材料合成与制备技术ch3(1)解析

《材料合成与制备技术ch3(1)解析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料合成与制备技术ch3(1)解析（184页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1 第三章 粉体的物理制备 2 粉体的定义（补充） p粉体是小于一定粒径颗粒集合，不能忽视分子间的作用力 。 p粉体是一种干燥、分散的固体颗粒组成的细微粒子，和颗 粒不完全相同，通俗来说粉体比颗粒具有更细微粒径尺寸 。 p粉体是一种特殊的颗粒材料，少量主要体现粒子的微观特 性，大量时共同体现出宏观特性。 百度百科 3 概述 p到目前为止，人们已经发展了多种方法来制备各种类型的 粉体，特别是超微（细）粉体。 p对于粉体的制备方法，目前尚无确切的科学分类标准。 p大致分为两大类： p1)将块状物质粉末化； p2)原子、分子经反应后生成核，核成长成粉末。 p按照反应系统的物态可分为：固相法、液相法和

2、气相法。 4 概述 p按研究粉体的学科分类，可将其分为物理方法、化学方法 和物理化学（综合）方法。物理方法制备粉体主要涉及到 蒸发、熔融、凝固、形变、粒径变化等物理变化过程。 p物理方法通常分为粉碎法和构筑法两大类。 p粉碎法是以大块固体为原料，将块状物质粉碎、细化，从 而得到不同粒径范围的粉体； p构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成粉体颗粒 。 5 p化学方法制备粉体通常包含着基本的化学反应，在化学反 应中物质之间的原子必然进行重排，这种过程决定物质的 存在形态。即这种化学反应有如下特征： p（1）固体之间最小反应单元取决于固体物质颗粒大小； p（2）反应在接触部位所限定的区间内进行

3、； p（3）生成相对反应的继续进行有重要影响。 概述 6 概述 p综合方法制备粉体通常在制备过程中要伴随一些化学反应 ，同时又涉及到颗粒的物态变化过程，甚至在制备过程中 要施加一定的物理手段来保证化学反应的顺利进行。 p显然，制备粉体的综合方法涉及物理理论、方法与手段， 也涉及化学基本反应过程。 7 概述 p按制备技术分类，又可分为机械粉碎法、气体蒸发法、溶 液法、激光合成法、等离子体合成法、射线辐照合成法、 溶胶-凝胶法、水热与溶剂热合成法法等等。 p分类方法不同，研究问题侧重点也不同。 p我们在本章先主要介绍机械粉碎法，然后简单介绍其它的 物理制备方法，在下一章介绍化学制备法。 8 粉体制

4、备方法常规分类（补充 ） 物理法 粉碎法 构筑法 干式粉碎 湿式粉碎 气体蒸发法 活化氢熔融金属反应法 溅射法 真空沉积法 加热蒸发法 混合等离子体法 化学法 沉淀法 水解法 火花放电法 冷冻干燥法 喷雾法 激光合成法激光合成法 喷雾干燥法 喷雾水解法 喷雾焙烧法 9 3.1 机械粉碎法 p3.1.1 粉碎概述 p3.1.1.1 基本概念 p（1）粉碎 p粉碎是指外力克服固体物理质点间内聚力而使大块物料 形成碎散颗粒的总过程。 10 粉碎三种作业 p粉碎一词，从广义上讲，包括从块状固体到产出细粒产品 的全部连续过程， p而这个过程又分为破碎、磨矿（磨粉或磨碎）和超细粉碎 （超微粉碎）三种作业。

5、 p这三者之间并无明显的区别。 11 基本概念 p通常将粒度减少至20-5mm的粉碎作业称之为破碎，相应的 设备为破碎机； p再细的粉碎作业则称之为磨矿，相应的设备为磨矿机。 p在非金属矿加工业中，一般将d97 10m的粉体物料称为 “超细粉体”，其相应的粉碎作业称为超细粉碎。 12 表3-1-1 粉碎作业的分类 作业段数给 料 粒 度 (mm)产 品 粒 度 (mm) 破碎粗碎(第一段破碎)井下开采600350 露天矿15001000 20125 250125 中碎（第二段破碎 ） 2501255025 细碎（第三段破碎 ） 5025102.5 磨碎粗磨102.520.5 中磨20.5-20

6、0目占7080% 细磨中磨产品-(200325)目占90 95% 超细 粉碎 超微粉碎磨碎产品 5 超细10m，5m占 95% 13 物料的基本粉碎方式 物料的基本粉碎方式：压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。 1、压碎（补充） p物料受到相对压缩力的作用被粉碎成小块。其作用方式有 ： p（1）两块相对运动金属板相互挤压作用。（颚式破碎机 ） p（2）两个相对旋转棍的碾压作用。（辊式破碎机 ） p（3）内锥体在外锥形筒中作偏心旋转的挤压作用。（圆 锥破碎机） 14 p2、击碎（补充） p物料受到外冲击力作用而被粉碎，它适用于脆性材料。其 作用方式有： p（1）外来坚硬物体的打击作用，如用铁锤锤击。（冲

7、击 式破碎机和锤式破碎机 ） p（2）物料自身间及与固定的硬质钢板的高速冲击作用（ 振动磨）。 p（3）物料相互之间的撞击作用（气流磨）。 15 p3、磨碎（补充） p物料在不同形状研磨体之间受到碾压作用而被粉碎成细小 颗粒，它适用于块状物料。 p4、剪切（补充） p物料在刀刃等利器的剪切、穿刺、撕裂等作用下被粉碎成 小块或碎片，它适用于韧性材料、薄膜、片材以及软质制 品。 16 p工业上采用的粉碎设备，虽然技术设备不同，但粉碎机制 大同小异。一般的粉碎作用力都是这些各种力的组合。 p如球磨机和振动磨是由磨碎与冲击粉碎的组合； p雷蒙磨是压碎、剪碎与磨碎的组合； p气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组

8、合，等等。 17 粉碎作用力的作用形式 压碎 冲击剪碎 磨碎 冲击 冲击+压碎 剪碎+磨碎 冲击+剪碎 18 （2）破碎段或磨矿段 p粉碎是分阶段进行的，因为现有的设备还不能一次就将大 块原矿粉碎至要求的细度。 p物料每经过一次破碎机或磨矿机，称为一个破碎段或磨矿 段。 19 p对于每一段破碎或磨矿作业，定义物料粉碎前后的粒度（ 即给料粒度与产物粒度）之比为该段破碎或磨矿作业的破 碎比或磨矿比（或叫粉碎比）。 p各段破碎或磨矿作业破碎比或粉碎比的乘积为该段破碎或 磨矿工艺流程的总的破碎比或粉碎比。 p问题：直径为1m的物料经过破碎比分别为8、6和5三段粉 碎处理后产物的粒径为多少？ 4.17m

9、m 20 （3）筛分与分级 p在粉碎作业中，常常需要设置筛分或分级设备，以控制产 品粒度分布和提高粉碎作业的效率。 p筛分或分级作业不构成单独的破碎或磨矿段，而是与相应 的破碎机或磨矿机构成破碎或磨矿段。 p因此，无论一台破碎机或磨矿机配置一台还是多台分级机 都是一个破碎或磨矿段。 21 筛分与分级 p把粉碎产品按某种粒度分成大和小二部分的作业 称为分级（Sizing，广义）。 p并分为用筛子筛分（Screening）和流体中进行分 级（Classification）二种方式。 22 筛分与分级 p筛分是利用在金属板上穿开适当的孔眼，或用棒相组合， 或用金属丝及其它材料织成网的筛子，将颗粒分为

10、通过孔 眼和未通过的两部分的作业。 p分级是利用流体的阻力和重力、惯性力或离心力之间的平 衡关系，改变粒度分布的作业。 p利用空气作为流体的是干法分级。 p利用液体（如水）作为流体的称为湿法分级。 23 不同的筛面 24 3.1.1.2 常用粉碎设备 p（1）常用的破碎设备主要有： p颚式破碎机 p圆锥破碎机 p辊式破碎机 p反击式破碎机 p和锤式破碎机等。 25 表3-1-2 破碎机类型、性能及应用 26 （2）磨矿设备 p常用的磨矿设备主要有： p球磨机 p棒磨机 p自磨机 p砾磨机 p雷蒙磨 p振动磨 p立式磨 p辊磨机 p离心自磨机 p锤磨机 p涡轮磨 p及其它高速冲击磨等。 27 表

11、2-1-3 磨矿机的种类及应用 28 （3）超细粉碎设备 p迄今为止的超细粉碎方法主要是机械力方法，包括 p利用高速气流冲击的气流磨； p利用高速机械回转冲击及剪切作用的冲击式超细粉碎机； p利用摩擦研磨作用的搅拌球磨机、振动球磨机、旋转球磨 机、行星磨； p利用剪切力的胶体磨； p利用压应力的高压辊磨机； p以及利用高压射流冲击的射流粉碎机等。 29 表3-1-4 常用超细粉碎设备的粉碎原理与适用范围 30 （4）筛分设备 p常与破碎机配合的筛分设备有： p格条筛 p筒形筛 p振动筛 p概率筛 p细筛等。 31 （5）分级设备 p常与磨矿设备配套使用的分级设备分为两类， p一是与湿法磨矿设备

12、配合使用的湿法分级设备，有： p螺旋分级机、水力旋流器和水力分级机。 p二是与干法磨矿设备配合使用的干法分级设备，有： p空气旋流式分级机和转子离心式分级机。 32 表3-1-5 常用分级机的类型及主要应用性能 33 3.1.1.3 粉碎过程的机械化学及粉碎极限 p（1）粉碎过程机械化学 p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 化称为机械化学变化。 34 p在超微粉碎加工中，由于颗粒微细，而且又承受反复强烈 的机械应力作用，表面积首先要发生变化。 p同时，温度升高、表面积变化还会导致表面能变化。 p因

13、此，颗粒中相邻原子间断裂之前牢固约束的键力在粉碎 后形成的新表面上很自然地被激活。 35 表面能的增大和机械激活作用将导致以下几种变化： p(1)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； p(2)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； 36 表面能的增大和机械激活作用将导致以下几种变化： p(3)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格中化学组成变化。 p此外，对于易燃、易爆物料，其粉碎生产过程中还会 伴随有燃烧、爆炸的可能性，这是超微机械粉碎技术 应予以

14、考虑的安全性问题。 37 （2）超微(细)机械粉碎极限 p粉碎能耗假说(补充) p表面积假说（适合微粉碎和超微粉碎） p粉碎能耗与粉碎后物料的新生表面积成正比 38 p体积假说（适合于粗中粉碎） p物料粉碎所消耗的能量与颗粒的体积成正比 p裂缝假说（适合于两者之间1-100 mm） p粉碎物料消耗的能量与物料产生的裂缝长度成正比，而裂 缝又与物料粒径的平方根成反比。 39 （2）超微(细)机械粉碎极限 p粉碎极限是超微粉碎面临的一个重要问题。 p在超微粉碎中，随着颗粒粒径的减小，被粉碎物料的结晶 均匀性增加，颗粒强度增大，断裂能提高，粉碎所需的机 械应力也大大增加。 p因而颗粒度越细，粉碎的难

15、度就越大。 40 粉碎极限 p粉碎到一定程度后，尽管继续施加机械应力，粉体物料的 粒度不再继续减小或减小的速率相当缓慢，这就是物料的 粉碎极限。 p理论上，固体粉碎的最小粒径可达0.01-0.05m。然而目 前机械粉碎设备与工艺很难达到这一理想值。 pHuiting认为固体物料的粉碎极限为1m。 41 粉碎极限 p神保在研究球磨机粉碎时，认为若减小粉磨介质球径，如 采用1mm直径的介质球可以产生1-2m之间的超微颗粒。 p奥田的实验研究结果表明，采用表面粉碎方式，通过往复 摩擦粉碎石灰石，可制得最大粒径小于0.6m的超微颗粒 。而采用回转磨擦粉碎，可制备粒度为0.2-1m的A12O3超 微颗粒

16、。 42 p此外，粉碎极限还取决于物料种类、机械应力施加方式、 粉碎方法、粉碎工艺条件、粉碎环境等因素。 p随着超微粉碎技术的发展，物料的粉碎极限将逐渐得到改 善。 43 3.1.2 破碎与筛分 p3.1.2.1 破碎设备及应用 p根据破碎设备的形式和施力特点，破碎设备可分为颚式破 碎机、圆锥式破碎机、辊式破碎机、冲击式破碎机和锤式 破碎机等。 44 颚式破碎机 p颚式破碎机出现于1858 年，由于其结构简单、 工作可靠、制造容易、 维修方便等优点。所以 至今仍在各个行业得到 广泛应用，是最常用的 粗碎设备。 45 工作原理 p该机由电动机驱动皮带和皮带轮，通过偏心轴使动颚上下 运动，当动颚下行时，定颚与动颚间夹角变小，物料被压 碎达到破碎目的； p当动颚上升时定颚和动颚间夹角变大，动颚板在拉杆、弹 簧的作用下离开定颚板，此时已破碎物料从破碎腔下口排 出。 46 鄂式破碎机工作原理示意图 47 颚式破碎机 p根据动颚的运动轨迹和特点。颚式破碎机可分 为简摆式（双衬板或双推力机构）和复摆式（ 单肘板或单推板机构）。 p双腔回转