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1、粉体工程粉体工程绪论绪论粉末的表征与测量粉末的表征与测量粉末制取粉末制取粉末成形粉末成形粉末固结粉末固结4/5/20231绪论绪论粉体工程学科的形成粉体工程学科的形成粉体工程的应用范围粉体工程的应用范围4/5/20232颗粒颗粒粉体粉体绪 论4/5/20233Fine particle Fine particle 颗粒颗粒从个体颗粒出发，称为颗粒学从个体颗粒出发，称为颗粒学Powder Powder 粉体粉体从集合粉体出发，称为粉体工程学从集合粉体出发，称为粉体工程学绪 论4/5/20234粉体工程所涉及的行业粉体工程所涉及的行业绪 论4/5/20235绪 论4/5/20236粉末的表征与测量
2、粉末的表征与测量4 颗粒大小和形状表征4 粉体特性的表征4 粉体的粒度与比表面测定4/5/202371.1颗粒大小和形状表征 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，进行详细描述。颗粒的大小和形状是粉体材料最重要的物性特性表征量。颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征4/5/20238 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征直径D直径D、高度H？颗粒的大小 颗粒大小颗粒大小4/5/20239 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征人为规定了一些所谓尺寸的表征方法人为规定了一些所谓尺
3、寸的表征方法t 三轴径t 定向径t 当量径 颗粒大小颗粒大小4/5/202310高度高度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：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：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 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征三轴径三轴径设，图中颗粒处于一水小平面上，其正视和俯视投影图如图所示。这样在两个投影图中，就能定义一组描述颗粒大小的几何量：高、宽、长，定义规则如下 颗粒大小颗粒大小4/5/202311hbl 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征
4、颗粒大小颗粒大小4/5/202312三轴几何平均径：三轴几何平均径：与颗粒外接长方体体积相等的立方体的棱长与颗粒外接长方体体积相等的立方体的棱长 三轴平均径计算公式三轴平均径计算公式 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征三轴算术平均值：三轴算术平均值：立体图形的算术平均立体图形的算术平均三轴调和平均径三轴调和平均径：与颗粒外接长方体比表面积相等的球的与颗粒外接长方体比表面积相等的球的直径或立方体的一边长直径或立方体的一边长 颗粒大小颗粒大小4/5/202313沿一定方向的颗粒的一维尺度。定向径包括三种沿一定方向的颗粒的一维尺度。定向径包括三种 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征 颗粒大小颗粒
5、大小定向径定向径4/5/202314S1S2定向最大径定向最大径Martin径径Feret径径 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征对于一个颗粒，随方向而异，定向径可取其所有方向的平均值；对取向随机的颗粒群，可沿一个方向测定。颗粒大小颗粒大小4/5/202315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 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征当量径当量径等效圆球体积直径等效圆球体积直径等效圆球体积直径等效圆球体积直径 颗粒大小颗粒大小4/5/202316等体积球当量径 与颗粒同体积球的直径等表面积球当量径 与颗粒等表面积球的直径 颗粒大小和形
6、状表征颗粒大小和形状表征 颗粒大小颗粒大小4/5/202317比表面积球当量径 与颗粒具有相同的表面积对体积之比，即具有相同的体积比表面的球的直径投影圆当量径Heywood径 与颗粒投影面积相等的圆的直径等周长圆当量径与颗粒投影圆形周长相等的圆的直径 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征 颗粒大小颗粒大小4/5/202318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 颗粒大小颗粒大小 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征4/5/202319 以上各种粒径是纯粹的几何表征量，描述了颗
7、粒在三维空间中的线性尺度。在实际粉末颗粒测量中，还有依据物理测量原理，例如运动阻力，介质中的运动速度等获得的颗粒粒径，这时的粒径已经失去了通常的几何学大小的概念，而转化为材料物理性能的描述。因此，除球体以外的任何形状的颗粒并没有一个绝对的粒径值，描述它的大小必须要同时说明依据的规则和测量的方法。颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征 颗粒大小颗粒大小4/5/202320 颗颗粒粒的的形形状状对对粉粉体体的的物物理理性性能能、化化学学性性能能、输输运运性性能能和和工工艺艺性性能能有有很很大大的的影影响响。例例如如，球球形形颗颗粒粒粉粉体体的的流流动动性性、填填形形性性好好，粉粉末末结结合合后后材材
8、料料的的均均匀匀性性高高。涂涂料料中中所所用用的的粉粉末末则则希希望望是是片片状状颗颗粒粒，这这样样粉粉末末的的覆覆盖盖性性就就会会较较其其他他形形状状的的好好。科科学学地地描描述述颗颗粒粒的的形形状状对对粉粉体体的的应应用用会会有有很很大大的的帮帮助助。同同颗颗粒粒大大小小相相比比，描描述述颗颗粒粒形形状状更更加加困困难难些些。为为方方便便和和归归一一化化起起见见，人人们们规规定定了了某某种种方方法法，使使形形状状的的描描述述量量化化，并并且且是是无无量量纲纲的的量量。这这些些形形状状表表征征量量可可统统称称为为形形状状因子，主要有以下几种：因子，主要有以下几种：颗粒大小和形状表征颗粒大小和
9、形状表征颗粒的形状4/5/202321与颗粒等体积的球的表面积与颗粒的表面积之比 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征球形度球形度可以看出：1.；2.颗粒为球形时，达最大值。颗粒形状颗粒形状4/5/202322一些规则形状体的球形度一些规则形状体的球形度：颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征 颗粒形状颗粒形状4/5/202323一个任意形状的颗粒，测得该颗粒的长、宽、高为一个任意形状的颗粒，测得该颗粒的长、宽、高为l、b、h，定义方法与前面讨论颗粒大小的三轴径规定相同，则：，定义方法与前面讨论颗粒大小的三轴径规定相同，则：扁平度延伸度 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征扁平度扁平度m与延伸度
10、与延伸度n 颗粒形状颗粒形状4/5/202324若以Q表示颗粒的几何特征，如面积、体积，则Q与颗粒粒径d的关系可表示为：式中，式中，k即为形状系数。对于颗粒的面积和体积描即为形状系数。对于颗粒的面积和体积描述，述，k有两种主要形式，分别为：有两种主要形式，分别为：颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征形状系数形状系数 颗粒形状颗粒形状4/5/202325表面形状因子(j表示征对于该种粒径的规定)与的差别表示颗粒形状对于球形的偏离 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征形状系数形状系数 颗粒形状颗粒形状4/5/202326与 的差别表示颗粒形状对于球形的偏离 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征体积
11、形状因子形状系数形状系数 颗粒形状颗粒形状4/5/202327表面形状因子与体积形状因子的比值表面形状因子与体积形状因子的比值 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征比表面积形状系数形状系数形状系数 颗粒形状颗粒形状4/5/202328一些规则几何体的形状因子一些规则几何体的形状因子 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征 颗粒形状颗粒形状4/5/2023291.2 粉体的特性表征粉体的特性表征1 1 粉体的平均粒径粉体的平均粒径2 2 粒度分布粒度分布3 3 粒度测定粒度测定4 4 粉体的比表面积与测量原理粉体的比表面积与测量原理4/5/202330粉体的特性表征粉体的特性表征粉体平均粒径计算公
12、式粉体的平均粒径粉体的平均粒径 粉体的平均粒径粉体的平均粒径4/5/202331粉体的特性表征粉体的特性表征粉体的平均粒径粉体的平均粒径4/5/202332粉体的特性表征粉体的特性表征 粒度分布粒度分布4/5/202333例：以显微镜观察测量粉体的例：以显微镜观察测量粉体的FeretFeret径（测量总数为径（测量总数为10001000个）个）4/5/202334频度%粒度4/5/202335频度%粒度4/5/202336正态分布正态分布：（d+）中位径，统计学中的数学期望值标准偏差4/5/20233740mm）4/5/202338国际标准筛制：国际标准筛制：Tyler(Tyler(泰勒泰勒)
13、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（英（25.4mm25.4mm）寸长度内的网孔数）寸长度内的网孔数(a，d单位mm)25.4ad4/5/202339得到比得到比200目粗的筛孔尺寸目粗的筛孔尺寸得到比得到比200目细的筛孔尺寸目细的筛孔尺寸主模系列:标准规则:以200目的筛孔尺寸0.074mm为基准，乘或除模 （或），则得到4/5/202340副模系列：得到比得到比200目粗的筛孔尺寸目粗的筛孔尺寸得到比得到比200目细的筛孔尺寸目细的筛孔尺寸标准筛系列：32 42 48 60 65 80 100 115 150 170 200 270 325 400其中最细的是其中
14、最细的是400目，孔径是目，孔径是38m。4/5/202341筛分的优缺点筛分的优缺点优点优点统计量大,代表性强便宜重量分布缺点缺点下限38微米人为因素影响大重复性差非规则形状粒子误差速度慢4/5/2023422.显微镜显微镜 采用定向径方法测量4/5/202343光学显微镜 0.25250m电子显微镜 0.0015m显微镜测定粒度要求统计颗粒的总数：粒度范围宽的粉末粒度范围宽的粉末1000010000以上以上粒度范围窄的粉末粒度范围窄的粉末1000 1000 左右左右4/5/202344显微镜方法的优缺点显微镜方法的优缺点优点优点可直接观察粒子形状可直接观察粒子团聚光学显微镜便宜缺点缺点代表
15、性差重复性差测量投影面积直径速度慢4/5/2023453.光衍射法粒度测试光衍射法粒度测试测量原理 当光入射到颗粒时，会产生衍射，小颗粒衍射角大，而大颗粒衍射角小，某一衍射角的光强度与相应粒度的颗粒多少有关。4/5/202346测量原理示意图4/5/2023474 激光衍射 0.05500m0.05500m4 X光小角衍射 0.0020.1m 0.0020.1m测量方法4/5/202348 目目前前的的激激光光法法粒粒度度仪仪基基本本上上都都同同时时应应用用了了夫夫琅琅霍霍夫夫(Fraunhofer)(Fraunhofer)衍衍射射理理论论和和米米氏氏(Mie)(Mie)衍衍射射理理论论，前前
16、者者适适用用于于颗颗粒粒直直径径远远大大于于入入射射波波长长的的情情况况，即即用用于于几几个个微微米米至至几几百百微微米米的的测测量量；后后者者用用于于几几个个微米以下的测量。微米以下的测量。4激光衍射4/5/202349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4/5/2023504.电传感法粒度测试电传感法粒度测试测量原理 当一个小颗粒通过小孔时，所产生的电感应，即电压脉冲与颗粒的体积成正比。4/5/202351无颗粒时单元的电阻无颗粒时单元的电阻有颗粒时单元的电阻有颗粒时单元的电阻仪器对脉冲计数并归档，即可计算出有关粒度参量仪器
17、对脉冲计数并归档，即可计算出有关粒度参量4/5/2023523.沉降法法粒度测试沉降法法粒度测试测量原理 在具有一定粘度的粉末悬浊液内，大小不等的颗粒自由沉降时，其速度是不同的，颗粒越大沉降速度越快。如果大小不同的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离(时间)后，就能将粉末按粒度差别分开。4/5/202353测量原理示意图t=0t=t1t=t2t=t3光吸收率时间t1t2t304/5/2023544重力沉降 10300m4离心沉降 0.0110m测量方法4/5/202355 自然重力状态下的自然重力状态下的d dt t的函数（的函数（StokesStokes）离心力状态下的离心力状态下的d
18、dt t函数函数4/5/202356优点测量重量分布代表性强经典理论,不 同 厂 家仪器结果对比性好价格比激光衍射法便宜缺点对于小粒子测试速度慢,重复性差非球型粒子误差大不适应于混合物料动态范围比激光衍射法窄沉降法方法的优缺点沉降法方法的优缺点4/5/202357高岭土样品高岭土样品高岭土样品高岭土样品沉降沉降沉降沉降激光激光激光激光粒度粒度粒度粒度%1001001010沉降与激光衍射法对于非球型粒子测试比较沉降与激光衍射法对于非球型粒子测试比较4/5/202358 常见粒度分析方法统计方法代表性强,动态范围宽分辨率低筛分方法 38微米-沉降方法0.01-300微米光学方法0.001-3500
19、微米非统计方法分辨率高代表性差,动态范围窄重复性差显微镜方法光学 1微米-电子0.001微米-电域敏感法0.5-1200微米4/5/202359 颗粒大小和形状表征颗粒大小和形状表征 常见粒度分析方法常见粒度分析方法4/5/2023604/5/202361粒度测定方法的选定主要依据以下一些方面：1.颗粒物质的粒度范围；2.方法本身的精度；3.用于常规检验还是进行课题研究。用于常规检验应要求方法快速、可靠、设备经济、操作方便和对生产过程有一定的指导意义；4.取样问题。如样品数量、取样方法、样品分散的难易程度，样品是否有代表性等；5.要求测量粒度分布还是仅仅测量平均粒度；6.颗粒物质本身的性质以及颗粒物质的应用场合。粒度测定方法的选定粒度测定方法的选定4/5/202362