粉末的制备精品课件

1、粉末的制备第1页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 机械制粉 物理制粉 化学制粉第2页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第一章 机械制粉法 机械研磨 气流研磨第3页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第4页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二机械制粉方法的实质就是利用动能来破坏材料的内结合力，使材料分裂产生新的界面。2.1 机械研磨法 能够提供动能的方法可以设计出许多种，例如有锤捣、研磨、辊轧、等，其中除研磨外，其他几种粉碎方法主要是用于物料破碎及粗粉制备的。第5页，共111页，2022年，5月20日，

2、17点12分，星期二 物料颗粒受机械力作用而被粉碎时，还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷作用导致颗粒晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。研磨的理论基础 机械力化学第6页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二粉碎作用力的作用形式第7页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二颗粒结构变化，如表面结构自发地重组，形成非晶态结构或重结晶颗粒表面物理化学性质变化，如表面电性、物理与化学吸附、溶解性、分散与团聚性质在局部受反复应力作用区域产生化学反应，如由一种物质转变为另一种物质，释放出气体、外来离子进入晶体结构中引起原物料中化学组成变化

3、。第8页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二球磨制粉包括四个基本要素：球磨筒磨球研磨物料研磨介质球磨制粉第9页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 在球磨过程中，球磨筒将机械能传递到筒内的球磨物料及介质上，相互间产生正向冲击力、侧向挤压力、摩擦力等，当这些复杂的外力作用到脆性粉末颗粒上时，细化过程实质上就是大颗粒的不断解理过程；如果粉末的塑性较强，则颗粒的细化过程较为复杂，存在着磨削、变形、加工硬化、断裂和冷焊等行为，不论何种性质的研磨物料，提高球磨效率的基本原则是一致的。第10页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二1.动能准则

4、：提高磨球的动能2.碰撞几率准则：提高磨球的有效碰撞几率球磨制粉的基本原则第11页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二滚筒式行星式振动式搅动式球磨制粉的基本方式第12页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二滚筒式球磨第13页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二转速较低时，球料混合体与筒壁做相对滑动运动并保持一定的斜度。随转速的增加，球料混合体斜度增加，抬升高度加大，这时磨球并不脱离筒壁；转速达一临界值V临1时，磨球开始抛落下来，形成了球与筒及球与球间的碰撞；转速增加到某一值时，磨球的离心力大于其重力，这时磨球、粉料与磨筒处于相对静

5、止状态，此时研磨作用停止，这个转速被称为临界转速V临2。第14页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二D是磨筒的直径滚筒球磨的转速应有一个限定条件V临1 V 实际 V临2第15页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二限定条件实际上与这一动能准则相悖，因此滚筒球磨的球磨效率是很有限的。为了克服这个不足，人们又进一步开发了新的球磨方法。第16页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二振动球磨第17页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第18页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第19页，共111页

6、，2022年，5月20日，17点12分，星期二行星球磨第20页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二搅动球磨第21页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二横臂均匀分布在不同高度上，并互成一定角度。球磨过程中，磨球与粉料一起呈螺旋方式上升，到了上端后在中心搅拌棒周围产生旋涡，然后沿轴线下降，如此循环往复。只要转速和装球量合适，在任何情况下磨筒底部都不会出现死角由于磨球的动能是由转轴横臂的搅动提供的，研磨时不会存在象滚筒球磨那样有临界转速的限制，因此，磨球的动能大大增加。同时还可以采用提高搅动转速。减小磨球直径的办法来提高磨球的总撞击几率而不减小研磨球的总动

7、能，这样才符合了提高机械球磨效率的两个基本准则。第22页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二气流研磨法 通过气体传输粉料的一种研磨方法。与机械研磨法不同的是，气流研磨不需要磨球及其它辅助研磨介质。研磨腔内是粉末与气体的两相混合物。根据粉料的化学性质，可采用不同的气源，如陶瓷粉多采用空气，而金属粉末则需要用惰性气体或还原性气体。由于不使用研磨球及研磨介质，所以气流研磨粉的化学纯度一般比机械研磨法的要高。第23页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二1.动能准则：提高粉末颗粒的动能2.碰撞几率准则：提高粉末颗粒的碰撞几率气流研磨制粉的基本原则第24页，共1

8、11页，2022年，5月20日，17点12分，星期二由于粉末颗粒的运动是从流态气体中获得的，因此，提高颗粒的动能必须要提高载流气体的速度。两种办法来实现提高气体的入口压力气体喷嘴的气体动力学设计通过这两种办法使喷嘴出口端的气体流速达超音速第25页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二气流研磨三种类型：旋涡研磨冷流冲击流态化床气流磨第26页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二旋涡研磨第27页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二冷流冲击第28页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二加速效应：加速后的气体可超过音速；

9、冷却效应：气粉混合物的温度能降到零度以下。这两点对于颗粒的粉碎十分有利，其一是颗粒的撞击动能增大，其二是金属颗粒的冷脆性提高。夹带有粉料的高压气流通过一个称为拉瓦尔管型硬质合金喷嘴喷向空间时，气体压力急剧下降，形成绝热膨胀过程。这一过程会同时产生两种效应第29页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第30页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二流态化床气流磨第31页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第32页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第33页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第

10、34页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二可获得超细粉体，并且粉末粒度均匀；由于气体绝热膨胀造成温度下降，所以可研磨低熔点物料；粉末不与研磨系统部件发生过度的磨损，因此粉末杂质含量少；针对不同的性质的粉末，可使用空气、N2、Ar等惰性气体。流态化床气流磨的特点：第35页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第36页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第二章 物理制粉法 雾化法 蒸发凝聚法第37页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 雾化法是一种典型的物理制粉方法，是通过高压雾化介质，如气体或水强烈冲击液流，或

11、通过离心力使之破碎、冷却凝固来实现的。第一节 雾化制粉法第38页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 雾化机理雾化聚并凝固第39页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二过程一：大的液珠当受到外力冲击的瞬间，破碎成数个小液滴，假设在破碎瞬间液体温度不变，则液体的能量变化可近似为液体的表面能增加。很明显，雾化时液体吸收的能量与雾化液滴的粒径存在一个对应关系，即：吸收的能量越高则粒径越小；反之亦然。第40页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二过程二：液体颗粒破碎的同时，还可能发生颗粒间相互接触，再次成为一个较大的液体颗粒，并且液体颗粒形

12、状向球形转化，这个过程中，体系的总表面能降低，属于自发过程。过程三：液体颗粒冷却形成小的固体颗粒。第41页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二1、能量交换准则 提高单位时间、单位质量液体从系统中吸收能量的效率，以克服表面自由能的增加。2、快速凝固准则 提高雾化液滴的冷却速度，防止液体微粒的再次聚集。提高雾化制粉效率基本准则第42页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 雾化制粉分类双流雾化 指被雾化的液体流和喷射的介质流；单流雾化 直接通过离心力、压力差或机械冲击力实现雾化第43页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 双流雾化法气

13、雾化水雾化注：适合于金属粉末制备第44页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 金属液由上方孔流出时与沿一定角度高速射击的气体或水相遇，然后被击碎成小液滴，随着液滴与气体或水流的混合流动，液滴的热量被雾化介质迅速带走，使液滴在很短的时间内凝固成为粉末颗粒。第45页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二雾化过程的四种情况动能交换：雾化介质的动能转变为金属液滴的表面能；热量交换：雾化介质带走大量的液固相变潜热；流变特性变化：液态金属的粘度及表面张力随温度的降低而不断发生变化；化学反应：高比表面积颗粒（液滴或粉粒）的化学活性很强，会发生一定程度的化学反应。第4

14、6页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二气雾化的四个区域负压紊流区高速气流的抽吸作用，在喷嘴中心孔下方形成负压紊流层；颗粒形成区在气流冲击下，金属液流分裂为许多液滴；有效雾化区气流汇集点对原始液滴产生强烈破碎作用，进一步细化；冷却凝固区细化的液滴的热量迅速传递给雾化介质，凝固为粉末颗粒。第47页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第48页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二气雾化制粉的影响因素（1）气体动能（2）喷嘴结构（3）液流性质（4）喷射方式第49页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二（1）气体动能

15、根据气体动力学原理，喷嘴出口处的气流速度可由下式表示第50页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二式中 g重力加速度 R气体常数 K压容比，即Cp/Cv，空气的K值等1.4 T压缩气体进喷嘴前的温度，K P1气体流往环境的压力 P2使气体流出喷嘴的压力 如果以空气为雾化介质进行雾化，假设T2不变化，将P1=1大气压，K=1.4代入式上式 ，则可变形为其中，K为由g和R合成的一个比例常数。可以看出，随着气体压力P的增大，气体的流速V也同时增大，但存在一个极限值。第51页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二雾化介质的动能 N=MV2/2比较M与V，V对提高

16、动能的效果更显著，所以可以得出以下结论：增大气体压力，能够增加气体的喷射速度，因而有利于金属液体雾化率的提高。前提条件，即保持金属液的流量为定值。第52页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二。 对于一个实际的气雾化系统，出现的情况较上面讨论的要复杂些，因为在提高雾化压力的同时，射流气体会产生很强的抽吸力，导致金属液流量加大。以Vg表示喷嘴处的气体体积流量，ml表示金属液漏嘴端的质量流量。依据提高单位时间、单位质量的液体能量转换准则，为提高气雾化效果所应采取的措施就是增大Vg / ml的比值。这个结论可由实际获得的下图明显说明。第53页，共111页，2022年，5月20日，

17、17点12分，星期二第54页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二（2）喷嘴结构嘴结构应具备以下基本条件；雾化介质获得尽可能高的出口速度；雾化介质与金属液流之间形成合理的喷射角度；金属液流产生最大的紊流；金属液流雾化稳定，不会因出口负压造成喷嘴堵塞。第55页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二（3）液流性质金属液的表面张力金属液的粘度金属液的的化学组成金属液的过热温度第56页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二（4）喷射方式按照雾化介质对流体的作用可分为以下几种第57页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第5

18、8页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第59页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第60页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第61页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 离心雾化法离心雾化法是借助离心力的作用将液态金属破碎为小液滴，然后凝固为固态粉末颗粒的方法。1974年，首先由美国提出旋转电极雾化制粉法，后来又发展了旋转锭模、旋转园盘等离心雾化方法。第62页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二旋转电极法粉末平均粒度为D=（M0。12/wd0。64）(r/m)0。43式中 M 熔化

19、速度 d阳极直径 W角速度 D熔体表面张力 m密度第63页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第64页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第65页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二旋转锭模法（又称旋转坩埚法）：第66页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二旋转盘法：旋转盘法最早于1976的美国Pratt & Whitney 飞机制造公司研制出，用来制备超合金粉末。这种方法获得的粉末平均粒度同园盘转速有关，转速越高，则平均粒度越小，细粉收得率越高。第67页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星

20、期二粉末平均粒度及100目以下粉末收得率随雾化盘转速而变化的情况第68页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第69页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第70页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二旋转轮法第71页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二旋转杯第72页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二旋转网第73页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二雾化制粉的一些特性1、雾化制粉主要用于金属或合金，对于一些可熔的氧化物陶瓷材料，也可采用这种方法进行加工。但由于氧化物陶

21、瓷熔体的粘度、表面张力很大，所以一般不能获得细微陶瓷粉体，但可获得短纤维、小珠或空心球，例如，硅酸铝纤维、氧化锆磨球、氧化铝空心球等。2、雾化制粉是一种快速凝固技术，能够增加金属元素的固溶度。第74页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二3. 极大地降低了成分偏析，粉末成分均匀，某些有害相，如高温合金中的相，可能因激冷而受到抑制，甚至消除。4. 冷速提高，枝晶间距减小，晶粒细化，材料的晶体结构向非稳态转变，可获得细晶、微晶、准晶直至非晶粉末。第75页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第二节 物理蒸发冷凝法 物理蒸发冷凝制粉是一种制备超微金属粉末的重要

22、方法，采用不同的能量输入方式，使金属气化，然后再在冷凝壁上沉积从而获得金属粉末。由于粉末的粒度很小，比表面积很大，因而化学活性很强。为防止金属粉末氧化，在冷凝室内一般都要通入惰性气体。这样在金属蒸气脱离熔体的很短时间内，会被周围气体迅速冷却，金属原子很快聚集成超微颗粒。同其他金属粉末制备方法相比，物理蒸发冷凝法生产效率是较低的，但这种方法可获得最小粒径达2 nm的纳米颗粒。第76页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二电阻加热方式等离子体加热方式激光加热方式 电子束加热方式高频感应加热方式按能量输入方式来划分，物理蒸发冷凝法可分为以下几种第77页，共111页，2022年，5

23、月20日，17点12分，星期二第78页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第79页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第80页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第81页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第82页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第三章 化学制粉法 化学气相沉积法 化学还原法 电化学制粉法第83页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 气相沉积制粉是通过某种形式的能量输入，使气相物质发生气固相变或气相化学反应，生成金属或陶瓷粉体。 物理气相沉积法

24、 化学气相沉积法第84页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二一、化学气相沉积的反应类型分解反应 化学气相沉积法化合反应第85页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二二、化学气相沉积制粉原理1. 化学反应2. 均相形核3. 晶粒生长4. 团 聚制粉过程包括四个步骤：第86页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二化合反应由上式可知，化学气相沉积反应的控制因素包括：1）反应温度、2）气相反应物浓度、3）气相生成物浓度1.化学反应对一个确定的化学反应，判断其能否进行的热力学判据为：分解反应第87页，共111页，2022年，5月20日，17点

25、12分，星期二 气相反应发生后的瞬间，在反应区内形成了产物蒸气，当反应进行到一定程度时，产物蒸气浓度达到过饱和状态，这时产物晶核就会形成。由于体系中无晶种或晶核生成基底，因此反应产物晶核的形成是个均匀形核过程。假设晶核为球形，半径为r，则形成一个晶核，体系自由能的变化为：2.均匀形核为固气相的体积自由能差为晶核的表面能第88页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二临界形核半径对应大小的晶核则被称为临界晶核第89页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二晶核的表面能晶核中原子或分子的体积玻尔兹曼常数产物的气相分压产物的饱和蒸气压，过饱和程度。P0P/P0第9

26、0页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二结论： 温度越高，过饱和度越大，则临界晶核尺寸越小，晶核形成能越低，对晶体生成越有利。第91页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 均相晶核形成之后，稳定存在的晶核便开始晶粒生长过程。小晶粒通过对气相产物分子的吸附或重构，使自身不断长大。理论和实践都表明：晶粒生长过程主要受产物分子从反应体系中向晶粒表面的扩散迁移速率所控制。3.晶粒生长 第92页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二 颗粒之间由于存在着较弱的吸附力作用，主要包括范德华力、静电引力等，颗粒之间会发生聚集，颗粒越小，则聚集效果越

27、明显，这一现象被称为团聚。对于超微粉末，团聚是一个普遍存在并不容忽视的问题，在实际使用超微粉末时，如果不能有效地解决团聚问题，则粉末就可能失去其特有的性质。4.团 聚 第93页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二三、化学气相沉积类型 热分解法热分解法中最为典型的就是羰基物热分解，它是一种由金属羰基化合物加热分解制取粉末的方法，整个过程的关键环节就是制备金属羰基化合物第94页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二第一步：合成羰基镍第二步：羰基镍热分解第95页，共111页，2022年，5月20日，17点12分，星期二气 相 氢 还 原 还原剂-氢气气相金属热还原 还原剂-低熔点、低沸点的金属（Mg、Ca、Na）两类反应的反应物均选用低沸点的金属卤化物且以氯化物为主 气相还原法第96页，共111页，2022年，5月20日，17点1