) 其需求量與非金屬礦行業(yè)相當(dāng) 2020 4 21 49 我國(guó)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