粉体工程课件.ppt

,粉体工程课件,1. 颗粒学（粉体工程）及其进展,1.1 颗粒-粉体（Particles）,无所不在： 空气，海洋，湖泊，水，土壤，太空,多种来源:,Chapter1 粉体工程概论,a.自然界：岩石风化，火山活动，河流冲击等等,b.人工（工业）：几乎每一固体材料在制备开始，末尾或中间至少经历一个粉体阶段。,日常生活空气中尘埃，废气污染物，食物 ,可以说我们是生活在颗粒的世界!,粉体是物质形态的一种特殊存在形式，在外观表现上介于固体和流体之间，随着细度的增加常常表现出千变万化的性质。,2. World Congress Particle Technology 日本人认为Particle严格来说是粒子或粒体而不是粉体，因为颗粒总是以粉体这种集合体的形式出现，集合产生了个体不具有的特殊性。 粉体，粉体工程 另一词Kona更为传统和更易于表达Particle and powder；,粉体（Powder）由细小固体颗粒组成的集合体。 G.Jimbo: Funtai,Powder,Particle and Beyond 粉体与展望,2019/10/17,5,粉体与颗粒的关系,指出: Kona or Funtai, Particle or Powder 颗粒，颗粒学；,粉体是处于特定聚集状态的物质，是一种分布于某一范围内的大小颗粒之间相互作用的存在状态；,它与气体、液体、固体相同吗？,第四相 粉体，具有固体属性；但粉体的表面积很大，使得自由能变得不可忽略。 S(surface area)大，吸引力，输送，呈流体状态，集合产生了个体所不具有的特殊性。,粉体 - 散体 粉体力学 散体力学 粉体力学与工程 专著 / 谢洪勇编著,粉体的特性,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，当物质被“分割”成为粉体之后，上述三类性质则不能全面描述材料的性质，必须对粉体材料的组成单元颗粒及其集合，进行详细描述。,2019/10/17,9,粉体工程的应用范围,颗粒大小决定（影响）： e.g. 水泥的凝结时间、强度； 结构陶瓷的强度、韧度； 功能材料的功能； 催化剂的活性； 食品的味道； 药物的药力； 颜料的着色力；,颗粒大小粉体系统各种性质影响很大 颗粒集合-吸引力，输送 颗粒制备-粉碎,2019/10/17,10,e.g.陶瓷材料性能由： a.材料组分； b.显微结构-粉体特性（颗粒度、形状、团聚 状态、相组分)； 亚微米纳米级超细粉，加速烧结过程中动力学过程，降低烧结时间，改善烧结体性能；,e.g.水泥工艺是两磨一烧,水泥性能由 a.材料组成（煅烧）； b.颗粒度（颗粒大小及分布）； 水泥（溶胶凝胶法，DSP）,DSP水泥;densified systems containing homogeneous arranged ultrafine particle;DSP cement,2019/10/17,11,非金属矿行业对国民经济和社会就业的贡献和影响不断提高，2000年非金属矿工业总产值已达548.82亿元，超过金属矿工业总产值（435.34亿元）。非金属矿产品与金银铜铁一样，是社会发展不可缺少的重要物质资料。在出口方面，非金属矿产品是我国改革开放以来出口创汇增长最快的产品；其巨大贡献是不争的事实。非金属矿产品在“六五”期间出口12.5亿美元,“七五“期间达到25.7亿美元，“八五“期间超过53.7亿美元，“九五“期间超过100亿美元。2000年出口创汇24.29亿美元，2001年达到28亿美元，2002年继续保持增长势头。估计“十五”期间将超过180亿美元以上。,重要的战略资源石墨，我们国家占世界储量的90%以上，是世界上的最大出口国；纤维状硅灰石也是重要的矿物资源，我们的出口量占世界贸易量的30%以上。,粉体技术所涉及到的行业和产品应用,2019/10/17,13,粉体技术所涉及到的行业和产品应用,2019/10/17,14,粉体技术所涉及到的行业和产品应用,2019/10/17,15,粉体技术所涉及到的行业和产品应用,1.2 颗粒学-粉体工程 （ Powder technology- Particuology),1943年,美国Micromeritics (微晶学、微尘学) 颗粒学最早著作； 今天已发展为一门新兴的综合性技术学科，一门交叉学科、边缘学科；超微颗粒是其中最为活跃的分支；,Particuology：拉丁语 Particula + 希腊语Logia (颗粒的) （学科）,2019/10/17,17,Fine particle 颗粒 从个体颗粒出发，称为颗粒学,Powder 粉体 从集合粉体出发，称为粉体工程学,研究范围：粉体材料制备，加工和处理过程以及出现的现象；以颗粒性质、特征、内部结构为基础。,粉体技术是一门跨行业、跨学科的新兴技术，包括粉碎、分级、分离、均化、混合、输送、储存、改性、造粒、粉尘爆炸以及粉体特性的研究和测试等。作为一个生产环节，粉体技术早已应用于各工业部门，但作为一项专门技术进行系统地研究、开发则是随着现代工业技术的发展而形成的。,2019/10/17,19,美国 Fine Particle 协会 ; 欧洲粉体技术研讨会 International Congress on Particle Technology International Mineral Processing Congress 欧洲粉碎协会（European Symposium on Comminution），国际粉碎研究学会（International Comminution Research Association），国际矿物工程粉碎协会（Minerals Engineering InternationalComminution Association）。,2019/10/17,20,日本是比较重视粉体技术研究开发的国家 1956年 日本粉体工学研究会， 粉体工学会志； 他们于1971年成立日本粉体工业技术协会（APPIE）的标准委员会，并在1982年开始与日本工业技术标准调查会和ISO国际标准化组织联合，制定系列粉体技术标准。 亚洲颗粒技术粉碎工作组（Comminution Group of Asian Particle Technology）等国际研究组织。,著名研究机构与学者,国外 美国国家标准实验室 宾夕法尼亚大学-Austin教授 犹他大学-King 教授 德国Karlsruhe大学的Rumpf教授从固体物理学角度建立的粉碎规律 德国Clausthal大学-Schnert、 Leschonski教授 日本东京大学 井上教授 名古屋大学-神保元二教授 东北大学-Yashima教授,2019/10/17,22,著名研究机构与学者,国外 美国杜邦公司 美国P.M.公司 美国斯特蒂文特公司 美国More-Bouse-Cowles公司-化工原料及非金属矿的细磨及分散。 日本细川（Hosokawa）集团-德国Alpine公司 德国Bosch集团 德国耐驰（Netzsch）公司 法国乌尔特拉芬公司,2019/10/17,23,著名研究机构与学者,科研院所 中国科学院过程所 清华 浙大 武汉理工大学 同济大学 北京科技大学 华南理工,2. UFP -超微粉体概述,ultrafine particles, superfine particles, very fine particles,超细粉；超微粉；超微细粉,没有统一的称谓,微颗粒: fine particles,超细粉体在广义上指从微米级到纳米级的一系列超细材料，狭义上是指从微米级（100纳米的一系列超细材料；,粗颗粒: coarse particle,亚微颗粒: submicron particles 0.1-1m，颗粒原子数1091010个,超微颗粒: ultrafine Particels nanometer 毫微米 10-9,微米级 （ 1 m ）； 亚微米级（ 0.1-1 m ）； 纳米级 （ 0.1m ）；,部分学者的颗粒的单元尺度概念,可开发出多种新功能材料； 物质新状态不能忽视表面的影响；,2019/10/17,27,将物体逐步微细化就得到所谓的微细颗粒。 这些颗粒单位质量的表面积比原来的块状固体要大得多，它与原块状固体的根本差别就在于此。当这一单纯的差别超过一定程度时，这种颗粒在性能上就与原固体完全不同，成为“物质的新状态”。具有这种状态的颗粒就叫“超微颗粒”（UFP）。它与通常的颗粒是有差别的。,2019/10/17,28,超微颗粒的粒径，即超微颗粒在性能上出现与原固体完全不同行为时的粒径，根据性能的不同，有很大的差别。,e.g.磁性以及电阻等性能分别与磁畴的磁化过程以及载流子的平均自由程这种颗粒本身的内部有结构有着深刻的联系。所以，超微颗粒的内部结构决定了它作为“超微颗粒”的临界粒径。,2019/10/17,29,部有结构有着深刻的联系。所以，超微颗粒的内部结构决定了它作为“超微颗粒”的临界粒径。,超微颗粒作为物质存在的新状态的概念正在逐渐为人们所接受。超微颗粒制备及其相关物性的理论与应用研究，正在形成与发展之中。,2019/10/17,30,超微颗粒以其 “体积效应” 和 “表面效应” 显著区别于一般颗粒，正因如此，引起了许多学者浓厚的研究兴趣，并扩展到很多领域，如：光学、电子学、磁学、工业化学、结构及功能材料等。有的已进入实用阶段。,2019/10/17,31,因此，对UFP的进一步了解和研究，在现代科学技术中，显得越来越重要。也是这门课程开设的目的。本课程主要介绍UFP的基本概念、特性、制备方法、测试和表征与有关应用。,2019/10/17,32,颗粒学是一门新兴的边缘学科，交叉学科（多学科交叉领域）。 纳米材料是其中一个分支，是材料制备科学的一次飞跃。 日本21世纪的重大科技； 美国国家基金会把纳米科学列为优先支持领域； 英国作为重振英 国制造业的突破口；德国最大科研项目。,关于UFP的尺寸界限？,e.g.磁性以及电阻等性质分别与磁畴的磁化过程以及载流子的平均自由程；颗粒本身的内部结构有密切联系。,UFP为何具有独特的性能： 首先，联想到非常发达的表面。 因为物质内部与表面原子所处 环境是不同的。,所以， UFP的内部结构决定了它作为 “UFP” 的临界粒径。,UFP粒径： 大约 1100nm范围 也学者认为：5 nm1m 范围 纳米+亚微米,e.g. 配位数为6的晶体 本体原子：6个配位键 完整 表面原子：1个配位键 折断 边棱原子：2个配位键 折断 隅角原子：3个配位键 折断,处在表面，边棱，特别是隅角上的原子能级比起本体中的原子都要高，活性大，比较容易蒸发、溶解和起化学反应。颗粒越小，处于表面、边棱，特别是隅角上的原子就越多。,对于球形颗粒 ：S 1/d 当 d，S，表面原子数/整体原子数 这时为数众多的较高能级的表面原子便不能不对颗粒的性质产生影响。,铜颗粒的粒径和表面能 边 长 1 mol中的 1个颗粒中的 全表面积 表面能 表面能与 颗粒数 原子数 体积能 10nm 7.121018 8.46104 4.27107 9.41010 2.75 1m 7.121012 8.461010 4.27105 9.4108 0.0275 e.g. 原子直径 0.2nm 颗粒尺寸 0.4nm，若 每边只能容纳2个原子，整体原子数是8个原子，,处于表面原子数目？,mm2,erg,8个，表面原子占全部原子的百分数是100% ； 若颗粒尺寸1nm时,表面原子/全部原子 78.4% 若颗粒尺寸20nm ,表面原子/全部原子 5.9% 若颗粒尺寸1m ,表面原子/全部原子 0.12%,当颗粒尺寸1m时，表面原子份数0.1 这种程度的表面原子的出现对物质性质影响不大；,所以，1m的颗粒不是UFP （定为上限） 下限与上限一样没有明确范围；,返回首页,进下一章,放松一下,若颗粒中只含有几个原子，是原子团，这种微粒是物理学家或化学家研究的对象，不属UFP范围，（工业上无应用）；,若d50%,无熔点,分不清气体、液体或固体； 若d5nm,原子数达数千以上，有稳定熔点；,所以，有学者定 1 m 5 nm 为UFP （纳米亚微米） 也有学者定UFP粒径：大约 1100nm范围,2019/10/17,40,超细粉碎技术因高技术和新材料产业的进步而快速发展，全球自80年代以来各种超细粉体原料的需求量呈快速增长。据统计，中国在90年代之前，非金属矿物超细粉产品还不足5万t，96年已超过30万t，2000年超过50万t；2005年国内需求量将达140万t；预计2010年将达200万t；,超微粉体工业应用,2019/10/17,41,对超细粉的需求量将越多，越高，越广； e.g. SiC超细粉： 5 m 1.9万； 3.5 m 34万； 1m 1015万； SiC原料：5400元；深加工与普通加工的差价，可见超细粉碎和UFP制备的意义；,目标：高纯，超细，多功能和复合化；,2019/10/17,42,在制备高性能陶瓷材料时，非金属矿物原料越纯，粒度越细，材料的致密性越好，强度和韧性越高，一般要求原料的粒度小于1m甚至0.1m。如果原料细度能到纳米级，则制备的陶瓷称为纳米陶瓷，性能更加优异，是当今陶瓷材料发展的最高境界。,非金属矿加工技术是高技术陶瓷发展的关键，只有发展了非金属矿物的高纯加工技术和超细粉体加工制备技术才有高技术陶瓷材料的迅速发展。,2019/10/17,43,显像管是现代微电子、信息产业的重要器件，显像管用的氧化铝微粉平均粒径一般为1.5m5.5m；黑底石墨乳粒径要小于1m，管颈石墨乳小于4m，销钉及锥体石墨乳小于10m；现代重要信息材料的复印粉及打印墨粉要求粒径达到微米级；光纤及压电材料的石英粉要求纯度达到99.999%，杂质含量要求为PPM级；现代高档纸张用的高岭土和碳酸钙涂料要求白度达到90以上，细度-2m含量超过90%。 没有非金属矿超细深加工技术的发展，现代微电子及信息技术的发展将被延缓。,2019/10/17,44,复合材料的重要组分之一是无机非金属矿物填料，包括碳酸钙、高岭土、滑石、云母、硅灰石、石英、氧化铝、氧化镁、碳黑等，这些非金属矿物填料的粒度越细、与有机基质的相容性越好，复合材料的综合性能就越好。解决超细问题要依靠超细粉碎技术，而解决与有机基质的相容性问题要依赖一种新的非金属矿深加工技术矿物表面改性。其它如特种涂料、高级磨料、催化剂载体、吸附材料等要求非金属矿物原料纯度高、粒度细或粒度分布较窄且表面活性好。因此，必须要对其进行提纯、粉碎和分级以及表面改性等加工 。,2019/10/17,45,造纸工业从普通纸张到涂布纸及其它高级纸品的技术进步需要高纯、超细和高白度的高岭土、碳酸钙、滑石等非金属矿物涂料。 冶金工业的技术进步要求高品位及一定粒度级配的高铝非金属矿物(硅线石、红柱石、兰晶石等)耐火材料及镁(菱镁矿)碳(石墨)复合材料。 高分子材料的技术进步需要相容性好而且具有增强作用的非金属矿物填料，如碳酸钙、高岭土、滑石、硅灰石、云母、石英、长石等。,2019/10/17,46,还有非金属矿超细深加工技术还与当代环保技术及其产业相关，许多非金属矿物，凹凸棒石、海泡石、沸石、硅藻土、膨润土、蛋白土、珍珠岩等经过除杂提纯、活化处理、粉碎分级、成型造粒等加工后具有较高的活性和选择性吸附的特性，可广泛应用于处理废水、废气、废物及有毒物质，成为独特的绿色环保产品。由于现代产业发展到对非金属矿物原(材)料要求的提高是非金属超细深加工利用技术发展的原动力；同时，现代科技革命和产业发展提高了非金属矿超细深加工业自动控制、质量检测的技术水平。,2019/10/17,47,90年代以后，超微粉体技术在我国得到了长足的发展，许多专门从事超微粉体技术研究、开发的单位迅速成立。一个粉体技术热点正在许多行业和研究领域形成。,我国与超微粉体工程相关联的企业也已超过一千家，全国各类超细粉碎和分级设备生产厂家已发展到近100家。,2019/10/17,48,根据非金属矿行业协会的报告介绍，到2010年超细非矿产品的年产量为713万吨。需要超细粉碎设备980套、超细分级机1300台、改性设备485套、后处理设备550套。按照现在的价格计算，设备总价值约32亿元人民币。 除了在非金属矿加工领域自身应用外，粉体加工技术和设备在化工、建材等行业也有较大的市场，其需求量与非金属矿行业相当。,2019/10/17,49,我国超微粉体技术总状