粉体的堆积密度.ppt

材料科学与工程学院,粉体成形技术,李生娟tel:55270103email:usstshenli,第一部分粉体成形原理,1.1颗粒和粉体的基本概念1.2颗粒的物性及表征1.3粉体的物性1.4粉体成形原理,粉体成形原理,粉体学(micromeritics)是研究无数颗粒集合体-粉体的基本性质及其应用的科学。粉体的物态特征：具有与液体相类似的流动性；具有与气体相类似的压缩性；具有固体的抗变形能力。,1.3粉体的特性,粉体成形原理,1.3.1粉体的表面特性,（1）粉体颗粒的表面能(surfaceenergy)和表面状态粉体颗粒表面的“过剩能量”称为粉体颗粒的表面能。下表所示当粒径发生变化时，一般物质颗粒其原子数与表面原子数之间的比例变化,2019/12/18,李生娟usstshenli,图示：粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。颗粒的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。-表面效应,表面效应,球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100米2，这时的表面效应将不容忽略。,粉体成形原理,超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒进行实时观察,发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。抑制活性-防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。,粉体成形原理,1.3.2粉体的堆积物性,1.概念粉体的堆积密度指单位堆体积粉体的质量。由于粉体的颗粒内部和颗粒间存在空隙，粉体的体积具有特殊的含义。粉体的堆积密度取决于：颗粒形状、尺寸、尺寸分布、堆积方式（颗粒物性和集群形式）,一、粉体的堆积密度,粉体成形原理,2.与颗粒密度比较,1）真密度（truedensity)/材料密度：指粉体质量（m）除以不包括颗粒孔隙的体积（真体积vp）求得的密度。,p,abs=m/vp,2）颗粒密度（granuledensity)/动力密度p,是指粉体质量除以包括孔隙在内的颗粒体积v所求得密度。,p=m/v,若颗粒致密，无细孔和空洞，则两种密度相等,粉体质量除以该粉体的堆积体积vb松动堆积密度重力作用自由沉积后的堆积紧密堆积密度振动和轻敲达紧密堆积（tapdensity）堆积方式对小颗粒的影响较大。,3.粉体的堆积密度（bulkdensity)b,b=m/vb,粉体成形原理,将粉体装入容器中所测得的体积粉体堆积体积，包括颗粒间空隙。测量容器的形状、大小、物料的装填速度及装填方式等均影响粉体体积。不施加外力时所测得的密度为松动堆积密度，施加外力而使粉体处于最紧充填状态下所测得的密度是紧密堆积密度。,4.松动堆积密度与紧密堆积密度的测定,粉体成形原理,粉体的堆积密度,细川粉体物性测试机,松动堆积,紧密堆积,b=m/vb,b，a,b，t,振动筛（在上，使团聚分散，稍大于颗粒的最大尺寸）,振动设备（在下，使颗粒振实，取走外接设备，刮平）,空隙率（voidage）是粉体层颗粒间的空隙所占有的比率。粉体空隙率=（vbvp）/vb=1-b/p与颗粒的多孔率/孔隙率（porosity）比较e=（v-vp）/v=1-p/p,abs粉体填充率1-空隙率,二、粉体的空隙率,粉体成形原理,影响因素=1-b/p,堆积空隙率分松动堆积空隙率和紧密堆积空隙率尺寸：颗粒尺寸减小-松动堆积空隙率增大形状：不规则颗粒的球形的松动空隙率球形度越小-堆积空隙率越增加尺寸分布：分布较宽的球形的松动空隙率球形度越小-堆积空隙率越增加,颗粒尺寸及形状对松动堆积空隙率的影响,影响因素=1-b/p,粉体成形原理,颗粒球形度对松动和紧密堆积空隙率的影响,影响因素=1-b/p,尺寸分布：分布较宽的分布较窄的松动空隙率,粉体成形原理,颗粒的拱桥效应,粉体自由堆积的空隙率往往比理论计算值大得多，就是因为实际粉体颗粒不是球形，加上表面粗糙，以及附着和凝聚的作用，导致颗粒互相交错咬合，形成拱桥型空间，增大了空隙率。这种现象称为拱桥效应。,粉体成形原理,1.3.3粉体的摩擦性,内摩擦角-粉体即颗粒群从运动到静止状态所形成的角是表征粉体流动状态的重要参数。颗粒处于运动状态时其运动状态与摩擦状态有关由于颗粒间的摩擦力和内聚力而形成的角统称为摩擦角。安息角是自然堆积状态下，粉体层自由表面与水平面之间的夹角。内摩擦角是粉体在外力作用下达到规定的紧密状态时，受强制剪切时所形成的角。对于无附着性的粉体而言，安息角和内摩擦角虽然数值相等，但物理性质不同。,粉体成形原理,粉体所受作用力1)颗粒粒径越大，hr值越小hr可压缩性团聚性流动性c=（11/hr）100%,粉体成形原理,(1)粉体的流动性影响因素1)与颗粒的物性：形状、大小、表面状态、密度、空隙率等有关；2)与粉体技术的单元操作：储存、给料、输送、混合等有关系。粉体的流动包括重力流动、压缩流动、流态化流动等多种形式。,粉体成形原理,二、粉体的流动性,是将物料加入漏斗中，测量全部物料流出所需的时间，即为流出速度。粉体流动性差时可加入100m的玻璃球助流。流出速度越大，粉体流动性越好。,(2)流出速度(flowvelocity),粉体成形原理,容器形状、颗粒性质的影响-流动情况复杂理论的运动方程式难导出，一般是试验的基础上总结出公式流出孔孔径/颗粒直径db/dpdb/dp10时，流量不均匀，为不连续流,粉体成形原理,粉体从孔中流出重力流动,研究断面设玻璃，层状填充染色粒子-piv粒子图像测速技术(particleimagevelocimetry)直筒料仓颗粒运动轨迹-均匀运动，垂直移动-孔口移动，偏垂直-剪切力作用，激烈运动，速度增大-不移动，与安息角相等,粉体处理过程（储存、输送）遇到的问题料仓内的粉体由于粉体压力、颗粒间的附着力、凝聚力等作用，造成的结拱、堵塞现象，使粉体处理过程的连续化和自动化出现故障。,粉体成形原理,减小粉体颗粒间的附着力1.增大颗粒粒径对于粘附性的粉体颗粒进行造粒，以减少粒子间的接触点数，降低粒子间的附着力、凝聚力。2.颗粒物性球形颗粒光滑表面，能减少接触点，减少摩擦力。3.含湿量适当干燥有利于减弱颗粒间的作用力。4.加入助流剂的影响加入0.5%2%滑石粉、微粉硅胶等助流剂可大大改善粉体的流动性。但过多使用反而增加阻力。,粉体流动性的影响因素与改善方法,定义：自然堆积状态下，粉体层自由表面与水平面之间的最大夹角，用表示，越小流动性越好。tan=h/r,粉体流动性的评价,粘性粉体或粒径小于200m的粉体颗粒间作用力较大而流动性差，则安息角较大。,三、粉体的安息角/休止角(angleofrepose),安息角的两种形式：,注入角（堆积角）-在某高度下将粉体注入理论无限大平板上形成的排出角将粉体注入有限直径的圆板上，再多注入就从边缘排出而在圆板上形成的,测定方法：a）火山口法；b）排出法；c）残留圆锥法；d）等高注入法；e）容器倾斜法；f）回转圆筒法,粉体成形原理,火山口法测定时粒度对安息角的影响,粉体成形原理,粒度较大时，安息角与粒度成正相关,a,b,堆积状态对安息角的影响,粉体成形原理,对大多数粉体，松动堆积空隙率与安息角的关系,颗粒形状越规则安息角越小流动性强球形颗粒的粉体：23-28度，流动性好；规则颗粒的粉体：30度；不规则颗粒的粉体：35度极不规则颗粒的粉体：40度，极差的流动性,细颗粒的粉体：较强的可压缩性和团聚性，则安息角与过程有关。粉体从容器流出的速度容器的提升速度转筒的旋转速度安息角不是细颗粒的基本物性,粉体成形原理,四、粉体的开放屈服强度,料仓中的粉体处于一定压力下具有固结强度（与压力及压力作用时间、温度、湿度有关），如在卸料口形成稳定的料拱，此料拱的固结强度，即物料的开放屈服强度fc。又称开放屈服应力。,粉体成形原理,a）理想圆柱圆筒、筒壁无摩擦，装入粉体，预加压应力下压实,b）移去圆筒，在不加任何侧向支撑的情况下，被预加压应力压实的粉体不倒塌，说明其具有一定的固结强度开放屈服强度,c）如粉体倒塌，此粉体的开放屈服强度fc0。开放屈服强度值小的粉体流动性好，不易结拱。,四、粉体的开放屈服强度,粉体成形原理,开放屈服强度（应力）-使拱破坏的最大正应力。是粉体的物性.,开放屈服强度的确定,粉体结拱的开放屈服强度与拱的自由表面相垂直，且应与莫尔应力圆相切自由表面上既无正应力也无剪应力，对应于临界流动曲线的坐标原点处与拱自由表面相垂直的表面位于横轴上；且结拱破坏，粉体开始流动，临界流动线与莫尔应力圆相切-则开放屈服强度对应于莫尔圆与横轴的交点,由粉体拱处于临界流动时的应力圆的几何关系得：,粉体成形原理,粉体成形原理,五、jenike流动函数ff,jenike定义粉体流动函数：预压缩应力与粉体的开放屈服强度之比，,粉体成形原理,粉体成形原理,六、拱应力分析,粉体成形原理,取上图中的微元进行力学分析：,拱重可以近似为：,于自由表面垂直的面上的作用力：,粉体成形原理,粉体成形原理,粉体成形原理,粉体拱的类型,拱形成原因分类：a）压缩拱：粉体因受料仓内物料自重压力作用，使其固结强度增加而导致结拱（饲料厂）b）楔形拱：块状物料因形状不规则相互啮合达到力平衡，在泄料口附进形成架桥，（饲料厂少见，草粉厂）c）粘结粘附拱：粘结性强的物料在含水、吸潮或静电作用下而增强了物料与仓壁的黏附力所致；d）气压平衡拱：料仓气密性差，导致大量空气漏入仓斗下部，当料层上下气压达到平衡时就形成气压平衡拱。,粉体成形原理,防止结拱的措施,改善仓斗的几何形状及其尺寸；降低粉体压力；减小仓壁摩擦阻力。具体：1增大仓斗壁倾角；2增大泄料口尺寸；3采用偏心卸料口或非对称料斗；4减小仓内壁摩擦力；5采用仓壁垂直插板：在仓斗易结拱部位的仓壁处设置一个可升降的插板。当结拱时向上拉起插板可破坏拱脚，直到料拱完全塌落，物料流动通畅后关闭插板；6仓内装改流体，改变料流方向；7振动破拱;8气力破拱,粉体成形原理,防止结拱的措施列表