粉体工程1

1.颗粒学（粉体工程）及其进展1.1颗粒--粉体（Particles）无所不在：空气，海洋，湖泊，水，土壤，太空……多种来源:Chapter1粉体工程概论a.自然界：岩石风化，火山活动，河流冲击等等b.人工（工业）：几乎每一固体材料在制备开始，末尾或中间至少经历一个粉体阶段。日常生活——空气中尘埃，废气污染物，食物……可以说我们是生活在颗粒的世界!粉体是物质形态的一种特殊存在形式，在外观表现上介于固体和流体之间，随着细度的增加常常表现出千变万化的性质。2.WorldCongressParticleTechnology日本人认为Particle严格来说是粒子或粒体而不是粉体，因为颗粒总是以粉体这种集合体的形式出现，集合产生了个体不具有的特殊性。粉体，粉体工程另一词Kona更为传统和更易于表达Particleandpowder；粉体（Powder）——由细小固体颗粒组成的集合体。G.Jimbo:Funtai,Powder,ParticleandBeyond粉体与展望2019/8/115颗粒粉体粉体与颗粒的关系指出:KonaorFuntai,ParticleorPowder颗粒，颗粒学；粉体是处于特定聚集状态的物质，是一种分布于某一范围内的大小颗粒之间相互作用的存在状态；它与气体、液体、固体相同吗？——第四相粉体，具有固体属性；但粉体的表面积很大，使得自由能变得不可忽略。S(surfacearea)大，吸引力，输送，呈流体状态，集合产生了个体所不具有的特殊性。粉体----〉散体粉体力学散体力学粉体力学与工程[专著]/谢洪勇编著粉体的特性材料的机械、物理和化学性质描述了组成材料的物质组态的基本特性，当物质被“分割”成为粉体之后，上述三类性质则不能全面描述材料的性质，必须对粉体材料的组成单元——颗粒及其集合，进行详细描述。2019/8/119粉体工程的应用范围颗粒大小决定（影响）：e.g.水泥的凝结时间、强度；结构陶瓷的强度、韧度；功能材料的功能；催化剂的活性；食品的味道；药物的药力；颜料的着色力；颗粒大小——粉体系统各种性质影响很大颗粒集合---吸引力，输送颗粒制备---粉碎2019/8/1110e.g.陶瓷材料性能由：a.材料组分；b.显微结构--粉体特性（颗粒度、形状、团聚状态、相组分)；亚微米―纳米级超细粉，加速烧结过程中动力学过程，降低烧结时间，改善烧结体性能；e.g.水泥工艺是两磨一烧,水泥性能由a.材料组成（煅烧）；b.颗粒度（颗粒大小及分布）；水泥（溶胶－凝胶法，DSP）DSP水泥;densifiedsystemscontaininghomogeneousarrangedultrafineparticle;DSPcement2019/8/1111非金属矿行业对国民经济和社会就业的贡献和影响不断提高，2000年非金属矿工业总产值已达548.82亿元，超过金属矿工业总产值（435.34亿元）。非金属矿产品与金银铜铁一样，是社会发展不可缺少的重要物质资料。在出口方面，非金属矿产品是我国改革开放以来出口创汇增长最快的产品；其巨大贡献是不争的事实。非金属矿产品在六五”期间出口12.5亿美元,七五期间达到25.7亿美元，八五期间超过53.7亿美元，九五期间超过100亿美元。2000年出口创汇24.29亿美元，2001年达到28亿美元，2002年继续保持增长势头。估计“十五”期间将超过180亿美元以上。重要的战略资源石墨，我们国家占世界储量的90%以上，是世界上的最大出口国；纤维状硅灰石也是重要的矿物资源，我们的出口量占世界贸易量的30%以上。粉体技术所涉及到的行业和产品应用农业粮食加工、化肥、粉剂农药、土壤改良剂、饲料、添加剂、人工降雨催凝剂矿业金属矿石的粉碎研磨、非金属矿深加工、低品位矿物利用、冶金粉末冶金、机械合金化、冶金原料处理、冶金废渣利用、硬质合金生产橡胶固体填料、补强材料、废旧橡胶制品的再生利用、功能性填料塑料塑料原料制备、增强填料、粉末塑料制品、塑料喷涂2019/8/1113粉体技术所涉及到的行业和产品应用造纸纸浆制备、造纸填料、涂布造纸用超细浆料、纤维状增强填料印刷油墨生产、铜金粉、喷墨打印墨汁、激光打印和复印碳粉药物粉剂,片剂,注射剂,中药精细化,定向药物载体、喷雾施药化工涂料、油漆、催化剂、原料处理2019/8/1114粉体技术所涉及到的行业和产品应用食品粮食加工、面粉蛋白分离、调味料、保健食品、食品添加剂、颜料偶氮颜料、酞青系列颜料、氧化铁系列颜料、氧化铬系列能源煤粉燃烧、固体火箭推进剂、水煤浆、电子电子浆料、电子塑封料、集成电路基片、电子涂料、荧光粉、铁氧体2019/8/1115粉体技术所涉及到的行业和产品应用建材水泥、建筑陶瓷生产、复合材料、木粉精细陶瓷原料细化处理、梯度材料、金属与陶瓷复合材料、颗粒表面改性环保脱硫用超细碳酸钙、固体废弃物的再生利用、各类粉状污水处理剂机械粒度砂、微粉磨料、超硬材料、固体润滑剂、铸造型砂1.2颗粒学--粉体工程（Powdertechnology--Particuology)1943年,美国Micromeritics(微晶学、微尘学)――颗粒学最早著作；今天已发展为一门新兴的综合性技术学科，一门交叉学科、边缘学科；超微颗粒是其中最为活跃的分支；Particuology：拉丁语Particula+希腊语Logia(颗粒的)（学科）2019/8/1117Fineparticle颗粒从个体颗粒出发，称为颗粒学Powder粉体从集合粉体出发，称为粉体工程学研究范围：粉体材料制备，加工和处理过程以及出现的现象；以颗粒性质、特征、内部结构为基础。粉体技术是一门跨行业、跨学科的新兴技术，包括粉碎、分级、分离、均化、混合、输送、储存、改性、造粒、粉尘爆炸以及粉体特性的研究和测试等。作为一个生产环节，粉体技术早已应用于各工业部门，但作为一项专门技术进行系统地研究、开发则是随着现代工业技术的发展而形成的。2019/8/1119美国FineParticle协会;欧洲粉体技术研讨会InternationalCongressonParticleTechnologyInternationalMineralProcessingCongress欧洲粉碎协会（EuropeanSymposiumonComminution），国际粉碎研究学会（InternationalComminutionResearchAssociation），国际矿物工程粉碎协会（MineralsEngineeringInternational—ComminutionAssociation）。2019/8/1120日本是比较重视粉体技术研究开发的国家1956年日本粉体工学研究会，粉体工学会志；他们于1971年成立日本粉体工业技术协会（APPIE）的标准委员会，并在1982年开始与日本工业技术标准调查会和ISO国际标准化组织联合，制定系列粉体技术标准。亚洲颗粒技术粉碎工作组（ComminutionGroupofAsianParticleTechnology）等国际研究组织。著名研究机构与学者国外美国国家标准实验室宾夕法尼亚大学--Austin教授犹他大学---King教授德国Karlsruhe大学的Rumpf教授从固体物理学角度建立的粉碎规律德国Clausthal大学---Schönert、Leschonski教授日本东京大学井上教授名古屋大学-----神保元二教授东北大学---Yashima教授2019/8/1122著名研究机构与学者国外美国杜邦公司美国P.M.公司美国斯特蒂文特公司美国More-Bouse-Cowles公司----化工原料及非金属矿的细磨及分散。日本细川（Hosokawa）集团--德国Alpine公司德国Bosch集团德国耐驰（Netzsch）公司法国乌尔特拉芬公司2019/8/1123著名研究机构与学者科研院所中国科学院过程所清华浙大武汉理工大学同济大学北京科技大学华南理工2.UFP--超微粉体概述ultrafineparticles,superfineparticles,veryfineparticles超细粉；超微粉；超微细粉——没有统一的称谓微颗粒:fineparticles超细粉体在广义上指从微米级到纳米级的一系列超细材料，狭义上是指从微米级（5μm)、亚微米级到100纳米的一系列超细材料；粗颗粒:coarseparticle亚微颗粒:submicronparticles0.1-1μm，颗粒原子数109～1010个超微颗粒:ultrafineParticelsnanometer毫微米10-9微米级（1μm）；亚微米级（0.1-1μm）；纳米级（0.1μm）；部分学者的颗粒的单元尺度概念可开发出多种新功能材料；物质新状态——不能忽视表面的影响；纳米粉体(nano-meter)超微粉体(sub-micron)超细粉体(micron)1nm纳米颗粒100nm亚微米颗粒1μm微米颗粒10μ粉体与颗粒的尺度概念2019/8/1127将物体逐步微细化就得到所谓的微细颗粒。这些颗粒单位质量的表面积比原来的块状固体要大得多，它与原块状固体的根本差别就在于此。当这一单纯的差别超过一定程度时，这种颗粒在性能上就与原固体完全不同，成为“物质的新状态”。具有这种状态的颗粒就叫“超微颗粒”（UFP）。它与通常的颗粒是有差别的。2019/8/1128超微颗粒的粒径，即超微颗粒在性能上出现与原固体完全不同行为时的粒径，根据性能的不同，有很大的差别。e.g.磁性以及电阻等性能分别与磁畴的磁化过程以及载流子的平均自由程这种颗粒本身的内部有结构有着深刻的联系。所以，超微颗粒的内部结构决定了它作为“超微颗粒”的临界粒径。2019/8/1129部有结构有着深刻的联系。所以，超微颗粒的内部结构决定了它作为“超微颗粒”的临界粒径。超微颗粒作为物质存在的新状态的概念正在逐渐为人们所接受。超微颗粒制备及其相关物性的理论与应用研究，正在形成与发展之中。2019/8/1130超微颗粒以其“体积效应”和“表面效应”显著区别于一般颗粒，正因如此，引起了许多学者浓厚的研究兴趣，并扩展到很多领域，如：光学、电子学、磁学、工业化学、结构及功能材料等。有的已进入实用阶段。2019/8/1131因此，对UFP的进一步了解和研究，在现代科学技术中，显得越来越重要。也是这门课程开设的目的。本课程主要介绍UFP的基本概念、特性、制备方法、测试和表征与有关应用。2019/8/1132颗粒学是一门新兴的边缘学科，交叉学科（多学科交叉领域）。纳米材料是其中一个分支，是材料制备科学的一次飞跃。日本——21世纪的重大科技；美国——国家基金会把纳米科学列为优先支持领域；英国——作为重振英国制造业的突破口；德国——最大科研项目。关于UFP的尺寸界限？e.g.磁性以及电阻等性质分别与磁畴的磁化过程以及载流子的平均自由程；——颗粒本身的内部结构有密切联系。UFP为何具有独特的性能：首先，联想到非常发达的表面。因为物质内部与表面原子所处环境是不同的。所以，UFP的内部结构决定了它作为“UFP”的临界粒径。UFP粒径：大约1～100nm范围也学者认为：5nm～1μm范围纳米+亚微米e.g.配位数为6的晶体本体原子：6个配位键完整表面原子：1个配位键折断边棱原子：2个配位键折断隅角原子：3个配位键折断处在表面，边棱，特别是隅角上的原子能级比起本体中的原子都要高，活性大，比较容易蒸发、溶解和起化学反应。颗粒越小，处于表面、边棱，特别是隅角上的原子就越多。对于球形颗粒：S∝1/d当d↓，S↑，表面原子数/整体原子数↑↑这时为数众多的较高能级的表面原子便不能不对颗粒的性质产生影响。铜颗粒的粒径和表面能边长1mol中的1个颗粒中的全表面积表面能表面能与颗粒数原子数体积能10nm7.12×10188.46×1044.27×1079.4×10102.751μm7.12×10128.46×10104.27×1059.4×1080.0275e.g.原子直径0.2nm颗粒尺寸0.4nm，若每边只