第1章粉体粒度测试技术.

第1章粉体粒度测试技术2内容•1.1颗粒粒径的定义•1.2颗粒的形状•1.3显微镜法•1.4筛分法•1.5费氏法•1.6沉降法•1.7重力沉降光透法•1.8激光衍射法•1.9光子相关光谱法•1.10粒度与形貌图像分析法3•在工农业生产和科学研究中的很多固体原料和制品，都是以粉体的形态存在的，粒度大小及分布对这些产品的质量和性能起着重要的作用。•常用的测试方法有显微镜法、筛分法、沉降法、比表面积法及激光衍射法等。4第1节粒径的定义1.1.1颗粒粒径粒度-颗粒在空间范围所占大小的线性尺度。球是最容易处理的。粒径：一般将分为代表单个颗粒大小的单一粒径。代表由不同大小的颗粒组成的粒子群的平均粒径。5单一粒径•球形颗粒的大小是用其直径来表示的。•对于非球形颗粒，一般有三种方法定义其粒径，即投影径、几何当量径和物理当量径。•投影径：指颗粒在显微镜下所观察到的粒径。•几何当量径：取与颗粒的某一几何量相等时的球形颗粒的直径。•物理当量径：取与颗粒的某一物理量相等时的球形颗粒的直径。67单个颗粒大小的表示方法•用粒度来表征颗粒的大小•对规则的颗粒，其粒度可由某一尺寸来表示•对不规则的颗粒，其粒度按某些性质推导而得8规则颗粒图规则颗粒粒度的表征9不规则颗粒的粒度•三轴径：在一水平面上，将一颗粒以最大稳定度放置于每边与其相切的长方体中，用该长方体的长度l、宽度b、高度h定义的粒度平均值。•投影径：颗粒以最大稳定性置于一平面上，由此按其投影的大小定义的粒径•球当量直径：亦称球相当径。•筛分径：当颗粒通过粗筛网并停留在细筛网上时，粗细筛孔的算术或几何平均值。10颗粒外接长方形11三轴径的平均值计算公式序号计算式名称意义1二轴平均径显微镜下出现的颗粒基本大小的投影2三轴平均径算术平均3三轴调和平均径与颗粒比表面积相关，与外接长方体表面相同的球体直径4二轴几何平均径接近于颗粒投影面积的度量5三轴等表面积平均径与外接长方体表面积相同的立方体的边长2bl3hblhbl1113lb6)(2bhlhlb12投影径Ferret径13Martin径14定方向最大径15投影面积圆相当径16球当量直径体积直径dV：亦称等体积（球）相当径，是指与颗粒等相同体积的球的直径；面积直径dS：亦称等表面积（球）相当径，是指与颗粒等表面积的球的直径；面积体积直径dSV：亦称等比表面积（球）相当径，是指与颗粒等比表面积的球的直径；Stokes直径dst：亦称为沉降速度相当径或牛顿径，指与颗粒具有相同密度且在同样介质中具有相同自由沉降速度（层流区）的直径；17平均粒径•平均粒径定义：•设颗粒群是由粒径d1、d2、d3·····组合而成的集合体，其物理特性f(d)可由各粒径函数的加成表示：•式中：f(d)称为定义函数•若将粒径不同的颗粒群想象成由直径D组成的均一球形颗粒，那么其物理特性可表示为)()()()()(321ndfdfdfdfdf)()(Dfdf上式为平均粒径的基本式，D表示平均粒径18•以个数为基准的平均径可归纳如下：•以质量（体积）为基准的平均径表达如下：11dfdfndndDnn133133dfdfmdmdDww19•在实际应用中，常用两个系列的平均径，以个数为基准加以说明：•（一）nndDnL0,12120,2nndDnS3130,3nndDnV以上平均径的共同特征是以颗粒群的个数去均分粒度之和、总表面或总体积所得的平均径20•（二）nndDDnL0,10,1ndndDDLS21,21,2232,32,3ndndDDSV343,43,4ndndDDVM以上四个平均径的共同特征是，它们分别是以各粒级中颗粒个数、粒度之和、表面积和体积为权，对d进行平均得到的。121平均粒径计算公式22第2节颗粒的形状概述颗粒的形状是描述颗粒几何特征的重要参数，与颗粒的大小具有同等重要的作用。颗粒的大小——粒径只是在一维空间中描述颗粒的几何特征，而颗粒的形状则是指颗粒在平面上的投影轮廓（二维）或表面（三维）上各点所构成的图象。粉体的流动性、压缩性能等力学特性，与颗粒的形状有着密切的联系。根据粉体用途的不同，对颗粒形状的要求也不同。232.2.1颗粒的形状名称定义名称定义针状颗粒似针状片状颗粒为扁平形状多角状颗粒具有清晰边缘的多边形或多角状粒状颗粒接近等轴，但形状不规则枝状颗粒在流体介质中自由发展的几何形状，具有典型树枝状结构不规则状颗粒无任何对称性的形状纤维状颗粒具有规则的或不规则的线状结构24•针状(acicular)•角状(angular)•树枝状(dendritic)•纤维状(fibrous)•片状(flake)•粒状(granular)•不规则状(irregular)•瘤状(nodular)•球状(spheroidal)•多角形状(polygonal)•带状(ligamental)•聚合状(aggregate)•海绵状(sponge)2526颗粒形状粉末生产方法颗粒形状粉末生产方法球形气相沉积，液相沉积树枝状水溶液电解近球形气体雾化，置换（溶液）不规则形水雾化，机械粉碎，化学沉积多角形机械粉碎多孔海绵状金属氧化物还原片状塑性金属机械研磨碟形金属漩涡研磨粉末形状与生产方法的关系27颗粒形状松装密度/(g/cm3)振实密度/(g/cm3)松装时孔隙度(％)球形4.55.349.4不规则形状2.33.174.2片状0.40.795.5粉末颗粒形状对铜粉末密度的影响28橡胶塑料各个方向上具有相同的耐磨性球形颗粒具有较高强度长形颗粒砂轮的研磨料铸造用型砂好的填充结构尖锐、耐磨颗粒有棱角强度高，空隙率大（易排气）球形颗粒291、薄片状颗粒的表面固着力强，反光效果好。2、实际粉体颗粒的形状千差万别，几乎不可能用某一种方法定量、完整地描述。3、在工程中，必须对颗粒的形状进行定量的描述。定量地描述颗粒形状的方法，大致可以分为二种。一种是用一组数来表示，而根据这一组数据可以再现颗粒的形状；另一种是用一个数来表示，利用颗粒的各种尺寸以及表面积、体积之间的关系或与某一基准相比较，从不同的角度来表示颗粒的形状。30为此，我们用某个量的数值来表征颗粒的形状，这些量可统称为形状因子。各种不同意义和名称的形状因子都是一种无量纲的量，其数值与颗粒的形状有关，可以在一定程度上表征颗粒形状对于标准形状（球形）的偏离。很多形状因子是颗粒的不同粒度的无量纲组合，其中不少是两种粒度之比。31形状系数粒径相同的颗粒，形状不相同，其表面积、体积也相同，因此，颗粒的表面积、体积与其粒径之间的数量关系，在一定的程度上可以反映颗粒的形状。另外，颗粒的表面积、体积是与某一特征尺寸（粒径）的平方、立方成正比的，这个比例系数就可定义为颗粒的形状系数。注意：①粒径的定义和粒径的测量方法。②单个颗粒的形状系数与整个颗粒群的形状系数的区别。③形状系数为一个修正系数，用来衡量实际颗粒与球形颗粒不一致的程度。32形状指数利用颗粒本身的各种粒径以及表面积等数据进行各种无因次的组合，或与球形颗粒进行比较而定义的表示颗粒形状的各种指标称为形状指数，其本身并不具有特定的物理意义。根据不同的使用目的，可选择相应的形状指数来表示颗粒的形状。常用的形状指数有：33设颗粒的粒径为Dp,定义：颗粒的表面积S=φsDp2；颗粒的体积V=φVDp3，则2/psDS表面积形状系数s与π的差别表征颗粒形状对球形的偏离。对于球，s=π；对于立方体s=6。体积形状系数3/pvDVv与π/6的差别表征颗粒形状对球形的偏离。对于球，v=π/6；对于立方体v=1。34比表面积形状系数卡门形状系数/6c32//pvpsvDDVSSppvpsvDDDS//32与6的差别表征颗粒形状对球形的偏离。对于球，=6。几何体的形状系数35颗粒形状sv球形l=b=h=dππ/66圆锥形l=b=h=d立方体l=b=h圆板形l=b，h=dl=b，h=0.5dl=b，h=0.2d方柱形及方板形l=bh=bh=0.5bh=0.2b36各种形状的颗粒的S和V值各种形状的颗粒SV球形颗粒/6圆形颗粒（水冲砂子、溶凝的烟道灰和雾化的金属粉末颗粒）2.7~3.40.32~0.41带棱的颗粒（粉碎的石灰石、煤粉等粉体物料）2.5~3.20.20~0.28薄片颗粒（滑石和石膏等）2.0~2.80.12~0.10极薄的片状颗粒（云母、石墨等）1.6~1.70.01~0.03371.均齐度均齐度又称为比率，是利用颗粒的三轴径l、b、t而导出的最简单的形状指数。长短度=长径/短径=l/b（≥1）扁平度=短径/高度=b/t（≥1）Zingg指数F=长短度/扁平度=lt/b2382.体积充满度fv又称为容积系数，是颗粒的外接长方体的体积与其本身的体积V之比，即：fv=lbt/V（≥1）显然，fv≥1，而且fv越接近于1，则表示颗粒越接近于长方体，故体积充满度可以表示颗粒接近于长方体的程度。这个指数可用作磨料颗粒抗碎裂的基准。舒尔茨指数：K=nl2b–100，n=100/V，表示100cm3中的颗粒数。这个指数可用作评价铺路碎石的形状，K值越小越好；还可用于表示高炉烧结块的形状。393.面积充满度面积充满度fb又称为外形放大系数，是颗粒投影的面积A与其最小外接矩形的面积之比，即：fb=A/lb（≤1）面积充满度可用于粉末冶金方面。404.球形度球形度ψ表示颗粒接近于球体的程度，其定义为：ψ=（与颗粒体积相等的球体的表面积）/（颗粒的表面积）（≤1）对于形状不规则的颗粒，由于其表面积、体积的测量非常困难，故常采用实用球形度ψw，其定义为：ψw=(与颗粒投影面积相等的圆的直径)/(颗粒投影的最小外接圆的直径)（≤1）球形度常用于讨论颗粒的流动性。415.圆形度圆形度ψc又称为轮廓比，表示颗粒的投影与圆接近的程度，其定义为：ψc=（与颗粒投影面积相等的圆的周长）/（颗粒投影轮廓的长度）（≤1）圆形度ψc和实用球形度ψw都表示颗粒的投影接近于圆的程度，应用非常广泛。但ψc与ψw是有区别的，ψw侧重于从整体形状上评价，而ψc则侧重于评价颗粒投影轮廓“弯曲”（凹凸）的程度。426.粗糙度系数1、形状系数是个宏观量；2、微观观察，颗粒表面有很多小裂纹或孔洞；3、粗糙度系数表示颗粒实际表面积与外观看成光滑颗粒的表面积之比：粗糙度系数4、颗粒表面实际的粗糙程度直接关系到颗粒间的摩擦、粘附、吸水性、吸附性及空隙率等。1面积外观光滑颗粒的宏观表颗粒微观的实际表面积R431原理•单个颗粒同时进行观察和测量的方法。•颗粒大小、颗粒的形状、颗粒结构状况、表面形貌等。•测量下限取决于它的分辨距离---仪器能够清楚地分辨两个物点之间的最近距离。•光学显微镜的分辨距离取决于光学系统的工作参数及光学的波长。第3节显微镜法44工作原理，显微镜观察的是颗粒投影像。它所观察和测量的只是颗粒的一个平面投影图像。2粒径测量样品量0.1g左右。充分的代表性，良好的分散性，均匀地无固定取向地分散在载片上。45☆显微镜法☆显微镜是唯一可以观察和测量单个颗粒的方法，是测量粒度的最基本方法。标定其他方法。☆光学显微镜：0.3～200μm；☆透射电子显微镜：1nm～5μm；☆扫描电子显微镜：10nm。☆显微镜法测量的样品量极少，取样和制样时，要保证样品有充分的代表性和良好的分散性。46样区中颗粒的计数计测量被测量的颗粒数不应少于600个，还应取自数十个不同的样区中。4748☆显微镜法49☆显微镜法☆样品制备后即可用显微镜一个一个测定颗粒，求出统计平均径；☆测定的颗粒数一般需几百个以上才有意义。☆光学显微镜测量时，常在目镜中插入一块刻有标尺或几何图形的玻片，由人眼通过目镜直接观测；或将显微镜的颗粒图像/