材料工艺学(粉体制备)第3章1(终稿).ppt

材料工艺学 粉体制备 一 粉体的应用近代材料科学的发展 精微粉 超微粉 具有许多特异的性能被广泛应用 基本上每种材料均少不了粉体 特别是微粉 例如 粉末冶金过程 即是首先将金属制成微粉 后经过混料 冷压成型 烧结 机加工等工序制成了零件或物件 特别是对高熔点金属 这一过程可以在低于熔点的温度下完成 同时具有耐磨耐高温的特性 往塑料 橡胶等材料中加入某些粉体可以明显的改善其性能 如耐磨性 自润滑性及塑性等 在造纸 化肥 农药 牙膏 油漆 颜料 固体润滑剂 涂料以及磨料磨具等方面发挥着重要作用 复印机中所使用的碳粉 录音带 录相带中的磁性粉末也是众所周知的重要用途 将陶瓷粉末分散在金属中而得到陶瓷增强的金属陶瓷材料 要求 要求粉体极细 而且粒径分布要窄 超细粉体技术 超细粉体不仅本身是一种功能材料 而且为新的功能材料的复合与开发展现了广阔的应用前景 在国民经济各领域有着广泛的应用 起着极其重要的作用 二 粉体的性质 粉体已经渗透到非常广泛的材料工程领域中 粉体的质量则具有关键的作用 粉体颗粒的大小 粒度分布 颗粒形状 杂质的种类及含量 相组成及相对含量 缺陷比例及性质 聚集程度等 人们在制造粉体时希望能控制这些特性 以便用最经济的工艺得到高度重复的制品 最重要的质量指标之一是粒度 粒度决定了粉体产品的许多技术性能和应用范围 粉体的比表面积 化学反应速率 吸附性能 分散性 流变性 沉降速度 溶解性能 光学性能等等都与粉体的粒度大小和粒度分布有关 从烧结工艺上看 烧成收缩和粉体粒径及表面性质成比例 希望细 这样可有较低的烧结温度 表1粉料的粗细与烧结温度的关系 具有较高的自由能表面 明显的特征之一是 表面熔点 远低于 体积熔点 粉末冶金及陶瓷的烧结过程也正是基于这点才得以实现 三粒度组成及粒度分析 颗粒的粒度 粒度分布及形状能显著影响粉末及其产品的性质和用途 例如 水泥的凝结时间 强度与其细度有关 陶瓷原料和坯釉的粒度及粒度分布影响着许多工艺性能和理化性能 磨料的粒度及粒度分布决定其质量等级等 为了掌握生产线的工作情况和产品是否合格 在生产过程中必须按时取样并对产品进行粒度分布的检验 粉碎和分级也需要测量粒度 3 1粒度及其表示方法 粒度 颗粒或粒子大小的量度 它表明物料粉碎的程度 一般用mm或 m作单位 在实践中通常借用 直径 一词来表示 记为d 规则矿粒 不规则矿粒 针对单个矿粒 粒度 针对碎散物料 粒群 1 粒级 用某种分级方法 如筛分 将粒度范围宽的碎散物料粒群分成粒度范围窄的若干级别 这些级别称为粒级 2 粒度组成 粒度组成是指记录碎散物料粒群中各个粒级的质量分数的文字资料 它表明物料的粒度构成情况 是对碎散物料粒度分布特征的一种数字描述 3 平均粒度 平均粒度是碎散物料粒群中颗粒粒度大小的一种统计表示方法 3 2粒度分析方法 大吨位的碎散物料粒群 粒度分析的方法粒度分析 确定物料粒度组成的试验 3 2 1筛分分析 筛分分析是最古老的粒度分析方法之一 也是目前试验研究和生产实践中应用最多的粒度分析方法 这种方法实质上就是让已知质量的物料 试样 连续通过筛孔逐层减小的一套筛子 从而把物料分成不同的粒度级别 筛分分析的工具 标准筛 对于粗粒物料 一般6mm以上 多采用手筛进行人工筛析 也可以自己编织非标准的手筛进行 筛孔一般为150 120 100 80 70 50 25 15 12 6mm等 手筛就是把筛网固定在筛框上而构成的筛子 这种筛子可以根据需要随时加工 对于粒度在几毫米以下 6 0 038mm 的物料 则采用标准筛在振筛机上进行筛析 标准筛是一套筛孔尺寸有一定比例 筛孔大小和筛丝直径均按照标准制造的筛子 在使用标准筛时 需要按照筛孔的大小从上到下依次将各个筛子排列起来 这时各个筛子所处的层位次序叫做筛序 在叠好的筛序中 相邻两个筛子的筛孔尺寸之比称为筛比 标准套筛最上面有筛盖 防止筛分时物料的溅失 最下面设有筛底 收集最底层筛子的筛下产品 美国泰勒标准筛 美国国家标准筛及英国标准筛等的筛号 是以筛网上每英寸长度内所具有的方形筛孔数目 网目命名 前苏联标准筛的筛号以1厘米长度内的筛孔数或筛孔尺寸 微米 命名 德国标准筛筛号以1厘米长度内或1平方厘米筛面内的筛孔数目命名 德国标准筛各层的筛丝直径约为筛孔的2 3 我国采用ISO制 其筛孔尺寸以um和mm 3 2 2筛分分析方法 物料筛析时所用的最小代表性试样质量与试样的粒度有关 可按下列数值选取 筛分试样最小质量 筛分的方法可干筛或干湿联合筛 当物料含水 含泥较少 对分析结果的要求又不很严格时 可以直接进行干筛 当物料粘结严重 对分析结果的要求又比较严格时 则需要采用干筛和湿筛联合的方式进行筛分 干筛 将选好的标准套筛套好 把样品倒入最上层筛面 盖好筛盖 放在振筛机上筛分10 30分钟 依次将每层筛子取下 并作检查筛分 如果1分钟内所得筛下物小于筛上物料量的1 则认为筛分已到 终点 否则应该在振筛机上继续筛到 终点 干湿联合筛 先用细孔筛 如200目筛子 进行湿筛 待矿泥或细粒筛除干净后将筛上物烤干称重 根据原试料重量及筛上物重量推算筛下物重量 筛上物进行干法筛分 最底层细筛的筛下物仍并入洗出的细泥量合并计算 筛析结束后各粒级总重量与原试样重量之差不得超过原试样重量的1 否则应重做 3 2 3筛析结果的处理当筛析过程的物料质量损失不超过1 可以把各个粒级的质量之和作为100 来计算 可采用表格法或曲线法对筛分分析进行处理 1 表格法 四破碎和磨碎机械 用外力克服固体物料质点间的内聚力 而使大块物料破坏成碎散细小颗粒的过程称为粉碎 按照破碎力的作用形式及产物粒度常将粉碎过程细分为破碎和磨碎 破碎力主要是压应力及产物粒度大于5mm时称为破碎 破碎力主要是磨剥 击碎及产物粒度小于5mm时称为磨碎 根据粉碎前后物料粒度大小分为破碎 磨碎 超细粉碎作业 各作业又可分为许多阶段 4 1岩矿的机械强度岩矿的机械强度 是指岩矿单位面积所能承受的外力 也就是岩矿抗破坏的能力 岩矿被破碎的难易程度就与这种阻力有关 通常用静载下测定的抗压强度 抗拉强度 抗剪强度和抗弯强度等来表示岩矿的抗破碎能力 随着矿石粒度的减小 各种影响强度的宏观裂纹逐渐消失 不同的矿物聚合体逐渐解离 同种矿物聚合体粒子增多 因此细矿粒的机械强度增大 矿粒越细 机械强度越大 越难破碎磨碎 所以 用机械的方法将物料破碎到1 m以下是很困难的 4 2破碎方法所谓破碎方法 是指破碎力对待破碎物料的作用方式 目前 岩矿的破碎几乎都是采用机械破碎法 任何一种破碎机都不是只用一种力破碎矿石的 通常是以某种力为主 配合其他种类力的作用 因此破碎机械施于矿石的力是复杂的 破碎机中以压碎为主 配之以弯折 磨矿机中是冲击加磨剥 劈碎作用只能对强度低的煤块可以采用 硬度大的金属矿石不能采用 挤压 劈裂 折断 磨削 冲击 4 3破碎设备 概述 1 按照破碎机械使用的粒度范围可将破碎机械分为两大类 碎矿机和磨矿机 2 按照破碎方法及机械特征可将破碎机械分为 颚式破碎机 圆锥破碎机 辊式破碎机 冲击式破碎机 磨矿机等 3 根据处理物料的粒度 常将破碎设备分为粗碎破碎机和中细碎破碎机 4 3 1颚式破碎机这种设备的规格以给料口处两颚板间的间隙和颚板的宽度来表示 例如目前世界上使用的规格最大的颚式破碎机为1680 2130mm 可以破碎最大粒度达1220mm的物料 当排料口的宽度为203mm时 其处理能力为725t h 颚式破碎机最早由布莱克 W E Black 于1858年获得发明专利 经过100多年的发展 目前生产中使用的颚式破碎机主要有双肘板颚式破碎机和单肘板颚式破碎机2种 简摆鄂式破碎机工作原理示意图 磨矿作业是破碎过程的继续 它以破碎产品为给料 把矿石破碎至所要求的粒度 在选矿工业中 几乎都设有磨矿作业 在湿法冶金工厂 水泥厂及许多制备非金属有用矿物的工厂均采用磨矿 五 磨碎及磨碎机械 5 1球磨机的机构及工作原理 1 磨机的主要部件2 磨介或球荷 直径25 150mm 装入量为25 45 3 物料的运动 磨机内钢球的三种运动状态中 周转状态下由于球与衬板及球与球之间无相对运动 故无磨矿作用 应避免出现这种状态 在倾斜下次之 在抛落状态下 球荷之间及球与衬板之间有相对运动 有磨剥及冲击共同作用磨碎矿石 这种状态是磨机的最佳工作状态 球磨机人们称为粉碎机之王 经过漫长的发展历史 它已在超细粉碎领域占据着举足轻重的位置 近期在球磨机的基础上 开发出了多种形式的广义球磨机 如振动球磨 离心球磨 行星磨 离心滚动磨等 这些新机型的开发意味着球磨机正提高到一个新的水平 其中许多机型已进入实用阶段 5 2影响磨碎过程的因素 5 2 1物料性质的影响物料的硬度越大 可磨性就越小 磨机的生产率也就越低 一般来说 给料粒度越粗 磨碎到规定细度所需要的时间越长 磨机的生产率也就越低 磨机给矿粗时对磨机不利 对碎矿则有利 磨机给矿细时对磨机有利又对碎矿不利 因此 考虑磨机给矿粒度时应把碎矿与磨矿综合考虑 应使在某一粒度下对碎矿及磨矿的整体最有利 总费用最低 此粒度及磨机最适宜的粒度 它通常由实验确定 5 2 2磨机工作条件的影响磨机的转速率 装球率 磨矿浓度等因素对磨矿过程有着重大的影响 对磨机内钢球的运动分析说明 磨机的转速率及装球率一起决定着磨机内介质的运动状态 也就严重影响着磨矿作用 当转速率适宜时有最大的磨矿功效 生产率也最大 磨机的钢球不超过50 装球过多时中心部分的钢球只作蠕动 不能有效工作 球磨机的装球率一般是40 50 棒磨机是35 45 在其它条件不变时 磨矿介质的比重越大 磨机的功率消耗和生产率都较高 一般都用钢或铸铁作磨矿介质 装一种直径的球的效果不如装多种直径的球的效果好 粗粒宜用大球打 细粒宜用小球磨 物料中有粗细不等的各个级别 就应配以直径不同的钢球 磨机给矿速度应连续均匀 给矿少时磨机内空打现象多 磨损严重 过粉碎严重 给矿过多时易形成磨机胀肚 六 超细粉体技术的研究内容及范畴目前国外定义 粒径小于3 m的粉体被称之为超细粉体 根据我国超细粉体技术领域的现状及国情 定义粒径100 小于30 m的粉体为超细粉体 广义的纳米材料是指三维尺寸中至少有一维处于纳米尺寸 例如薄膜 纤维 微粒 多层膜 颗粒膜等 亦包括纳米微晶材料 6 1超细粉体的特性6 1 1微米及亚微米材料的特性 物理化学性质与大块材料的物理化学性质相差不大 但其表面积增大 表面能大 表面活性高 表面与界面性质发生了很大变化 超细粉体表面能大 表面活性高 单个超细颗粒往往处于不稳定状态 它们之间往往产生相互吸引以使自身转变成稳定状态 因此 导致了颗粒之间的团聚 为了充分利用超细粉体的表面与界面特性 必须采取一系列措施 使其处于良好 充分的分散状态 只有这样才能获得良好的使用效果 6 1 2纳米材料的特性 小尺寸效应当超细粒子的尺寸与光波波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时 周期性的边界条件将被破坏 声 光 电磁 热力学等特性均会呈现新的尺寸效应 纳米微粒的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域 例如 纳米微粒的熔点可以远低于块状金属 例如2nm的金颗粒熔点为600K 而块状金为1337K 此特性为粉末冶金工业提供了新工艺 表面与界面效应超细粉体颗粒尺寸小 表面积大 位于表面的原子占相当大的比例 随着粒径减小 表面积急剧变大 例如 粒径为10nm时 比表面积为90m2 g 粒径为5nm时 比表面积为180m2 g 粒径小到2nm时 比表面积猛增到450m2 g 这样高的比表面 使处于表面的原子数越来越多 大大增强了粒子的活性 6 2超细粉体及超细技术在国民经济各领域中的作用及地位 在军事 航空 航天及电子领域 利用超细粉体可制造隐身材料用于隐身飞机 隐身舰船和坦克 A 利用超细陶瓷粉可制成超硬抗冲击材料 可用其制造坦克和装甲车复合板 B 将固体氧化剂 炸药及催化剂超细化后 制成的推进剂的燃烧速度比普通推进剂的燃烧速度可提高1 10倍 这对制造高性能火箭及导弹十分有利 C 在电子领域 超细氧化铁粉可制造高性能磁性材料 超细高纯氧化硅可制造高性能电阻材料 在化工领域 催化剂超细后可使石油的裂解速度提高1 5倍油漆 涂料 染料中固体成分超细化后可制成高性能 高附着力的新型产品 在造纸 塑料及橡胶产品中 其固体填料如重质碳酸钙 氧化钛 氧化硅等超细化后可生产出高性能的纸 塑料及橡胶产品 在化纤 纺织行业 超细氧化钛 氧化硅的加入可以提高产品的质量及光滑度 在生物医药领域 医药超细后 外用或内服时可提高吸收率 疗效及利用率 适当条件下还可改变剂型 如微米 亚微米及纳米药粉制成针剂使用 在医疗诊断方面 可将超细粉体经适当处理后注入或服入人体进行各种病理诊断 在中药方面 超细技术的使用显得更加重要 中药材超细化后不仅可提高吸收率 疗效及利用率 而且还可使服用方便 避免了传统繁杂的饮片煎煮服用 在保健食品行业超细粉体技术的使用就更广泛 如茶叶 灵芝 孢子 花粉 螺旋藻 蔬菜 水果 珍珠 蚕丝 人参 贝壳 蛇 蚂蚁 甲鱼 动物和鱼类的鲜骨及脏器的超细化等都为人类提供了大量新型纯天然高吸收率的保健食品 化妆品和护肤品中的口红 粉饼 护肤膏 面膜 肥皂 牙膏 洗发液与洗澡液等产品中都含有大量的固体粉末 如钛白粉 碳酸钙 蚕丝 色素 颜料等 都希望越细越好 以口红为例 其中固体填料越细粘附力越强 涂于嘴唇上越不易掉色 在皮革纺织中 超细蚕丝粉的加入可制出高性能 高光滑度皮革 碳黑超细化后可制得高质量复印墨粉 纳米材料可用作结构材料与功能材料 A 当前结构材料的发展方向是复合 如微米 纳米复合化 例如 Al2O3与SiC于1800 热压后在1300 Ar气氛中退火2h 其断裂强度为1540MPa 而Al2O3仅为560MPa 且可改善其脆性 甚至可制成陶瓷弹簧 刀具等 B 纳米陶瓷粉与高分子材料复合 可以显著地增进工程塑料的力学性能 6 3超细粉体技术发展趋势 主要集中在超细粉体的制备 性能及应用三个方面 超细粉体制备技术主要在于研究新的制备原理 新的制备方法及新的制备设备 目的在于 能制备出粉体粒度更细 分布更窄更均匀 分散性更好 表面特性更优越的超细粉体 设备的生产能力大 产量高 能耗低 耐磨性好 对产品无污染 使用寿命长 工艺简单 生产连续 自动化程度高 产品质量稳定 生产安全可靠 超细粉体性能研究仍将是今后的主要研究任务 目的在于通过粒子设计对粒子进行改性或复合处理 使粒子达到所需的理想性能 1 研究重点在于寻找粒子改性或复合的机理 从理论上突破 用理论来指导粒子设计 研究寻找粒子改性或复合的新方法 新工艺和新设备 使制备出的粒子性能稳定可靠 并可用于工业化生产 2 研究出新的高性能复合超细粉体 使其具有多功能性 以提高超细粉体的使用性能与价值 6 4超细粉体制备方法及分类 按性质归类可分为物理方法和化学方法 按产品粒径大小可分为微米粉体制备法 亚微米粉体制备法 纳米粉体制备法 目前 国内外学者通常将超细粉体制备方法分为物理法和化学法两大类 工业上对超细粉体的制备方法提出了一系列严格要求 归纳起来有如下几点 产品粒度细而且均匀稳定 即产品的粒度分布范围要窄 产品纯度高 无污染 能耗低 产量高 产出率高 生产成本低 工艺简单连续 自动化程度高 生产安全可靠 只有基本满足这些要求的制备方法 才是有实用价值的方法 才有可能在工业上推广应用 存在于溶液中