粉体性质

粉体工程PowderEngineering材料06级无机非金属材料模块刘家祥，有机楼406室64446432(O)[e-mail]绪论一、开课目的二、粉体工程研究的内容、意义三、课程简介四、课程的基本要求五、参考教材参考书第1章粉体的基本性质一、开课目的科学技术发展至近代，几乎所有的工业部门均涉及到粉粒体处理过程。人类赖以生存、活动、利用的资源，除水、石油、空气等单相流体外都存在“粒度化小”和“颗粒处理”的问题，例如矿产资源从开采到各有价成分的分离、回收和利用都离不开粉体制备技术与设备。水泥、玻璃、陶瓷以及耐火材料等的生产同样离不开粉体处理。各种材料的性能在很大程度上取决于材料粒度、形状、表面特性等性质，而这些又与粉体制备技术和设备有关。在粉体工程名词出现以前，各行业只能独立处理各自遇到的粉粒体技术问题。随着知识的积累，人们对粉体的认识产生了升华，就是将粉体看成物质的一种特殊存在形式。随着近年来我国粉体工业的迅猛发展及颗粒技术在许多工业部门及国民经济领域的广泛应用，粉体工程在我国已越来越引起人们的重视。随着科技的进展，人们对材料的要求越来越高，这将促进和加速粉体工程的发展。鉴于以上原因，材料学、无机非金属材料、冶金、化学工程、环境等相关专业学生有必要学习“粉体工程”课程。二、粉体工程研究的内容、意义人类赖以生存、活动、利用的资源，除水、石油、空气等单相流体外都存在“粒度化小”和“颗粒处理”的问题，前者构成“粉体工程学”(PowderTechnologyorPowderEngineering),后者构成“颗粒学”(Particulate)。例如矿产资源从开采到各有价成分的分离、回收和利用都属于粉体工程范畴。水泥、玻璃、陶瓷以及耐火材料等的生产同样离不开粉体处理。粉碎是粉体工程中的主要研究内容，此外还有颗粒性质、颗粒传输、固液（气）分离等。下面列出粉体工程学研究的主要内容，分九个方面：1.颗粒性质的研究a.粒度的定义及测定方法b.粒度分布c.颗粒形状及形状系数d.颗粒群的聚积特性e.颗粒的内摩擦与外摩擦特性2.粉体静力学a.莫尔圆、极限应力及侧压力b.粉体静压力的计算3.粉体动力学a.重力流动、压缩流动、两相流理论b.层流、紊流、湍流、流化床c.流变学及流体输送4.粉体制备a.机械法粉碎机理b.粉碎机械、常规及超细粉碎技术c.粉碎能耗及磨蚀d.化学法e.造粒f.粉体设备、工艺的自动控制5.颗粒分级a.干式及湿式分级b.分级效率c.分级机械d.微细分级技术6.粉体机械化学a.晶格能b.单晶破裂及穿晶破裂c.颗粒表面性质d.助磨剂、分散剂及凝聚剂e.爆炸特性7.颗粒分离a.不同成分或性质的颗粒分离（分选）b.气固分离c.液固分离d.超细粉体的液固分离8.粉体测量a.粉体性质检测仪表b.粒度计、浓度计、流量计、密度计、浊度计c.比表面测定仪、粘度计、白度计d.成分分析及表面性质测定e.图形分析技术、电镜扫描技术9.粉体应用1学时表1-1颗粒学与其它学科的关系、研究内容及应用领域相邻学科和技术土壤力学流体力学流变学气溶胶力学河流水利学统计学计算数学电学声学磁学材料学表面化学化学工程矿物加工学摩擦学环保科学显微技术颗粒学----------------基本研究举例1.颗粒测量数学5.散料物理粒度、形状粘结、传热粒度分级传质、扩散平均粒度电学、声学颗粒分布光学颗粒混合、含量毛细作用2.颗粒测量技术6.流体经过散料的流动筛选、渗透、形状单相流体沉降、吸附、内孔多相非溶流体流体分选多相可溶流体离心、辐射冲击电子探针7.流体和散料的同时运动显微、电解质电阻散料分类散料的广义流3.取样基本方程散料、缩分重力场下稳态运动大气、含尘气流重力场下非稳态运动制样水平流动离心力场4.散料力学电磁力场填料的结构和特征静力学、动力学服务对象-------应用举例冶金不用高炉的炼铁工艺采油提高三次采油的回收率，钻井泥浆的配方炼油催化裂化中催化剂粘度组分的改进化工气相气化TiCl4制钛白粉中TiO2粒度控制环保大气成雾机理，废气净化，淤泥澄清国防防原子弹扩散，毒气过滤吸附发电燃煤联合循环发电工艺中燃气的高温除尘煤炭改善沸腾锅炉的燃烧效率核工业核工业燃料的后处理劳保防尘口罩的改进交通运输邮件管道输送医学微粒通过生物膜的运动制药药粉压片、制丸，药粉混合建材流态化烧成水泥，生料输送农业粮食装卸，种子干燥粮食加工喷雾干燥，速煮米由此可以看出粉体工程学和颗粒学是综合性技术科学，它为高于一般工程技术的工程学科。由于其跨学科跨技术的交叉性和基础理论的概括性，因此它既与若干基础科学相毗邻，又与工程应用广泛相联系。各种材料的性能在很大程度上取决于材料粒度、形状、表面特性等性质，例如很多金属、有机和无机功能材料都与其形态有关（薄膜化、微细化、纤维化、多孔化、复合化、无孔化）。颗粒粒度是各种材料在工业上应用的主要指标，不同用途的材料对粒度有不同的要求。如粉末冶金(500-10μm)、精细陶瓷(1-0.1μm)、电阻、电介质、保护膜材料(5-0.5μm)。一般来说按粒度的大小分为粗粒、中粒、细粒、微细粒、超细粒五级。这五级的粒度范围与加工过程和加工原料的用途有关，没有严格的规定。例如矿物加工工程一般认为上述五个粒级的范围为+0.5mm，-0.5+0.1mm，-0.1+0.074mm，-0.074+0.01mm及-0.01mm。而非金属材料的加工认为-5μm为超细粒。当颗粒小到一定程度时，就出现粗大颗粒检测不到的“量子尺寸效应”（QuantumSizeEffect,简称QSE），其光、电、磁、热等物理性质和表面特性都发生巨大变化。例如铜粉粒度由1000μm缩小至1μm（1000倍）时表面能由原来的14千卡增加至19万6千卡（即14000倍）。由于超细颗粒的特殊性质，因此它有巨大的应用价值。又如纳米材料。超细材料被誉为四大新材料之一。如太阳能装置、红外制导导弹都需优良吸光性能的超细铬系合金颗粒，潜艇、飞机上涂有吸收微波的超细颗粒能躲避雷达，超细银粉为超低温制冷机新型热交换材料，固体火箭材料中添加10%的铬或镍超细颗粒，燃料的燃烧热可提高1倍，金属铝中加少量超细陶瓷粉制成的新复合材料重量轻、强度高、韧性好，耐热性好，粒度小于1μm的γ-氧化铁磁粉，涂在涤纶薄膜上有奇特的磁记录功能，这就是录音、录像磁带。超细高纯氧化硅可制造高性能电阻材料。用高质量超细石墨可制造出高性能的显像管及电子对抗材料。粉体工程或颗粒学对改善生态环境也有很大作用，例如粉尘污染、水土流失。治理沙漠、尘埃爆炸、污水净化等。1）提高工业产品的质量与控制水平。粉体工程研究的目的由以上分析可知，颗粒学是一门综合性基础学科，而粉体工程是颗粒技术，二者有共同性又有区别，前者侧重机理的研究，后者侧重工艺技术的研究，它们均属新兴学科，因此有强大的生命力和宽广的发展前景。随着近年来我国粉体工业的迅猛发展及颗粒技术在许多工业部门及国民经济领域的广泛应用，粉体工程在我国已越来越引起人们的重视。随着科技的进展，人们对材料的要求越来越高，这将促进和加速粉体工程的发展。2）节能降耗，促进粉体加工技术的发展3）新材料的研究与开发。三、课程简介内容与安排绪论（1学时）第1章粉体的基本性质（7学时）1.1粒径及其测定1.2粒度分布系统讲授粉体的基本性质，粉碎理论、机械法制备粉体工艺流程、各个单元作业以及各单元作业涉及的主要设备。主要内容包括：粉体的基本性质，粉碎理论，破碎、筛分、粉磨、分级、分离、均化、储存等设备的构造、工作原理、特点和性能；超细粉体制备的常用设备；国内外粉体工程的新成就及发展趋势。1.3颗粒形状1.4粉体的堆积性质1.5粉体的摩擦性质1.6粉体的爆炸性第2章粉碎（3学时）2.1概述2.2粉碎理论概述第3章破碎设备（5学时）3.1鄂式破碎机3.2圆锥破碎机3.3辊式破碎机3.4锤式破碎机3.5反击式破碎机3.6转碾机第4章筛分设备（4学时）4.1筛分原理和筛分过程4.2筛制4.3筛分机械第5章粉磨设备（6学时）5.1球磨机5.2其他型式的磨机5.3超细粉磨设备第6章分级设备（5学时）6.1分级效率6.2分级机6.3磨机生产率与循环负荷率、分级效率的关系第7章分离设备（4学时）筛分脱水、离心沉降、重力浓缩、真空过滤和干燥机；旋风收尘器；布袋式收尘器第8章均化、储存设备（2学时）8.1物料均化；8.2均化的原理；8.3评价均化效果的理论；8.4粉体均化设备；8.5物料贮存9粉体工程发展趋势（1学时）1.掌握粉体的基本性质，粉碎理论。2.掌握机械法制备粉体的常规设备，包括破碎、筛分、粉磨、分级、分离、均化、储存等设备的构造、工作原理、特点和性能。3.了解超细粉体制备的常用设备。4.通过实验培养实验的技能和加深对理论知识的理解与应用，加深对粉体制备有关工艺过程测定的理解。5.了解国内外粉体工程的新成就及发展趋势。四、课程的基本要求1.陶珍东.粉体工程与设备.化学工业出版社,2003年2.陆厚根编著.粉体技术导论.上海：同济大学出版社，19983.张少明、翟旭东、刘亚云编著.粉体工程.北京：中国建材工业出版社，19944.李风生等编著.超细粉体技术.北京：国防工业出版社，20005.卢寿慈等编著.粉体加工技术.北京：中国轻工业出版社，20006.郑水林编著.超细粉碎.北京：中国建材工业出版社，1999参考教材和参考书1.粉体的几何形态性质包括粉体粒子的大小、粒度分布、粒子形状以及堆积状态。粉体是粉体工程学研究的基本对象。工业生产单元操作过程中所处理的物料，因其物质种类千差万别，粒子的形成方式不同，所以其各种性质也不相同。而这些性质与有关的单元操作过程密切相关，直接影响这些过程的正常进行，且直接影响原料、半成品及成品的质量。因此，在研究粉体工程学涉及的各个单元操作过程前，必须对粉体的基本性质有所了解。粉体的基本性质很多，通常分成三个方面：第1章粉体的基本性质1.1粒径及其计算一、名词概念1.粒径：又称“粒度”或“直径”，表示粉体颗粒尺寸大小的几何参数（或量度），以mm、μm表示。又是颗粒在空2.粉体的力学性质，静力学性质和动力学性质。包括粉体的摩擦角、粉体压力、流动性以及在流体中的运动性质等。3.粉体的其他物理化学性质。包括粉体的电、磁、光、声、热学性质以及粘附性、吸附性、凝聚性、湿润性、爆炸性等。间范围所占大小的线性尺度。粒径的定义和表示方法由于颗粒的形状、大小和组成的不同而不同，同时又与颗粒的形成过程、测试方法和工业用途有密切联系。通常将粒径分为单个颗粒的单一粒径和颗粒群体的平均粒径。2.粒级：将松散物料借用某种方法分成若干级别，这些级别叫粒级。用“上下限表示法”来表示颗粒（物料）群的粒度范围即物料中所包括的粒子的最大、最小尺寸表示粒度范围。二、单个颗粒的单一粒径尽管工业生产中遇到的粉体，是一群粒度分散、大小不连续的颗粒群，但其粒度的表述都是建立在个别粒子的粒径统计值的基础上的。因此必须先了解单个颗粒的粒径表示方法。单个颗粒粒径的表示方法与测定方法有关。根据现实的各种测量仪器的工作原理，有将“粒径”定义如下：当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体（或其组合）最相近时，就把该球体的直径（或其组合）作为被测颗粒的等效粒径（或粒度分布）。该定义包含以下四层含意：（1）粒度测量实质上是通过把被测颗粒和同一种材料构成的圆球相比较而得出的；（2）不同原理的仪器选不同的物理特性或物理行为作为比较的参考量，例如沉降仪选用沉降速度，激光粒度仪选用散射光能分布，筛分法选用颗粒能否通过筛孔等等；（3）将待测颗粒的某种物理特性或物理行为与同质球体作比较时，有时能找到一个（或一组）在该特性上完全相同的球体（如库尔特计数器)，有时则只能找到最相近的球体（如激光粒度仪）。由于理论上可以把“相同”作为“相近”的特例，所以第1次课绪论一、开课目的二、粉体工程研究的内容、意义三、课程简介四、课程的基本要求五、参考教材和参考书第1章粉体的基本性质1.1粒径及其计算一、名词概念1.粒径2.粒级二、单个颗粒的单一