粉體科學與工程基礎課后習題及計算題解答

1、第一章 1.顆粒密集態(tài)和顆粒離散態(tài)的特點是什么兩者的聯(lián)系與區(qū)別是什么 答在顆粒密集態(tài)中通常顆粒是主體顆粒通過至少一個直至有限個點與其他顆粒相接處顆粒自身的重力或兼有施加的外力經由這些接觸點在顆粒之間平衡和傳遞。由于顆粒間的接觸限于有限個幾何點而達不到顆粒全面接觸因此密集態(tài)顆粒間存在著空隙結構。 在顆粒離散態(tài)中通常流體是主相顆粒在流體介質中被流體全面包圍顆粒間不發(fā)生穩(wěn)態(tài)接觸顆粒自身的重力由流體流動的粘性力和慣性力或由于超細顆粒熱運動形成的擴散作用或顆粒靜電作用及溶劑化膜作用等達到平衡使顆粒在流體中形成懸浮或沉降態(tài)。因為顆粒間距離通常大于顆粒尺寸所以顆粒離散態(tài)通常是以顆粒濃度取代空隙率來表征顆粒與

2、流體間的相互影響作用。 兩者具有相對性兩者之間可以相互轉化當粉體中流體介質增加到足以使顆粒間互不接觸時顆粒密集態(tài)就轉化為顆粒離散態(tài)如顆粒流態(tài)化、顆粒浸漬濕潤和攪拌稀釋。當分體中流體介質減少到足以使顆粒間相互接觸時顆粒離散態(tài)就轉化為顆粒密集態(tài)如顆粒沉積、濃縮和顆粒大范圍的凝聚等。他們的重要區(qū)別是顆粒聚集態(tài)是將所有顆粒同事作為整體對象進行粉體性狀和行為的研究而顆粒離散態(tài)則是將每個顆粒分別作為單一對象進行粉體性狀和行為的研究。 2什么是超微粉體的表面效應和量子尺寸效應 答前者指隨著尺寸的減小表面原子數(shù)量占顆?？傇訑?shù)量的比例增加而表面原子因一側失去最鄰近原子的成鍵力引起表面原子的擾動使得表面原子和近

3、表面原子距離較體內原子大并產生“再構”現(xiàn)象。同時隨著尺寸的減小顆粒比表面積和表面能增加使得顆粒表面的活性大大提高由此產生所謂超細粉體的表面效應。 后者指當顆粒尺寸減小到某一值時金屬費米能級附近相鄰的電子能級由準連續(xù)態(tài)變?yōu)殡x散態(tài)的現(xiàn)象。 第二章1單顆粒的粒徑度量主要有哪幾種各自的物理意義是什么 答主要有軸徑、球當量徑、圓當量徑和定向徑。 軸徑是指以顆粒某些特征線段通過某種平均方式來表征單顆粒的尺寸大小。 球當量徑是指用與顆粒具有相同特征參量的球體直徑來表征單顆粒的尺寸大小。 圓當量徑是指用于顆粒具有相同投影特征參量的直徑來表征單顆粒的尺寸大小。 定向徑是指在以光鏡進行顆粒形貌圖像的粒度分析中對所

4、統(tǒng)計的顆粒尺寸度量均與某一方向平行且以某種規(guī)定的方式獲取每個顆粒的線性尺寸作為單顆粒的粒徑。 2粉體分布方程的主要形式有哪幾種？各自使用的范圍是什么？答1.正態(tài)分布某些氣溶膠和沉淀法制備的粉體起個數(shù)分布近似符合這種分布。 2.對數(shù)正態(tài)分布大多數(shù)粉體尤其是粉碎法制備的粉體較為符合對數(shù)正態(tài)分布器頻度曲線是不對稱的曲線峰值偏向小粒徑一側。 3.Rosin-Rammler分布對于粉體產品或粉塵特別在硅酸鹽工業(yè)中如煤粉、水泥粉碎產品較好的符合該分布。4.Gates-Gaudin-Schumann分布對于某些粉碎產品如顎式破碎機、輥式破碎機和棒磨機等粉碎產品較好的符合該分布。 3.如何根據(jù)粒度測試數(shù)據(jù)來確

5、定粉體的粒度分布方程形式和相應的參數(shù)值 答 4.顆粒形狀影響粉體哪些重要的性質 答顆粒形狀影響粉體的比表面積、流動性、堆積性、附著性、流體透過阻力、化學反應活性和填充材料的增強、增韌性等。 5顆粒的形狀系數(shù)有哪幾種各自的物理意義是什么 答體積形狀系數(shù)()、表面積形狀系數(shù)()、比表面積形狀系數(shù)(或)、Carman形狀系數(shù)()。 6如何根據(jù)顆粒投影輪廓線圖形計算其分數(shù)維數(shù) 答1嚴格等步長法在顆粒的投影輪廓線上給定起點、步長和計算方向一等步長沿顆粒輪廓線行走直至全部輪廓線走完。此法較麻煩但是計算精度高。 2等點數(shù)法在顆粒的投影輪廓線上給定起點和計算方向步長由每步中跨過的點數(shù)決定即每步跨國相同的點數(shù)直

6、至全部輪廓線走完。此法計算簡潔但是有一定誤差。 3混合算法結合前兩種算法的優(yōu)點起點開始多邊形下一個定點為最接近給定步長的那個點。7在粉體的比表面積定義中粉體顆粒的總表面積指的是什么面積 答指的是顆粒輪廓所包絡的表面積與呈開放狀態(tài)的顆粒內部空隙、裂縫表面積之和。 8在單顆粒或顆粒群平均粒徑的比表面積計算與基于粒度分布的比表面積計算有何區(qū)別 答當以單個顆粒粒徑計算相應的比表面積或以尺寸為平均粒徑值的顆粒粒徑來計算相應的比表面時我們可以通過顆粒形狀因子有關定義獲取比表面積的計算式。 基于顆粒群平均粒徑的比表面積計算式一種相對平均算法由于忽略了粒度分布一些具體的差異所以并不完全反映粉體的計算比表面積值

7、。 第三章 1影響顆粒堆積結構的主要因素有哪些 答第一類涉及顆粒本身的集合特性如顆粒大小、粒度分布及顆粒形狀第二類涉及顆粒間作用力和顆粒堆積條件如顆粒間接觸點作用力形式、堆積空間的形狀與大小、堆積速度和外力施加方式與強度等條件。 2如何根據(jù)顆粒堆積密度和顆粒真密度確定粉體空隙率和堆積率 答空隙率是指顆粒堆積體中空隙所占的容積率即=顆粒堆積體中空隙的體積/顆粒堆積體表現(xiàn)體積=顆粒堆積體表現(xiàn)體積-顆粒真實體積/顆粒堆積體表現(xiàn)體積 即=1-a/p。 p為顆粒真密度 a為顆粒堆積體表觀密度。 堆積率是指顆粒堆積體中顆粒所占的容積率亦稱填充率。堆積率與空隙綠地額關系為 =1-=a/p。 3為什么說顆粒大

8、小、粒度分布及顆粒形狀是能否形成致密堆積的必要條件而不是充分條件 答 4如何理解粗、細二組元混合顆粒堆積理論對致密堆積的指導意義 答1當組分接近百分之百為粗顆粒時堆積體的表觀體積由粗顆粒決定細顆粒作為填充進入粗顆粒的空隙中細顆粒不占有堆積表觀體積 2當組分接近百分之百為細顆粒時細顆粒形成空隙并堆積在粗顆粒周圍堆積體的表觀體積為細顆粒的表觀體積和粗顆粒的體積之和。 5如何依據(jù)實堆積理論來判斷粉體致密堆積性能分析致密堆積理論的局限性。 答根據(jù)二組元混合顆粒堆積結論過多的微細顆粒堆積將形成空隙。所謂“極多”仍是個相對概念畢竟在相同質量下微細顆粒的堆積要比單個顆粒的體積大因此理論上的致密堆積是難以實現(xiàn)

9、的。 6粉體致密堆積的經驗有哪些 答1用單一粒徑尺寸的顆粒不能滿足致密堆積對顆粒級配的要求 2采用多組分且組分粒徑尺寸相差較大一般相差45倍的顆?？奢^好的滿足致密堆積對粒度與級配的要求 3細顆粒數(shù)量應足夠填充堆積體的空隙兩組分時粗、細數(shù)量比例約為7：3三組分時粗、中、細顆粒數(shù)量比例約為7：1：2時相對而言可更好的滿足致密堆積對粒度與級配的要求。 4在可能的條件下適當增大臨界顆粒粗顆粒尺寸可較好地滿足致密堆積對粒度與級配的要求。 第四章 1.顆粒間的內聚力有哪些 答范德華力Fv 靜電吸引力Fe 液體橋聯(lián)力Flb 固體橋聯(lián)力Fsb。 2.為什么說分子間作用是短程力對顆粒間的分子作用力是長程力 答對

10、于塊狀固質范德華力是短程力但是對由于極大量分子集合體構成的體系顆粒來說這種分子力隨著顆粒間距離的增大其衰減程度明顯變緩。這是由于尺寸微小且相對分散的顆粒分別集合了大量分子使分子間作用力形成協(xié)同作用效果。因此對顆粒來說范德華力可在表面最短距離l約100nm范圍內起作用而通常認為固體緊密接觸時表面距離可達l=0.4nm所以顆粒間的范德華力是不能忽視的。 3.如何通過實驗獲得粉體層極限應力狀態(tài)下的壓應力與剪應力之間的變化關系 答1Jenike剪切法實驗是通過對裝入上、下兩個矩形剪切盒中的被測粉體施加大小不同的垂直壓應力并以相應的剪切應力使粉體層沿上、下剪切盒接觸面產生滑移破壞即在極限應力狀態(tài)下獲得破

11、壞面上的一組應力值。使之形成線性或非線性關系即反映了被測粉體層的力學性質。2三軸壓縮法實驗是將被測粉體裝入一個薄橡膠套中使之成為高度約為直徑22.5倍圓柱體薄橡膠套可是為對粉體只產生垂直壓應力而不產生剪切應力的理想約束。極限應力狀態(tài)下獲得破壞面上的一組應力值。并做出莫爾圓 莫爾圓的包絡線形成線性或非線性關系即反映了被測粉體層的力學性質。 4.如何利用莫爾圓來分析粉體間應力狀態(tài) 答P52 5.如何獲得粉體的內摩擦角壓應力和剪應力的三種變化關系對應的粉體屬性是什么 答定義粉體層剪應力隨壓應力的變化率為粉體的內摩擦系數(shù)。內摩擦角為內摩擦系數(shù)的反正切。 1 理想庫倫粉體兩者為一條通過原點的直線。2庫倫

12、粉體兩者為一條不通過原點的直線。3非庫倫粉體兩者為一條不通過原點的曲線。 6.粉體層最大主應力的概念是什么粉體層主動和被動側壓力系數(shù)的含義是什么 答粉體層在壓應力作用下達到極限應力狀態(tài)時的主應力。被動狀態(tài) Kp=hp/vp=1+sini/1-sini。主動狀態(tài)Ka=ha/va =1-sini/1+sini。 7.為什么說尺寸細微的顆粒以休止角來表征流體性的意義已不明確 答休止角是粉體在重力驅使下自由流動所形成的摩擦角對于尺寸細微的顆粒其內聚力接近或大于重力重力不是粉體流體的支配力堆積形狀主要取決于內聚力時以休止角來表征粉體流動性意義已不明確且此時休止角實際測試值也不穩(wěn)定。 8.粉體層開放屈服強

13、度的概念是什么如何獲取粉體層開放屈服強度 答在一壁面勿摩擦的理想圓柱型筒體內裝入粉體并在粉體層表面施加一密實壓應力使粉體具有一定的密實強度。取下筒體在側壁勿任何約束力作用的情況下若已成型的粉體能承受某一最大壓應力而不潰塌則表明粉體具有與最大壓應力相等的密實強度。這一強度稱為粉體層開放屈服強度。 粉體層開放屈服強度可通過粉體層屈服軌跡和莫爾圓獲得。做一與屈服軌跡相切的莫爾圓該圓與軸的交點即為粉體層開放屈服強度。 9.粉體流動函數(shù)的概念是什么與粉體流動性之間關系如何 答粉體流動函數(shù)FF定義為FF=1/fc 。1為粉體密實所施加的最大主應力。fc為粉體開放屈服強度。在一定密實應力1作用下fc小的粉體

14、FF值較大即流動性好。當fc為0時FF趨近與無窮大。粉體能完全自由流動。10.粉體壓縮成型時壓縮應力的選擇依據(jù)是什么 答第一階段 顆粒間相互推擠、移動顆粒重新排列。加壓能量主要用于克服顆粒間摩擦。 第二階段 顆粒間架橋崩潰小的顆粒鍵進入大的顆粒間空隙自己哦蠻好部分顆粒開始出現(xiàn)變形趨勢。加壓能量主要用于克服顆粒間摩擦和與器壁的摩擦。 第三階段 顆粒表面凹凸部分被破壞并產生緊密嚙合顆粒間形成能具有一定強度的結合。加壓能量主要用于產生顆粒變形和殘余應力貯存。 第四階段 少量顆粒產生破壞堆積體的壓縮硬化趨于極限。若進一步增大壓力顆粒破壞量增加。加壓能量主要用于顆粒變形、硬化和破壞。 第五章 1.聯(lián)系粉

15、體工程實際分析基于顆粒自由沉降速度操作的一些裝臵的工作原理. 答 2.流體對顆粒的運動阻力由哪兩部分組成阻力系數(shù)與顆粒雷諾數(shù)之間的關系 答阻力R和重力G. 阻力系數(shù)C=fRep 3.影響自由沉降的因素有哪些如何修正 答1顆粒的直徑 Dp2顆粒的真密度p 3流體的動力粘度和密度. 顆粒沉降速度修正顆粒尺寸的影響、顆粒形狀修正、壁效應修正、濃度修正 其一是利用不同粒徑的顆粒其沉降速度的差異可將同種粉體按其顆粒尺寸的大小進行分級或分離處理。其二是利用不同密度的顆粒其沉降速度的差異可將不同粉體按其顆粒密度的大小進行分選處理。 4.分析Carman-Kozeny公式在實際中的應用。 答 5.分析Carm

16、an-Kozeny公式的建模過程總結工程分析方法。 6.分析流化床的流態(tài)化過程及特性如何確定流化床操作速度范圍及床層壓降 答當流化床凈空速度較低且uf<umf時床層處于靜止狀態(tài)即為顆粒固定床。床層孔道內的流體速度uf和床層壓降p隨流化床凈空速度uf的增加而增加空隙率e不變當流化床凈空速度提高到uf=umf時床層壓降與床層內顆粒的剩余重量相等固定床開始轉變?yōu)榱骰瞮mf成為臨界流化速度。在uf<=umf<ut范圍內隨著凈空速度uf的增大床層松動膨脹加大空隙率e增加但床層孔道內的流體速度uf和床層壓降p不變。在此范圍內床層顆粒處于流態(tài)化中床層有一個清晰的表面當流化床凈空速度提高到

17、uf=ut時床層內顆粒的沉降速度與床層凈空速度相等流化床開始轉變?yōu)檫B續(xù)輸送床即床層呈現(xiàn)連續(xù)流態(tài)化ut稱為極限流化速度。在uf>=ut后床層顆粒濃度迅速降低床層壓降p明顯減小床層上表面消失空隙率e趨于1床層孔道內的流體速度uf趨于床層凈空速度uf。當流化速度在uf<=umf<ut范圍內時床層連續(xù)膨脹顆粒均勻分布于床層中流體與固體兩相呈均勻混合狀態(tài)壓降基本保持不變且床面穩(wěn)定其流化過程接近理想狀態(tài)流化床為散式流態(tài)化。當流化速度在uf<=umf<ut范圍內時顆粒不是均勻分布于床層中且床層和床面不穩(wěn)定波動劇烈顆粒成團湍動有氣泡形成流化床為聚式流態(tài)化。 1 床層降壓 2 臨界

18、流化速度 3 極限流化速度 4 流化床的平均孔隙率 第六章 1.分析顆粒的能量分布狀態(tài)隨顆粒尺寸的變化關系對超微粉體的應用有何意義 答隨著顆粒尺寸的減小單個顆粒的質量以103快速遞減顆粒數(shù)以103快速遞增總表面積以101遞增總表面能以101遞增表面能/結合能以101遞增即表面能較結合能以更快的速度增加但表面能仍比結合能低1mol單位的顆?？倓幽懿蛔兛偀崮芤?03快速遞增即總熱能較總表面能以更快速度增加動能/熱能以103遞減即熱能較動能以更快的速度增加且當顆粒尺寸小于1um以后隨著顆粒尺寸的減小熱能遠比動能要高。 從熱力學的角度看隨著顆粒尺寸的減小高度分散的顆粒體系其熱力學能由于表面能的增加而提

19、高由此可能引發(fā)固體顆粒表相區(qū)域的物理化學性質的變化及出現(xiàn)所謂超微顆粒的表面效應。但結合能仍比表面能要高使得固體顆粒的體相物料化學性質不會發(fā)生改變。從熱運動的角度看隨著顆粒尺寸的減小高度分散的顆粒體系其熱能的快速增加使得熱能可能超過動能成為支配顆粒運動狀態(tài)的主要能量或者說顆粒進入分子熱運動范疇由此引發(fā)固體顆粒的某些量子尺寸效應即出現(xiàn)所謂的超微顆粒的小體積效應。 2.為什么顆粒的熔點和溶解度隨顆粒尺寸的變化而變化對其有何應用 答晶體顆粒尺寸越小其熔點也越低溶解度高德拜溫度越低晶體比熱容越大光散射能力越弱矯頑力增大.1基于晶體飽和蒸汽壓的解釋。2基于晶體熔化能量的解釋.當溫度一定時溶質在溶液中的濃度

20、隨溶質的飽和蒸汽壓的提高而增大。又因為尺寸較小的晶體顆粒飽和蒸汽壓恒大于較大的晶體飽和蒸汽壓所以可溶性小的晶體顆粒的溶解度較大塊晶體的溶解度高。當然實際顆粒的可溶性與顆粒尺寸的關系并沒有那么簡單因為可溶性還與晶體的暴露面、表面粗糙度等諸多因素有關。 3.顆粒的晶格比熱容隨顆粒尺寸變化的機理是什么 答德拜比熱容理論認為當溫度較高時晶體比熱容基本不隨溫度變化當溫度低于德拜溫度時晶格比熱容和德拜溫度的比值有以下關系 Cv=124 RT3/5D3 4.為什么導體顆粒具有接觸荷電特性其機理是什么 答顆粒荷電的主要方式有接觸荷電、電場荷電、碰撞荷電和粉碎荷電。 接觸荷電是指兩個不帶電且功函數(shù)不同的導體顆粒

21、因相互接觸而后分離使兩個顆粒分別荷上極性相反的等量電荷。 碰撞荷電1顆粒與運動離子的碰撞荷電2 顆粒與器壁的碰撞荷電。 電場荷電在常壓下當兩個大小差別很大的電極上有足夠大的電位差時會引起空氣電離產生大量的空間電荷形成電暈電流。其中陽離子和電子在向異性電極的有序運動中與電場內的顆粒碰撞失速而吸附在顆粒表面使顆粒荷電。 粉碎荷電顆粒粉碎時連接質點的鍵被截斷且正、負電荷相對于破裂面呈現(xiàn)電量不等的分布使顆粒荷電。 5.光波在顆粒分散體系中的散射機理是什么 答瑞利散射 米氏散射 夫瑯禾費散射 6.顆粒尺寸與顆粒相對折射率及入射光與光散射強度之間有何規(guī)律 答瑞利散射 夫瑯禾費散射 JDEIPw7.顆粒的光

22、吸收機理是什么光吸收現(xiàn)象有何應用意義 答機理由于光傳播時的交變電磁場與顆粒的分子相互作用使顆粒分子中的電子出現(xiàn)受迫振動而維持電子振動所消耗的能量變?yōu)槠渌问降哪芰慷纳⒌簟?應用光照吸收材料用于電鏡、核磁共振、波普儀和太陽能利用還可以防止紅外線、防雷達的隱身材料等。其中金的超微顆粒不僅吸光率高而且其在可見光至紅外線區(qū)域內光的吸收率不隨波長而變化因此可作為紅外傳感材料。 8.顆粒尺寸與磁性的一般規(guī)律是什么顆粒尺寸與磁化系數(shù)的關系是什么 答HVM HJK P顆粒尺寸與磁化系數(shù)的關系是比磁化系數(shù)隨顆粒尺寸的減小而減小雖然顆粒尺寸減小VP也減小但顆粒的磁矩M減小的幅度更大但矯頑力隨顆粒尺寸的減小而增大

23、尤其當粒度小于40um以后比磁化系數(shù)急劇減小矯頑力急劇增加。 9.磁疇對鐵磁性顆粒的磁性有何意義鐵磁性顆粒尺寸與固有矯頑力之間的變化規(guī)律是什么 答鐵磁性顆粒隨尺寸的減小固有矯頑力增加其規(guī)律為 HCI=a+b/DP 當顆粒尺寸減小到磁疇尺寸時固有矯頑力增大至最大此后當顆粒尺寸進一步減小時固有矯頑力開始降低其規(guī)律為 HCI=c-f/D1.5P 當顆粒尺寸減小至臨街DC時固有矯頑力變?yōu)?即 HCIDC=0 當顆粒尺寸減小到臨街尺寸DC時強烈的熱效應足以退掉自發(fā)激化現(xiàn)象此鐵磁體變?yōu)槌槾朋w.對于單磁疇臨界直徑為 DC =9/2MS2 因此鐵磁性顆粒尺寸減小其固有矯頑力增加當尺寸減小到單磁疇尺寸時固有矯

24、頑力達到最大值此后若繼續(xù)減小顆粒尺寸其矯頑力降低直至減小到臨界直徑時固有矯頑力獎為0鐵磁性顆粒呈現(xiàn)超順磁現(xiàn)象。 第七章 1.表面能對粉體有何特別意義 答大多數(shù)顆粒是晶體結構且為各向異性。因此晶體顆粒不同表面具有不同的表面能造成了顆粒表面能計算和測量肥肉困難。通常原子最緊密堆積的表面是表面能最低且穩(wěn)定性最好的表面。 2顆粒表面活性位與顆粒表面幾何形狀之間的關系是什么 答隨著顆粒尺寸的減小完整晶面在顆?？偙砻嫔纤嫉谋壤郎p小鍵力不飽和的質點占全部質點的比例增多從而大大提高了顆粒的表面活性。顆粒表面活性取決于兩個因素其一比表面積大小其二斷裂面的集合形狀。 3.顆粒表面物理吸附和化學吸附的主要區(qū)別是什么吸附現(xiàn)象對粉體有何意義 答主要特征 物理吸附 化學吸附 電子轉移 吸附質和吸附劑之間無電子轉移 吸附質和吸附劑 之間電子轉移 吸附力 范德華力靜電力 化學鍵力 吸附熱 吸附熱較小近似氣化熱 吸附熱較小近似反應熱 選擇性 吸附質和吸附劑之間無選擇性 吸附質和吸附劑之間有選擇性 吸附速度 快易達到平衡 慢不易達到平衡 吸附層數(shù) 單層或多層 單層 可逆性 吸附與脫附可逆 吸附與脫附不可逆 對粉體吸附是一種重要現(xiàn)象。通過對粉體表面的吸附分析可以獲得顆粒表面