第一章第一章粉体工程基础粉体工程基础材料工程基础材料工程基础分体工程基础1 1、粉体是生产过程中的重要环节、粉体是生产过程中的重要环节气、固、液气、固、液实际生产中，常以颗粒形态存在实际生产中，常以颗粒形态存在具有一定结构形状、几何尺度、特定功能的固体单元具有一定结构形状、几何尺度、特定功能的固体单元粉体研究的意义粉体研究的意义? ? 分体工程基础大的表大的表面积面积宏观宏观连续连续性性物质的特殊存物质的特殊存在形式！在形式！ 2 2、粉体的特殊性、粉体的特殊性液体液体流流动性性气体气体可可压缩性性固体固体抗抗变形能力形能力粉体粉体分体工程基础3 3、涉及到的应用领域极为广泛、涉及到的应用领域极为广泛分体工程基础分体工程基础颗粒颗粒粉体粉体 粉体通常是指粉末质粒与质粒之间的间隙所构成的集合体。粉体通常是指粉末质粒与质粒之间的间隙所构成的集合体。颗粒是粉体材料的组成单元！颗粒是粉体材料的组成单元！粉体的概念粉体的概念? ? 颗粒颗粒 Fine particle Fine particle从个体颗粒出发，称为颗粒学从个体颗粒出发，称为颗粒学 粉体粉体 Powder Powder从集合粉体出发，称为粉体工程学从集合粉体出发，称为粉体工程学都属于粉体研都属于粉体研究范畴究范畴!分体工程基础q 粉末的分类粉末的分类粗粉（粗粉（粗粉（粗粉（150150500m500m）中粉（中粉（中粉（中粉（4040150m150m）细粉细粉细粉细粉 （101040m40m）极细粉体极细粉体极细粉体极细粉体 （0.50.510m10m）超细粉体超细粉体超细粉体超细粉体 （ 0.5m0.5m）纳米粉体纳米粉体纳米粉体纳米粉体 （ 0.1m0.1m）粉粉粉粉 末末末末分体工程基础本章主要内容本章主要内容1、粉体颗粒、粉体颗粒大小大小（粒度、粒径）的表征与测量（粒度、粒径）的表征与测量2、颗粒、颗粒形状形状的表征与测量的表征与测量3、粉体的、粉体的工艺特性工艺特性与测量与测量4、其它、其它物理特性物理特性两大表征参数：两大表征参数：1 1）平均粒度、粒度分布）平均粒度、粒度分布2 2）颗粒形状）颗粒形状四大工艺特性：四大工艺特性：1 1）流动性）流动性2 2）填充性）填充性3 3）压缩性）压缩性4 4）成型性）成型性问题问题团聚团聚材料的机械、物理和化学性质描述了组成材料的物质组态的基本特性材料的机械、物理和化学性质描述了组成材料的物质组态的基本特性分体工程基础第一节第一节 粉体的表征与测量粉体的表征与测量粉体工程基础粉体工程基础分体工程基础直径直径D D直径直径D D、高度、高度H H？颗粒的大小如何表征？颗粒的大小如何表征？ 粒径与粒度：粒径与粒度：粉体的粒径具有统计特征，而不是对单个粉体的粒径具有统计特征，而不是对单个颗粒的尺寸。所以，颗粒的尺寸。所以，一般将颗粒的平均大小称为粒度一般将颗粒的平均大小称为粒度。习惯上可将粒径和粒度二词通用。习惯上可将粒径和粒度二词通用。分体工程基础1 1）筛分径）筛分径2 2）几何学粒径）几何学粒径 根据几何学尺寸定义的粒子径。根据几何学尺寸定义的粒子径。 轴径轴径 （二轴径、三轴径）（二轴径、三轴径）投影径投影径 （定向径）（定向径）当量径当量径（有效径）有效径）一般用一般用显微镜法显微镜法、库尔特计数法、库尔特计数法、筛分法筛分法等测定。等测定。1 1、粒径、粒径分体工程基础 又又称称为为细细孔孔通通过过相相当当径径。当当粒粒子子通通过过粗粗筛筛网网且且被被截截留留在在细细筛筛网网上上时时，粗粗细细筛筛孔孔直直径径的的算算术术或或几几何何平平均均值值称称为为筛筛分径，记作分径，记作D DA A。 算术平均值：算术平均值： 几何平均值：几何平均值： 在以上两式中：在以上两式中：aa粒子通过的粗筛网直径，粒子通过的粗筛网直径，bb截留粒子截留粒子的细筛网直径的细筛网直径 。 1 1）筛分径）筛分径分体工程基础高度高度h h：颗粒最低势能态时正视投影图的高度：颗粒最低势能态时正视投影图的高度宽度宽度b b：颗粒俯视投影图的最小平行线夹距：颗粒俯视投影图的最小平行线夹距长度长度l l：颗粒俯视投影图中与宽度方向垂直的平行线夹距：颗粒俯视投影图中与宽度方向垂直的平行线夹距2 2）几何学粒径）几何学粒径三轴径三轴径hbl三轴几何平均径：三轴几何平均径： 与颗粒外接长方体体积与颗粒外接长方体体积相等的立方体的棱长相等的立方体的棱长分体工程基础定向径：沿一定方向的颗粒的一维尺度。定向径：沿一定方向的颗粒的一维尺度。3 3）几何学粒径）几何学粒径定向径（投影径）定向径（投影径） S1S2定方向定方向径径定方向等分定方向等分径径定向最大径定向最大径 定定 义义 沿一定方向测得颗粒投影的两平行线的距离。沿一定方向测得颗粒投影的两平行线的距离。 沿一定方向将颗粒投影像面积等分的线段长度沿一定方向将颗粒投影像面积等分的线段长度 定向最大径定向最大径 沿一定方向测定颗粒投影像所得最大宽度的线段长度沿一定方向测定颗粒投影像所得最大宽度的线段长度 定方向径定方向径定方向等分径定方向等分径粒径名称粒径名称分体工程基础颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径颗粒与球或投影圆有某种等量关系的球或投影圆的直径4 4）几何学粒径）几何学粒径当量径当量径等效圆球体积直径等效圆球体积直径分体工程基础等效体积直径等效体积直径等效表面积直径等效表面积直径等效重量直径等效重量直径最短直径最短直径最长直径最长直径等效沉降速率直径等效沉降速率直径筛分直径筛分直径分体工程基础2 2、平均粒径、平均粒径粒度粒度（中值径）（中值径）D20 D90在累积分在累积分布中累积布中累积值正好为值正好为50%50%所对应所对应的粒子径，的粒子径，常用常用D50D50表表示。示。分体工程基础 由于实际粉体大都由粒度不等的颗粒组成，所以它就由于实际粉体大都由粒度不等的颗粒组成，所以它就存在一个粒度分布范围，简称粒度分布。存在一个粒度分布范围，简称粒度分布。 粒度分布通常用简单的图表或函数形式来表示。粒度分布通常用简单的图表或函数形式来表示。 3 3 、粉体的粒度分布、粉体的粒度分布 1 1）频度分布（微分型）：）频度分布（微分型）：用横坐标表示粒径，纵坐标用横坐标表示粒径，纵坐标表示各粒径对应的颗粒表示各粒径对应的颗粒百分含量百分含量（个数或质量）（个数或质量）。 2 2）累积分布（积分型）：）累积分布（积分型）：用横坐标表示粒径，纵坐标用横坐标表示粒径，纵坐标表示小于表示小于( (或大于或大于) )某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量。某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量。（百分含量的基准采用（百分含量的基准采用个数基准个数基准和和质量基准质量基准）分体工程基础分体工程基础 4 4、粒度分析测试方法、粒度分析测试方法统计方法：统计方法：代表性强代表性强, 动态范围宽，分辨率低。动态范围宽，分辨率低。筛分方法筛分方法 38微米微米- 沉降方法沉降方法0.01-300微米微米光学方法光学方法（激光、（激光、X光）光）0.001-3500微米微米非统计方法非统计方法分辨率高，代表性差分辨率高，代表性差, 动态范围窄动态范围窄重复性差。重复性差。显微镜方法显微镜方法光学光学 1微米微米-电子电子 0.001微米微米-分体工程基础国际标准筛制：国际标准筛制：Tyler(Tyler(泰勒泰勒) )标准标准 单位：目单位：目目数为筛网上目数为筛网上1 1英寸（英寸（25.4mm25.4mm）长度内的网孔数）长度内的网孔数 (a (a，d d单位单位mm)mm)25.425.4a ad d 1 1）筛分析法）筛分析法 （40m40m）分体工程基础分体工程基础标准筛标准筛也可用于计算粒度分布。也可用于计算粒度分布。超声波震动筛超声波震动筛电动振动筛电动振动筛分体工程基础t=0t=t1t= t2t=t3光吸收率光吸收率时间时间t t1 1t t2 2t t3 30 02 2）沉降法法粒度测试）沉降法法粒度测试测量原理测量原理 重力沉降重力沉降 10300m 10300m 离心沉降离心沉降 0.0110m 0.0110m 是是通通过过检检测测颗颗粒粒在在液液体体内内的的沉沉降降速速度度计计算算出出颗颗粒粒粒粒度度的的方方法法。通通常常用用在在液液面面下下某某一一深深度度处处测测量量悬悬浮浮液液浓浓度度的的变变化化率率来来间间接接地地判判断断颗颗粒粒的的沉降速度，进而测量样品的粒度分布。沉降速度，进而测量样品的粒度分布。光透过法光透过法分体工程基础3 3）显微镜）显微镜 采用定向径方法测量采用定向径方法测量光学显微镜光学显微镜 0.25250m 0.25250m电子显微镜电子显微镜 0.0015m 0.0015m 扫描（扫描（SEMSEM）；）； 透射（透射（TEMTEM）：）：0.01m0.01m以下以下测量原理！测量原理！分体工程基础分体工程基础扫描电镜扫描电镜分体工程基础分体工程基础分体工程基础空腔分体工程基础透射电镜透射电镜(TEM)表征表征图2 TiO2纳米粒子的米粒子的TEM分体工程基础4 4）光衍射法粒度测试）光衍射法粒度测试 激光衍射激光衍射 0.05500m 0.05500m X X光小角衍射光小角衍射 0.0020.1m 0.0020.1m 激光束在无阻碍状态下的传播示意图激光束在无阻碍状态下的传播示意图不同粒径的颗粒产生不同角度的散射光不同粒径的颗粒产生不同角度的散射光分体工程基础激光衍射法原理图激光衍射法原理图激光衍射法原理图激光衍射法原理图激光器激光束透镜样品池透镜衍射光束未衍射光束光传感器列阵中心传感器粉末分体工程基础/分体工程基础5 5、颗粒的形状、颗粒的形状角角角角 状状状状针针针针 状状状状树树树树 枝枝枝枝 状状状状纤纤纤纤 维维维维 状状状状片片片片 状状状状粒粒粒粒 状状状状球球球球 状状状状不规则状不规则状不规则状不规则状 粉体形状粉体形状粉体形状粉体形状 颗粒形状颗粒形状颗粒形状颗粒形状：分体工程基础分体工程基础分体工程基础分体工程基础分体工程基础分体工程基础与颗粒等体积的球的表面积与颗粒的表面积之比与颗粒等体积的球的表面积与颗粒的表面积之比1）球形度）球形度一些规则形状体的球形度一些规则形状体的球形度：分体工程基础扁平度扁平度延伸度延伸度2 2）扁平度）扁平度m m与延伸度与延伸度n nhbl分体工程基础 颗粒的几何特征颗粒的几何特征Q(Q(如面积、体积等如面积、体积等) )与某种规定的粒度的与某种规定的粒度的粒径的相应次方关系的形状因子，其数值表征了颗粒形状对粒径的相应次方关系的形状因子，其数值表征了颗粒形状对于标准形状的偏离。于标准形状的偏离。3 3）形状系数）形状系数k即为形状系数即为形状系数表面形状因子表面形状因子(j(j表示征对于该种粒径的规定表示征对于该种粒径的规定) )体积形状因子体积形状因子比表面积形状系数比表面积形状系数分体工程基础第二节第二节 粉体的特性粉体的特性粉体工程基础粉体工程基础分体工程基础1 1、流动性、流动性2 2、填充性（松装、振实密度）、填充性（松装、振实密度）3 3、压缩性、压缩性4 4、成形性、成形性 一、粉末的工艺性能一、粉末的工艺性能分体工程基础1 1、流动性、流动性测量：测量：5050克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间克粉末从标准的流速漏斗流出所需的时间, ,单位为秒单位为秒5050克，其倒数克，其倒数是单位时间内流出粉末的重量，俗称为流速。是单位时间内流出粉末的重量，俗称为流速。分体工程基础 粉体的填充性粉体的填充性是指粉末颗粒在空间中的排列状是指粉末颗粒在空间中的排列状况及在容器中的充实性。况及在容器中的充实性。1 1）颗粒的堆积）颗粒的堆积2 2、填充性、填充性原填充原填充填充的小填充的小球半径球半径混合填充混合填充的气孔率的气孔率混合比（容积混合比（容积%）接触点接触点气孔率气孔率原球原球小球小球647.640.723R71.171.928.1839.540.528R30.6787.912.11225.950225R19.091.58.574%63.7%空隙填入无限个小球，孔隙率越来越小？空隙填入无限个小球，孔隙率越来越小？分体工程基础 2 2）特性参数）特性参数）特性参数）特性参数 松装密度松装密度松装密度松装密度： 粉末试样自然填充规定的容器时，单位容粉末试样自然填充规定的容器时，单位容器内粉末的质量，克器内粉末的质量，克/厘米厘米3。-规定值规定值 摇实密度摇实密度摇实密度摇实密度： 高高20-50%20-50% 填充率：填充率：填充率：填充率： （）%=填充的颗粒体积填充的颗粒体积/粉体填充体积粉体填充体积 气孔（空隙）率：气孔（空隙）率：气孔（空隙）率：气孔（空隙）率：（）=1-分体工程基础 代表粉末在压制过程中被压紧的能力。在标准的模具代表粉末在压制过程中被压紧的能力。在标准的模具中在规定的润滑条件下加以测定，用规定的单位压力下粉中在规定的润滑条件下加以测定，用规定的单位压力下粉末所达到的末所达到的压坯密度表示压坯密度表示。通常也可以用压坯密度随压制。通常也可以用压坯密度随压制压力变化的曲线图表示。压力变化的曲线图表示。 压缩比：压缩比： 松装粉末的高度与成型坯体高度之比。松装粉末的高度与成型坯体高度之比。3 3、压缩性、压缩性分体工程基础分体工程基础 成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，成形性是指粉末压制后，压坯保持既定形状的能力，用粉末得以用粉末得以成形的最小单位压制压力成形的最小单位压制压力表示，或者用表示，或者用压坯的压坯的强度强度来衡量。来衡量。 压制性：是压缩性和成形性的总称。压制性：是压缩性和成形性的总称。4 4、成形性、成形性分体工程基础1 1、粉体的能量（、粉体的能量（大的表面能大的表面能）2 2、粉体颗粒间的作用力、粉体颗粒间的作用力3 3、粉体颗粒的团聚、粉体颗粒的团聚二、粉体的基本物理特性二、粉体的基本物理特性分体工程基础2、粉体颗粒间的作用力、粉体颗粒间的作用力1）分子间引力）分子间引力2）颗粒间的异性静电引力）颗粒间的异性静电引力3）固相桥联力）固相桥联力4）附着水分的毛细管力）附着水分的毛细管力5）磁性力）磁性力6）颗粒表面不平滑引起的机械咬合力）颗粒表面不平滑引起的机械咬合力分体工程基础3、粉体颗粒的团聚、粉体颗粒的团聚纳米粉体的团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、纳米粉体的团聚是指原生的纳米粉体颗粒在制备、分离、处理及存放过程中相互连接形成的由多个颗粒形成的较大处理及存放过程中相互连接形成的由多个颗粒形成的较大的颗粒团簇的现象。的颗粒团簇的现象。软团聚软团聚硬团聚硬团聚1 1）分子间引力）分子间引力2 2）颗粒间的异性静电引力）颗粒间的异性静电引力1 1）化学键、氢键）化学键、氢键2 2）表面原子扩散）表面原子扩散3 3）附着水分的毛细管力）附着水分的毛细管力4 4）液相、固相桥联力）液相、固相桥联力分体工程基础一次颗粒：粉体中能够分开，并独立存在的最小实体称为单一次颗粒：粉体中能够分开，并独立存在的最小实体称为单颗粒，又称原始颗粒。颗粒，又称原始颗粒。 二次颗粒：是指粘附于一体的一次颗粒与彼此之间形成的孔二次颗粒：是指粘附于一体的一次颗粒与彼此之间形成的孔隙所构成的聚合体。隙所构成的聚合体。 通常所测试的粒子尺寸通常所测试的粒子尺寸即属二次颗粒的粒径即属二次颗粒的粒径。分体工程基础透射电镜透射电镜(TEM)表征表征TiO2纳米粒子的米粒子的TEM分体工程基础P Z T 压电陶瓷制备中的粉体团聚控制压电陶瓷制备中的粉体团聚控制（1）控制晶粒长大）控制晶粒长大 保证成核速率大于生长速率（保证成核速率大于生长速率（过冷度过冷度）（2）制备过程中抑制团聚）制备过程中抑制团聚 a：选择合理的反应条件（如：选择合理的反应条件（如PH值、反应浓度值、反应浓度、温度、温度） b：粉体干燥特殊处理：（：粉体干燥特殊处理：（超临界、冷冻干燥、红外干燥）超临界、冷冻干燥、红外干燥） （消除具有巨大表面张力的气（消除具有巨大表面张力的气 - 液界面）液界面） c: 降低煅烧温度降低煅烧温度（3）后处理消除团聚）后处理消除团聚沉积或沉降、研磨和超声波处理、加入沉积或沉降、研磨和超声波处理、加入分散剂分散剂等等分体工程基础习题习题1、粉体的概念？、粉体的概念？2、粉末粒度测试方法分类以及不同方法的优缺点？、粉末粒度测试方法分类以及不同方法的优缺点？3、为何要研究粉末的流动性与填充性？、为何要研究粉末的流动性与填充性？ 如何表征或通常采用何种参量表征？如何表征或通常采用何种参量表征？分体工程基础谢谢大家！分体工程基础规规 律：律： 成形性好的粉末，往往压缩性差；相反，压缩性好的粉末，成形性好的粉末，往往压缩性差；相反，压缩性好的粉末，成形性差。成形性差。例如：松装密度高的粉末，压缩性虽好，但成形性差；例如：松装密度高的粉末，压缩性虽好，但成形性差； 细粉末的成形性好，而压缩性却较差。细粉末的成形性好，而压缩性却较差。压缩性影响因素压缩性影响因素：塑性、显微硬度。塑性、显微硬度。例如：金属粉体退火后塑性提高，压缩性好；例如：金属粉体退火后塑性提高，压缩性好； 有合金杂质引入，压缩性差。有合金杂质引入，压缩性差。成形性影响因素成形性影响因素：塑性、形状结构塑性、形状结构例如：脆硬质粉体成形性差；例如：脆硬质粉体成形性差； 松软、形状不规则的粉末颗粒成形性好。松软、形状不规则的粉末颗粒成形性好。分体工程基础均匀沉淀法制备氧化钇的研究中发现均匀沉淀法制备氧化钇的研究中发现, , 当钇离子的浓度从当钇离子的浓度从 0.005 mol/L 0.005 mol/L 增大到增大到0.04 mol/L 0.04 mol/L 时时, , 氧化钇粒径从氧化钇粒径从 65 nm 65 nm 增增大到大到 220 nm 220 nm。当尿素的浓度达到。当尿素的浓度达到 7.0 mol/L 7.0 mol/L 时时, , 发现了颗粒间发现了颗粒间的团聚的团聚; ; 同时发现颗粒形貌和反应动力学对同时发现颗粒形貌和反应动力学对 pH pH 值相当敏感值相当敏感, pH2.0, pH3.0, ; pH3.0, 可以得到可以得到几乎单分散的氧化钇颗粒。几乎单分散的氧化钇颗粒。分体工程基础分体工程基础