材料基础制备 课件 4

1第二章物理法——2.3雾化法2.3.1雾化法的定义及原理2.3.2雾化法的分类与特点2.3.3应用案例2定义：借助空气、惰性气体、蒸汽、水等的冲击作用而使金属（合金）液体直接破碎成为细小液滴，经冷却凝固成固体颗粒（一般小于150µm）。2.3.1雾化法的定义及原理在坩埚里将金属（合金）熔化成液体状态，通过气体喷嘴将液体破碎成细小液滴，细小液滴在下降过程中，由液态变为半固态，最后变为固态颗粒。3动能的交换——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体特性变化——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——高能比表面积颗粒的化学活性强，与雾化介质会发生一定程度的化学反应雾化过程4圆柱射流破碎是圆柱状液体射流受到周围空气等介质扰动产生不稳定波，随着扰动波的逐渐增大并破裂，液柱表面将会剥离出大颗粒液滴。液流破碎雾化原理——圆柱射流破碎理论

瑞利(L.Rayleigh)提出5液流破碎雾化原理——圆柱射流破碎理论

韦伯(C.Weber)——考虑气动力和液体粘性力对圆柱射流破碎的影响

6薄膜射流破碎理论则可以概括为液体射流会在喷嘴出口处形成薄膜，薄膜表面扰动波波长会在自身的流动速度作用和高速气流气动力的作用下不断增加，当达到破碎临界值时，薄膜发生破碎。液流破碎雾化原理——薄膜破碎理论液流的初次破碎——连续的液流在外部气体扰动下雾化破碎成为大颗粒液滴；液流的二次破碎——大颗粒液滴因其表面受力逐渐增大从而克服内部阻力在距离喷嘴较远的地方雾化破碎为微小颗粒液滴。7当液流的雾化破碎过程中所受的气动力为纵向气动力时瑞利型分裂——液流表面的张力的增大导致液流表面产生对称振荡，这些表面振荡在液流的下游引发液流的破碎，产生的液块将会大于液流射流的直径初次破碎8当液流的雾化破碎过程中所受的气动力为纵向气动力时第一类风生破碎——破碎产生的液块直径与液流的直径为间一量级；第二类风生破碎——所产生的液体颗粒小于液流直径；雾化破碎——液流在射出液流通道出口后立即发生破碎，破碎后形成大量细微的雾化颗粒，这些雾化颗粒的直径远小于液流直径。初次破碎9当液流的雾化破碎过程中所受的气动力为横向气动力时柱状破碎——We<4，液柱略微发生形变，表现为液流在介质环境中呈抛物线状，表面张力难以维持液流的连续性，在液流下游出现振荡并破裂成许多一个大液块附带小液滴的雾化颗粒液滴群。初次破碎10当液流的雾化破碎过程中所受的气动力为横向气动力时袋状破碎——4<We<30，此时横风较强，液流在横风方向上振荡不断增强，液流下游开始出现振荡波波峰波谷，震荡波的波峰在横风的作用下破碎并展开，呈现的形态为周边较厚中心薄膜。初次破碎11当液流的雾化破碎过程中所受的气动力为横向气动力时液流多模态破碎——30<We<110，横风继续增强,各类液流破碎模式之间没有明确的边界，在该种模式下依然存在袋状破碎模式。初次破碎12当液流的雾化破碎过程中所受的气动力为横向气动力时剪切破碎——We＞110，横向气流的气动力足够大，液流刚从液流通道射出还未发生明显的抛物线状偏移，就已经破碎成雾化颗粒。初次破碎13破碎期——半水泡型液滴首先会在上部发生破裂，进一步演变成一个由大液滴环绕四周呈圆环形，圆环中心为无数小液滴的液滴群，在高速气流的作用下继续破碎成形状不均匀的小粒径液滴。二次破碎14变形期——小液滴在外界环境中的变化首先是发生变形而后破碎分解，大粒径液滴变形的方式会根据其在外界高速气流环境中所受的气流扰动的方式不同而产生区别径。二次破碎15优点所得粒子微细、组成均匀——因干燥时间短，整个过程迅速完成，每一颗多组分微细液滴在反应过程中来不及发生偏析，从而获得组成均匀的超微粒子。产物粒子组成可控——因起始原料在溶液状态下均匀混合，故可精确地控制所合，成化合物或功能材料的最终组成。产物性能优异，控制操作条件极易制得各种具有不同形态和性能的微细粉体——由于利用了物料的热分解，所以制备材料的反应温度较低，特别适合于晶状复合氧化物的制备。同时与其他方法制备的材料相比，产物的表观密度小，比表面积大，微粉的烧结性能好。4) 可连续生产，产量较大，成本低廉——操作过程简单，反应一次完成，并且可以连续进行。产物无需水洗过滤和粉碎研磨，避免不必要的污染，保证产物的纯度。2.3.2雾化法的分类与特点16雾化法的分类雾化制粉一般分为：双流雾化（雾化的液体流+喷射的介质流）和单流雾化（雾化的液体流，直接通过离心力、压力差或机械冲击力作用实现雾化）。

工业上根据冷却介质的种类分为：水雾化（高压水流）气雾化（高压气流）根据雾化装置的结构分为：离心雾化（离心力破碎）

真空雾化（真空环境）

超声雾化（超声波能量）双流雾化——根据喷射介质流的不同又分为气雾化和水雾化：17优点：生产效率高，易制取合金粉体；可通过改变喷射条件调控粉体的粒度和形状（增加喷雾介质压力最为有效）；缺点：是对材料的熔点有限制，得到的粉体纯度不高18离心雾化（借助离心力将液态金属破碎为小液滴）

单流雾化——根据作用力的不同，又分为离心雾化和超声雾化19

旋转电极离心雾化法以金属或合金制成自耗电极，金属电极棒高速旋转，其端面受电弧加热而熔融为液体，通过电极高速旋转的离心力将液体抛出并粉碎为细小液滴，继之冷凝为粉末的制粉方法。高速旋转的自耗电极构成直流电路的阳极，阴极是带水冷的非自耗钨电极或等离子枪。旋转电极制粉设备是由一个直径达2m多的箱体组成，旋转自耗电极通过密封轴承装入其中，电极长轴水平地处于箱体中心线位置，箱体内冲入惰性气体作为保护气。电极旋转速度高达15000-25000r/min，其粒度分布范围50-500μｍ，颗粒形状非常接近球形，表面光洁，流动性好。20

旋转盘雾化粉末颗粒为球形，冷却速率可达104-106K/s量级。转盘结构、转速、过热度是影响离心雾化效果最主要的原因。离心雾化法具备生产效率高、微粉颗粒均匀、粒度容易控制、成品率较高、氧化程度较小和生产成本低等诸多优点，但离心电机的转速较高，对电机轴承和电机的耐热性和耐耗性要求较高，并且对于氧化的防护需要安装抽真空设备，这样对设备的密闭性要求较高。使熔融液流冲撞在快速旋转的圆盘表面，利用高速电机带动水冷圆盘产生的离心力，熔融金属液沿径向方向迅速向外分布，