粉体工程第一部分.ppt

1、Powder Engineering 粉体工程 陈彩凤 江苏大学材料学院,绪 论,1、粉体：（Powder） 粉末，粉末体。 The aggregate system consists of lots of solid particles and porous between the particles.,还原铁粉,超细铁粉,球形铜粉,陶瓷粉体,2、粉体工程：（Powder Engineering） A kind of technology and science emphases the characterization and preparation of powder, and powd

2、er-handing operation. 粉末检测， 粉末制备，粉体加工过程单元操作,粉末检测： 粉末尺度（粒径与粒径分布、形状、比表面积） 粉体特性（流动性、粘性、堆积特性、压缩性、成形性） 粉末物理与化学性质（光、电、磁、催化特性）,纳米粉末电镜照片,针状SiC,粉末制备,等离子体化学反应装置,球形ZrO2粉末,粉体加工过程单元操作,粉碎分级收尘,粉碎收尘,粉体工程涉及的领域：,矿业资源：无机矿物资源 陶瓷材料：氧化铝、氧化锆陶瓷 化学工业：催化剂 冶金工业：粉末冶金材料、耐火材料 电子材料：集成电路基板 军事领域：固体推进剂 机械工业：磨料、润滑剂,矿物晶体,氧化铝陶瓷,高导热性BeO

3、陶瓷,铁基粉末冶金制品,双面孔Al2O3基板,高温电路基板,东风21洲际导弹两级固体推进,航天飞机,粉体工程发展趋势： 向生命科学、环境保护、信息工程领域延伸 粉体的微细化与功能化 粉体的深加工与装备现代化,肿瘤靶向识别,喷射气流粉碎设备,粉体功能化示意,我国粉体工业的特点与差距：,丰富的原材料与市场 较大规模的产量 品种单一、性质不稳定，特别是不能满足高端市场的要求,ZrO2陶瓷插芯毛坏(素管)生产工艺流程及设备,本门课程的主要内容,I: Particle characterization and Measurement （粉末表征与测量） II: Preparation of Powder

4、 （粉末制备） III: Powder-Handling Operation （粉体工程单元操作）,粉体技术导论 陆厚根, 同济大学出版社 粉体工程 蒋阳,程继贵, 合肥工业大学出版社 粉体工程与设备 陶珍东,郑少华 化学工业出版社 粉体工程 张少明等, 中国建材工业出版社 粉体加工技术 卢寿慈, 中国轻工出版社 粉末冶金原理 黄培云, 冶金工业出版社 Powder Technology Handbook edited by Keishi Gotoh, Toyohashi University of Technology,References,粒径与颗粒形状 (Particle size an

5、d shape) 粒径的测量(Size measurement ) 粉末体的堆积特性 (Bulk properties of powder),第1章 粉末的性能与表征(Particle Characterization and Measurement),相关的定义(Definition) Powder: 粉末，粉末体，粉体 The aggregate system consists of lots of solid particles and porous between the particles. Powder particle: 粉末颗粒，颗粒 The littlest units or

6、 individuals which compose powder, usually less than 1000mm. Particle diameter or particle size : 粒径,粒度 在空间范围内所占据的线性尺寸, 可以其与轮廓,或与某些性质相关的球体,立方体,四棱柱等的几何特征值来表示. Expressions of individual particle size are usually classified in terms of geometric characteristics of its silhouette and a hypothetical equi

7、valent sphere，cubic, rectangular prism with regards to some properties.,1.1 粒 径 (Particle Size ),几何学粒径（Geometric diameter）,When a particle is circumscribed by a rectangular prism with length l, width b, height t, its size is expressed by the diameter, obtained from the three dimensions.,以三维尺寸计算的平均径,

8、投影径 (Projected diameter),Diameter of the two dimensions(二轴径） Feret diameter (a) : 在特定方向与投影轮廓相切的两条平行线间距. Martin diameter (b): 在特定方向将投影面积等分的割线长. Krumbein diameter (c)：(定方向最大直径）最大割线长 Heywood diameter (d)：(投影面积相当径): 与投影面积相等的圆的直径.,Other particle diameters,Equivalent sphere diameter (球当量径） Equivalent surf

9、ace diameter(等表面积相当径） Ds2=S Equivalent volume diameter(等球体积径) Dv3 /6=V Equivalent specific surface diameter(等比表面积相当径) Settling velocity diameter(沉降速度相当径）Dstk Diameter of the sphere having the same gravitational settling velocity as that of a particle, obtained by gravitational or centrifugal sedimen

10、tation and impactor. 圆当量径 投影圆当量径 等周长圆当量径,Other particle diameters,Sieving diameter (筛分径）,单粒度体系：颗粒系统的粒径相等时，可用单一粒径表示其大小。多粒度体系：由粒度不等的颗粒组成（实际颗粒）。简单的表格、绘图和函数形式表示颗粒群粒径的分布状态-粒径分布,Particle size distribution (粒度分布）,Size distribution(粒径分布,粒度分布) when a certain characteristic diameter is measured for N particle

11、s and the number of particles, dn, having diameters between Dp and Dp+dDp, is counted, the density size distribution qo(Dp) is defined as the density size distribution. （频率分布）,The discrete expression,(不连续的表达式) which gives the size distribution histogram, becomes:,where n is the particle number betwe

12、en Dp-Dp/2 and Dp+ Dp/2,Where:,The cumulative distribution Qo is given as: （累积分布）,Therefore:,实际的含义： 频率分布某个粒径范围内Dp-1/2Dp Dp1/2Dp的颗粒数占总颗 粒数的百分比，也即表示各个粒径相对应的颗粒百分含量。 累积分布小于（或大于）某个粒径Dp的颗粒数占颗粒总数的百分比。,不同基准的粒径分布size distribution on other basis,The previous size distribution thus defined are on a number basi

13、s. In case of mass or volume basis , total mass and fractional mass dm are used instead of N and dn, respectively. The expressions as following:,频率分布 (Density size distribution)：,累积分布( Cumulative distribution) ：,百分含量的基准可用颗粒个数、体积、质量、长度和面积等。,Example of size analysis data（Data reduction with number bas

14、is),测量的数据,所作的数据处理,Scheme of density size distribution and cumulative distribution(频率分布和累积分布）,曲线是有个矩形顶部中点的连线，显然只有在d足够小时才有意义，否则，就用直方图表示其粒度分布。,正态分布的概念：,粒径分布的函数表达,函数表达：正态分布的概率密度函数(频率分布函数)由下式给出:,粒径分布的正态分布函数Normal distribution,粒径频率分布： （个数基准）,ni：颗粒数量， Dpi：粒径，N：颗粒总数， ：累积含量50时对应粒径,当用正态分布表示粉末粒度分布时,x是颗粒的粒度(Dp)

15、, a 为平均粒径 Dp*, (x)表示粒径x频率分布函数, 指颗粒数,质量或其它参数对粒度的导数。,其中平均粒径：,标准方差：,一种对称的分布,粒径分布的函数表达,a称为正态分布的位置参数,而的大小与曲线的形状相关, 越小,密度曲线越陡,此分布取值越集中, 越大,密度曲线越平缓,此分布取值越分散, 称为正态分布的形状参数.,图形表达：,相对标准偏差,分布函数中的和a两个参数完全决定了粒度分布。对于相同a的若干个颗粒群而言，标准偏差的大小表征着粒度分布的宽窄程度，但对不同a的颗粒群，则应以相对标准偏差表征。,对于服从正态分布的颗粒群，当相对标准偏差为0.2时，有68.3%颗粒的粒度集中在这一狭

16、小的范围内，我们常把相对标准偏差小于等于0.2的颗粒群近似称为单分散的体系。 相对标准偏差值越小，频率分布曲线越廋，分布越窄。,Monodisperse nanoparticles,对数正态分布Log normal distribution,粉体的粒度分布有时也出现非对称分布，这时将正态分布函数中的Dp和分别用和lnDp 和lng取代，得到对数正态分布:,频率分布：,累积分布：,平均几何粒径：,几何标准偏差：,一种非对称的粒径分布,Scheme of Log normal distribution对数正态分布图,对数正态分布在对数概率纸上标绘出的是一条直线。这种分布经常出现在结晶或粉碎法获得的

17、粉末以及气体溶胶中。累积曲线50点称为几何平均粒径或数量平均粒径。,Rosin-Rammeler Distribution,RRS方程： 粉碎后的细粉，粉末等粒度分布范围很宽的粉体利用对数正态分布函数计算时，在对数概率纸上所得直线偏差仍很大。 Rosin，Rammler和Sperling等人通过对煤粉水泥等物料粉碎实验的概率和统计理论的研究归纳出用指数函数表示粒度分布的关系式其累积分布表达式为:,RRB方程,n：均匀性指数，表示粒度分布范围的宽窄，与粉体物料性质及粉碎设备有关， 对一种粉碎产品n为常数。 De：特征粒径，表示颗粒宏观上的粗细程度。,经Bennet研究取， 则指数一项可写成无因次

18、项，即得RRB方程。其累积分布的表达式为:,频率分布的表达式：,Scheme of Rosin-Rammeler Distribution,粒径的RosinRammler分布,如果粒径分布能遵守RosinRammler分布，它将变成一条直线。 由于RRB方程能比较好的反应了工业上粉磨产品的粒度分布特性，故在粉碎过程中被广泛使用。,平均粒径Average particle diameter,平均粒径的定义： 粉体由颗粒d1,d2,d3构成，其物理特性可用各粒径函数的加成表示： f(d)=f(d1)+f(d2)+f(d3)+f(dn) 若将粒径想象成一均一球径D表示：则 f(d)=f(D), D即

19、表示平均径。 涉及粒径的表达式有： 颗粒群的总长 （nd) 颗粒群的总表面积 （6nd2) 颗粒群的总体积（总重量） (nd3), p(nd3). 颗粒群的比表面积 (6nd2)/ (nd3) 平均比表面积 (6n/d)n 式中设颗粒为边长为d的立方体。,Calculation of average diameter,例1：推导个数基准平均径：设粉末由粒径为d1,d2.dn 的颗粒组成，每种颗粒的个数分别为n1,n2,.nn,是由颗粒总长的特性导出其平均径。 解： 颗粒群的总长可表示为： n1d1+n2d2+nndn=(nd)=f(d) 将全部颗粒视为粒径为D的均一颗粒， 上式中的d用D替代：

20、 n1D+n2D+nnD=(nD)=D(n)=f(D) 则，由 f(d)=f(D), (nd)= D(n) 则：D (nd)/ (n) 所得的D即为个数基准平均径.,例2: 设颗粒群的总质量为m, 试由比表面积的定义函数求平均粒径. 比表面积定义为:,?. . . . . .,Average particle diameter,例2: 设颗粒群的总质量为m, 试由比表面积的定义函数求平均粒径. 比表面积定义函数为: 将全部颗粒视为边长为D的立方体, 则,从测定量和定义函数导出的平均粒径,个数基准与质量基准的平均径,以分布函数导出的平均径,练习： 已知某颗粒群经粒度测试或得到如下数据： d(nm

21、) G(d) C(d) | d(nm) G(d) C(d) | d(nm) G(d) C(d) - 200 26 5 | 550 97 40 | 900 80 75 250 44 10 | 600 99 45 | 950 70 80 300 58 15 | 650 100 50 | 1000 58 85 350 70 20 | 700 99 55 | 1050 44 90 400 80 25 | 750 97 60 | 1100 26 95 450 87 30 | 800 93 65 | 500 93 35 | 850 87 70 | 试根据以上数据画出该颗粒群的频率分布图、累积分布图并确定颗

22、粒群平均粒径D50。,频率分布图,累积分布图,I. 2 颗粒形状(Particle Shape),颗粒形状是指一个颗粒的轮廓边界或表面上各点所构成的 图像,它是除粒度外颗粒的另一重要的几何特征.,球形铜粉的 光镜照片,颗粒形状对粉末性质有直接影响. 粉末比表面,流动性,压缩性,固着力,填充性,研磨特性, 同时影响混合.储存,运输,压制,烧结等单元过程.,颗粒形状的表达方式之一,颗粒形状基本术语,形状指数(Shape index),将表示颗粒外形的几何量的各种无因次组合称为形状指数, 它是对单一颗粒本身几何形状的指数化. 类别 1.与外形尺寸相关的形状指数 2.与表面积和体积相关的形状指数 3.

23、与颗粒投影周长相关的形状指数,与三维尺寸相关的形状指数： length L, Breadth B, thickness T, and so Forth,Flatness=B/T (扁平度) Elongation=L/B (长短度),Degree of circularity(圆度）=Dp/Maximum length of same area ellipse Anisometry（椭圆度）=axial ratio of equivalent ellipsoid,与周长相关的形状指数（Related to perimeter）,圆度 ： Roundness or circularity=peri

24、meter of same circle/perimeter of particle 粗糙度 ： Surface roughness=perimeter/perimeter of same-area ellipse 皱褶度： Rugosity=perimeter/perimeter of smooth curve circumscribing particle profile,Projections of granules on circularity versus surface roughness coordinates,颗粒形状与形状指数的关系：,与表面积或体积相关的形状指数,表面指数：

25、 Surface factor=(perimeter)2/4(area) 球形度： Sphericity=Surface of same-volume sphere /Particle surface 面积填充度： Bulkiness= Surface /Minimum area of enveloping rectangle 体积填充度： Bulkiness factor=Volume of equivalent ellipsoid /Particle Volume,形状系数 (shape coefficient),定义： 在表征粉末体性质,具体物理现象和单元过程等函数关系时,把颗粒形状的有

26、关因素概括为一个修正系数加以考虑,该系数即为形状系数。,意义： 形状系数是用来衡量实际颗粒与球形(立方体等)颗粒形状的差异程度,比较的基准是具有与表征颗粒群粒径相同的球的体积,表面积,比表面积与实际情况的差异。,一般表达式： 若以Q表示颗粒平面或立体的参数,dp为平均粒径, 两者的关系为: Q= dpn , 为形状系数 体积形状系数： 以颗粒体积Vp代替Q, Vp= v dp3 v为体积形状系数 表面积形状系数 以颗粒表面积S代替Q, S= s dp2 s为表面积形状系数 比表面积形状系数: = s/ v 示例： 球形颗粒 Vp= /6 dp3 ，S= dp2 v= /6 s= = s/ v=

27、6,形状系数的表达：,规整形状颗粒的形状系数,动力学相关的形状系数,上式中的k为阻力形状系数。粒径Dp可取Stokes径（Dstk），等表面积相当径（Ds），等体积相当径（Dv）而得到相应不同的阻力形状系数。,阻力形状系数 在低雷诺数的层流区（又称Stokes区），非球形颗粒受到粘度为，相对速度为 u 的流体阻力FD，可按Stokes定律给出：,管内紊流,管内层流,动力学形状系数,定义：在研究颗粒在流体中运动时，颗粒的动力学形状系数k为： k=作用于颗粒的实际阻力/作用与同体积球体的阻力,层流区：,非层流区：以等体积相当径Dv表示颗粒直径：,颗粒的最终沉降速度：,涵盖层流区和湍流区,颗粒形状的

28、数学分析Mathematic analysis for the shape characterization,立体颗粒的坐标体系：CG-质心，颗粒表面上的全部点可用半径向量R, 根角和描述。 颗粒的轮廓用极坐标表示，R()-半径向量， 极角，Rm-最大半 径。,傅立叶级数（Fourier Progression）,周期为2的函数 f(x) 可以展开成三角级数:,若上面两积分存在, 它们定出的系数a0, a1, a2, b1, b2,., 叫做函数f(x) 的Fourier 系数. 而三角级数即为函数f(x)傅立叶级数：,几个低次项三角函数波形和他们表示的图形,利用多项次fourier prog

29、ression 中正弦函数与余弦函数的加和来表示颗粒的轮廓。 R()法：将颗粒轮廓的半径向量展开成Fourier progression:,系数表示法： 用An， n ，an ，bn表示颗粒形状的某些特征。 A0:平均半径， A2:颗粒的长短度，A3:颗粒的三角度。,颗粒轮廓的傅立叶分析,以傅立叶级数的系数表示颗粒形状与粒径,用系数an, bn表示等面积当量径,颗粒的形状项定义为: (式中的L已经归一化,其值与颗粒大小无关,仅与形状有关),一般简单形状的颗粒均可用R()法进行指述和表征.,1.3 粒 径 测 量(Size Measurement),表 1-8 粒径测量方法分类,1、显微观察法,

30、显微观察的测量范围： Optical microscopy: 3-1000m Transmission electron microscopy (TEM): 2nm-1 m Scanning electron microscopy (SEM): 10nm-1000 m,显微观察的期望标准偏差：,Where, Pr： the percentage by number in each size class, Nr is the total number of the particles of all size class,需观察的最少颗粒数： The standard error is a max

31、imum when Pr=50; hence, S(Pr) will always be less than 2%- an acceptable error for most instance if Nr625 particles.,Microscopes,光学显微镜 扫描电子显微镜（场发射、 W灯丝、 LaB6灯丝) 透射电子显微镜 高分辨透射电子显微镜 与光镜相连的图像分析仪,JEOL3010,JSM7500,显微镜法测量粉末粒径,特点： 直观地对单个颗粒的形状,大小,表面形貌,颗粒结构(孔隙疏松等)进行观察测量. 测量下限： 取决于显微镜的分辨率和放大倍数. 光镜, 1000X, 0.5

32、m 透射电子显微镜, 0.3-0.5纳米, 数十万倍 扫描电子显微镜 1 纳米 10-20万倍,制样: 光镜 1) 干法： 粉末分散在载波片上, 少量分散剂 2) 湿法： 低浓度的粉末悬浮液, 超声分散 透射电子显微镜: 极低浓度的粉末悬浮液, 超声分散,滴 加在铜网上. 扫描电子显微镜: 粘附在导电基体上,非导电的粉末需喷金 分散剂: 1) 对粉末的润湿性要好, 2) 不与粉末反应 3) 易挥发 常用: 酒精,丙酮,二甲苯,醋酸乙脂等,测量方法,常用放大倍数 200-600. 目镜测微尺校准. 常用的目镜测微尺有 直线测微尺,网格测微尺,读数方法 : Feret径, Martin径, 或某一

33、直线线切割. 分10-20个粒径级, 测量数目600个。,获得的结果：,频率分布图,累积分布图,2、筛分法,筛分法定义： 利用筛孔尺寸由大到小组合的一套筛,借助振动把粉末分成若干等级,称量各级粉末重量,即可计算用重量百分数表示的粒度组成。 筛分法的度量： 筛孔的孔径和粉末的粒度可以用微米(毫米),或目数表示。 所谓目数是指筛网1英寸(25.4毫米)长度上的网孔数。 m=25.4/(a+b) , m目数, a 网孔尺寸,b丝径.,振动筛装置,各种筛子,各种规格筛网,筛分标准与筛分结果,套筛标准: 美国Tyler标准 基筛 200目（0.074mm), 基本系列按 数列给出， 附加系列按 给出，

34、国际ISO标准 ISO标准筛与Tyler基本相同, 只是直接给出筛孔尺寸系列。 筛分终点: 每分钟通过最大组分筛面上的筛分量小于样品量的0.1%时为筛分终点。,筛分结果示例：,3、库尔特记数法（流体扫描）Coulter counter,流体扫描概念（Stream Scanning Methods）： 通过每个单个颗粒与外加场（电场、磁场）作用的大小来获得与尺寸 相关的信号。 只能在低颗粒浓度的体系中测量，特别适合颗粒计数。 可测量在液体气体中的颗粒,Coulter counter,美国贝克曼公司库尔特记数仪,Scheme:,Coulter counter,原理图,Scheme:,测量原理,仅在

35、液体中测量。 颗粒分散在电解液中，已知尺寸的小孔插入悬浮液中，在小 孔两端施加一电场，利用真空启动悬浮液流动，颗粒会一个个地通过小孔，这样造成电阻的瞬态变化，从而产生电流、电压脉冲，其脉冲高度与颗粒体积成正比，这个脉冲信号被放大、尺寸化，计算，然后表达为尺寸分布。 颗粒尺寸范围：0.6 to 1200m（ with different apertures/ tubes）。 每个已知小孔可感知的尺寸范围为：计数孔孔径的2% to 60% 。,4、 激光衍射法,英国马尔文 Mastersizer 2000 粒度分析仪器,测试范围：0.1m340m,国产BT-9300H型激光粒度仪,测量范围： 0.

36、02m 2000m,5、沉降法（Sedimentation Methods）,重力沉降的基本原理 : 密度为s，粒径为D，质量为m的球形颗粒在密度为 t ，粘度为的无限容积中做沉降运动。 几个假定： 1）颗粒为刚性球体， 2）颗粒沉降时互不干扰， 3）颗粒下降时做层流流动， 4）液体的容器为无限大且不存在温度梯度。 颗粒运动方程：令颗粒在任一瞬间的沉降速度为u 。颗粒沉降时作用在颗粒上的力有三个，方向向下的重力W，方向向上的浮力Fa，与沉降速度相反的流体阻力FD，此时颗粒运动的方程可写为: WFaFD=mdu /dt,方程求解：,重力：,浮力：,流体阻力：,阻力系数CD 与雷诺系数相关，,层流

37、区：,则流体阻力可为：,当沉降速度增加到一定值时，三个力平衡： du/dt=0,颗粒以一个平衡速度下降：,最终沉降速度（Stokes速度）：,重力沉降光透法原理,建立在Stokes 和Lambert-Beer定律基础上,光电探测器,测量位置：,测量光强随时间变化的信号,I0,I,国产BT1500离心沉降粒度仪,国产BT1500离心沉降粒度仪结构示意,性能指标： 1、测试范围：0.1微米150微米。 2、测试方式：重力沉降，离心沉降， 组合沉降,6、气体吸附法,基本原理 限定体系中,当物质表面吸附氮气时,引起测量体系中的压力下降,直到吸附平衡为止.测量吸附前后的压力,计算在平衡压力下被吸附的气体

38、体积(标准状态下);根据B.E.T.等温吸附公式,计算试样单分子层吸附量;从而计算出试样的比表面积.,容量法测定比表面方法,容量法BET测定装置示意,原理： 根据吸附平衡前后吸附气体容积的变化来确定吸附量，实际上就是测定在已知容积内，气体压力的变化。 方法： 连续测定吸附气体的压力p和被吸附气体的容积V并记下实验温度下气体的蒸气压p0，再按BET方程计算，以pV (po一p)对ppo作等温吸附线。,测量方法的选择,粉体粒度的范围; 颗粒的分散; 基本的出发点:,如要测量个数, 用 Coulter计数器; 如要测形状,选用图像分析仪; 如要测雾滴,选用激光法; 如要测粒度,可选沉降法或激光法.

39、如要测比表面,可选用BET法,I.4 粉末体的性质,一.粉末体的堆积性质 孔隙率（空隙率）与填充率的概念： 粉末体中未被颗粒占据的空间体积与包含空间在内的整个粉末层表观体积之比称为空隙率，以表示即：,V, Vp, Vc分别表示填充层表观体积,颗粒所占据的体积和空隙体积,在计算粉末体的空隙率时，一般不考虑颗粒的孔隙，只反映颗粒群的堆积情况。,3个球构成一个三角形空隙，每个球有1/3个，每个球周围有6个三角形空隙，因此每个球就有61/3=2个空隙。,一层最密堆积中 球数：三角形空隙数目=1：2,等径球的最密堆积,等径球的密堆积,2 layers,半数的三角形空隙上方放了球,四面体空隙,另一半的三角

40、形空隙上方是第二层的空隙,八面体空隙,3 layers,ABA Hexagonal close-packing (HCP),ABC Cubic close-packing (CCP),把第三层放在与第一层一样的位置,把第三层放在堵住头二层漏光的三角形空隙上,也可计算出：密排六方的空间利用率74.05,密堆六方中的间隙,八面体间隙：,位置 体内 单胞数量 6 大小,不等径球堆积,随机填充： 一般而言，随着颗粒球形度的增加，孔隙率会减小。颗粒表面的粗糙度越大，颗粒形状越复杂，粉末体的空隙率会越大。由于细粉末高表面活性，颗粒间的粘结性强，较易出现高空隙率而形成松填充。,Horsfield填充：,Hudson填充,影响颗粒填充的因素 1.壁效应 2. 局部填充结构 3. 物料的含水量 4.颗粒形状 5. 粒度大小,松装密度与颗粒密度,松装密度又称容积密度,系指在一定填充状态下,包括颗粒间全部空隙在内的