[材料科学]分体工程基础.ppt

第一章 粉体工程基础 材料工程基础 1、粉体是生产过程中的重要环节 气、固、液 实际生产中，常以颗粒形态存在 具有一定结构形状、几何尺度、特定功能的固体单元 粉体研究的意义? 液体 流动性 气体 可压缩性 固体 抗变形能力 粉体 大的表 面积 宏观 连续 性 物质的特殊存 在形式！ 2、粉体的特殊性 3、涉及到的应用领域极为广泛 颗粒 粉体 粉体通常是指粉末质粒与质粒之间的间隙所构成的集合体 。 颗粒是粉体材料的组成单元！ 粉体的概念? 颗粒 Fine particle 从个体颗粒出发，称为颗粒学 粉体 Powder 从集合粉体出发，称为粉体工程学 都属于粉体研 究范畴! q 粉末的分类 粗粉（粗粉（150150500m500m） 中粉（中粉（4040150m150m） 细粉细粉 （101040m40m） 极细粉体极细粉体 （0.50.510m10m） 超细粉体超细粉体 （ 0.5m0.5m） 纳米粉体纳米粉体 （ 0.1m0.1m） 粉粉 末末 本章主要内容 1、粉体颗粒大小（粒度、粒径）的表征与测量 2、颗粒形状的表征与测量 3、粉体的工艺特性与测量 4、其它物理特性 两大表征参数： 1）平均粒度、粒度分布 2）颗粒形状 四大工艺特性： 1）流动性 2）填充性 3）压缩性 4）成型性 问题团聚 材料的机械、物理和化学性质描述了组成材料的物质组态的基本特性 第一节 粉体的表征与测量 粉体工程基础 直径D直径D、高度H ？ 颗粒的大小如何表征？ 粒径与粒度：粉体的粒径具有统计特征，而不是对单个 颗粒的尺寸。所以，一般将颗粒的平均大小称为粒度。 习惯上可将粒径和粒度二词通用。 1）筛分径 2）几何学粒径 根据几何学尺寸定义的粒子径。 轴径 （二轴径、三轴径） 投影径 （定向径） 当量径（有效径） 一般用显微镜法、库尔特计数法、筛分法等测定。 1、粒径 又称为细孔通过相当径。当粒子通过粗筛网且被截留 在细筛网上时，粗细筛孔直径的算术或几何平均值称为筛 分径，记作DA。 算术平均值： 几何平均值： 在以上两式中：a粒子通过的粗筛网直径，b截留粒 子的细筛网直径 。 1）筛分径 高度h：颗粒最低势能态时正视投影图的高度 宽度b：颗粒俯视投影图的最小平行线夹距 长度l：颗粒俯视投影图中与宽度方向垂直的平行线夹距 2）几何学粒径三轴径 h b l 三轴几何平均径： 与颗粒外接长方体体积 相等的立方体的棱长 定向径：沿一定方向的颗粒的一维尺度。 3）几何学粒径定向径（投影径） S1 S2 定方向径 定方向等分径 定向最大径 定 义 沿一定方向测得颗粒投影的两平行线的距离。 沿一定方向将颗粒投影像面积等分的线段长度 定向最大径 沿一定方向测定颗粒投影像所得最大宽度的线段长度 定方向径 定方向等分径 粒径名称 颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径 4）几何学粒径当量径 等效圆球体积直径 等效体积直径 等效表面积直径 等效重量直径 最短直径 最长直径 等效沉降速率直径 筛分直径 2、平均粒径粒度 （中值径） D20 D90 在累积分 布中累积 值正好为 50%所对应 的粒子径 ，常用D50 表示。 由于实际粉体大都由粒度不等的颗粒组成，所以它就 存在一个粒度分布范围，简称粒度分布。 粒度分布通常用简单的图表或函数形式来表示。 3 、粉体的粒度分布 1）频度分布（微分型）：用横坐标表示粒径，纵坐标 表示各粒径对应的颗粒百分含量（个数或质量）。 2）累积分布（积分型）：用横坐标表示粒径，纵坐标 表示小于(或大于)某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量。 （百分含量的基准采用个数基准和质量基准） 4、粒度分析测试方法 统计方法： 代表性强, 动态范围宽，分辨率低 。 筛分方法 38微米- 沉降方法 0.01-300微米 光学方法（激光、X光） 0.001-3500微米 非统计方法 分辨率高，代表性差, 动态范围窄 重复性差。 显微镜方法 光学 1微米- 电子 0.001微米- 国际标准筛制：Tyler(泰勒)标准 单位：目 目数为筛网上1英寸（25.4mm）长度内的网孔数 (a，d单位mm) 25.4 a d 1）筛分析法 （40m） 标准筛 也可用于计算粒度分布。 超声波震动筛 电动振动筛 t=0t=t1t= t2t=t3 光吸收率 时间 t1 t2 t3 0 2）沉降法法粒度测试 测量原理 重力沉降 10300m 离心沉降 0.0110m 是通过检测颗粒在液体内的沉降速度计算出 颗粒粒度的方法。通常用在液面下某一深度处 测量悬浮液浓度的变化率来间接地判断颗粒的 沉降速度，进而测量样品的粒度分布。 光透过法 3）显微镜 采用定向径方法测量 光学显微镜 0.25250m 电子显微镜 0.0015m 扫描（SEM）； 透射（TEM）：0.01m以下 测量原理！ 扫描电镜扫描电镜 空腔 透射电镜(TEM)表征 图图2 TiO2纳纳米粒子的TEM 4）光衍射法粒度测试 激光衍射 0.05500m X光小角衍射 0.0020.1m 激光束在无阻碍状态下的传播示意图 不同粒径的颗粒产生不同角度的散射光 激光衍射法原理图激光衍射法原理图 激光器 激光束 透镜 样品池 透镜 衍射光束 未衍射光束 光传感器列阵 中心传感器 粉末 / 5、颗粒的形状 角角 状状 针针 状状 树树 枝枝 状状 纤纤 维维 状状 片片 状状 粒粒 状状 球球 状状 不规则状不规则状 粉体形状粉体形状 颗粒形状颗粒形状： 与颗粒等体积的球的表面积与颗粒的表面积之比 1）球形度 一些规则形状体的球形度： 扁平度 延伸度 2）扁平度m与延伸度n h b l 颗粒的几何特征Q(如面积、体积等)与某种规定的粒度的 粒径的相应次方关系的形状因子，其数值表征了颗粒形状对 于标准形状的偏离。 3）形状系数 k即为形状系数 表面形状因子(j表示征对于该种粒径的规定) 体积形状因子 比表面积形状系数 第二节 粉体的特性 粉体工程基础 1、流动性 2、填充性（松装、振实密度） 3、压缩性 4、成形性 一、粉末的工艺性能 1、流动性 测量：50克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间,单位为秒50克，其倒数 是单位时间内流出粉末的重量，俗称为流速。 粉体的填充性是指粉末颗粒在空间中的排列状 况及在容器中的充实性。 1）颗粒的堆积 2、填充性 原填充填充 的小 球半 径 混合 填充 的气 孔率 混合比（容 积%） 接触 点 气孔 率 原球小球 647.6 4 0.723 R 71.171.928.1 839.5 4 0.528 R 30.6787.912.1 1225.9 5 0225 R 19.091.58.5 74% 63.7% 空隙填入无限个小球，孔隙率越来越小？ 2 2）特性参数）特性参数 松装密度松装密度： 粉末试样自然填充规定的容器时，单位容 器内粉末的质量，克/厘米3。-规定值 摇实密度摇实密度： 高20-50% 填充率：填充率： （） % =填充的颗粒体积/粉体填充体积 气孔（空隙）率：气孔（空隙）率：（） =1- 代表粉末在压制过程中被压紧的能力。在标准的模具 中在规定的润滑条件下加以测定，用规定的单位压力下粉 末所达到的压坯密度表示。通常也可以用压坯密度随压制 压力变化的曲线图表示。 压缩比： 松装粉末的高度与成型坯体高度之比。 3、压缩性 成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力， 用粉末得以成形的最小单位压制压力表示，或者用压坯的 强度来衡量。 压制性：是压缩性和成形性的总称。 4、成形性 1、粉体的能量（大的表面能） 2、粉体颗粒间的作用力 3、粉体颗粒的团聚 二、粉体的基本物理特性 2、粉体颗粒间的作用力 1）分子间引力 2）颗粒间的异性静电引力 3）固相桥联力 4）附着水分的毛细管力 5）磁性力 6）颗粒表面不平滑引起的机械咬合力 3、粉体颗粒的团聚 纳米粉体的团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、 处理及存放过程中相互连接形成的由多个颗粒形成的较大 的颗粒团簇的现象。 软团聚 硬团聚 1）分子间引力 2）颗粒间的异性静电引力 1）化学键、氢键 2）表面原子扩散 3）附着水分的毛细管力 4）液相、固相桥联力 一次颗粒：粉体中能够分开，并独立存在的最小实体称为单 颗粒，又称原始颗粒。 二次颗粒：是指粘附于一体的一次颗粒与彼此之间形成的 孔隙所构成的聚合体。 通常所测试的粒子尺寸 即属二次颗粒的粒径。 透射电镜(TEM)表征 TiO2纳纳米粒子的TEM P Z T 压电陶瓷制备中的粉体团聚控制 （1）控制晶粒长大 保证成核速率大于生长速率（过冷度） （2）制备过程中抑制团聚 a：选择合理的反应条件（如PH值、反应浓度、温度） b：粉体干燥特殊处理：（超临界、冷冻干燥、红外干燥） （消除具有巨大表面张力的气 - 液界面） c: 降低煅烧温度 （3）后处理消除团聚 沉积或沉降、研磨和超声波处理、加入分散剂等 习题 1、粉体的概念？ 2、粉末粒度测试方法分类以及不同方法的优缺点？ 3、为何要研究粉末的流动性与填充性？ 如何表征或通常采用何种参量表征？ Power Bar 中国专业PPT设计交流论坛 谢谢大家！ Power Bar 中国专业PPT设计交流论坛 规 律： 成形性好的粉末，往往压缩性差；相反，压缩性好的粉末 ，成形性差。 例如：松装密度高的粉末，压缩性虽好，但成形性差； 细粉末的成形性好，而压缩性却较差。 压缩性影响因素：塑性、显微硬度。 例如：金属粉体退火后塑性提高，压缩性好； 有合金杂质引入，压缩性差。 成形性影响因素：塑性、形状结构 例如：脆硬质粉体成形性差；