粉体知识点整理

第一章绪论
1.粉体学的重要意义（对应“粉体及其技术的重要性”）
1)粉体是许多材料构成、组分或原料；
2)粉体技术是制备材料的基础技术之一；
3)超细粉体材料，尤其是纳米粉体材料在新型材料的开发研究中越来越重要；
4)粉体容易大批量生产处理，产品质量均匀，成本低，控制精确，成为许多人工合成材料必然选
择的合成方法。

2.颗粒的定义：是在一特定范围内具有特定形状的几何体。

大小一般在毫米到纳米之间，颗粒不仅指固体颗粒，还有雾滴、油珠等液体颗粒。

3.粉体的定义：大量颗粒的集合体，即颗粒群，又称粉末（狭义的粉末是指粒度较小的部分）。

颗粒与粉体的关系：颗粒是粉体的组成单元，是粉体中的个体，是研究粉体的出发点。

颗粒又总是以粉体这种集合体的形式出现，集合体产生了个体所所不具有的性质。

4.粉体学的特点：以粉体为研究对象，研究其性质及加工利用技术。

5.粉体技术包括：制备、加工、测试。

制备有各种物理、化学、机械方法；加工作业有粉碎、分级、分散、混合、制粒、表面处理、流态化、干燥、成形、烧结、除尘、粉尘爆炸、输运、储存、包装等；测试对粉体各种几何、力学、物理、化学性能表征。

6.粉体的存在状态：通常所指的粉体是小尺寸的固体，但气体中的液滴、液体中的气泡也属于颗粒；固态的物质中又分为分散态和聚集态，多数粉体为分散态。

7.粉体的分类：
1)按照成因分类：天然粉体与人工粉体
2)按制备方法分类：机械粉碎法和化学法粉体
3)按分散状态分类：原级颗粒（一次颗粒）、聚集体颗粒（二次颗粒）、凝聚体颗粒（三次颗粒）、絮凝体颗粒
4)按颗粒大小（粒径）分类：粗粉体（>）、中细粉体（~）、细粉体（10~74μm）、微粉体（~10 μm ）、纳米粉体（<100nm）
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第二章粉体的几何性质
1.粒度定义：粒度是指粉体颗粒所占空间的线性尺寸。

2.颗粒尺寸常用的表征方法：三轴径、定向径、当量径、
3.粉体平均粒径计算公式：
4.粒度分布及其表示方法：
粒度分布依据的统计基准：
∑n的比例。

①个数基准分布(又称频度分布) 以每一粒径间隔内的颗粒数占颗粒总数
∑nd的比例。

②长度基准分布以每一粒径间隔内的颗粒总长度占全部颗粒的长度总和
∑2nd的比例。

③面积基准分布以每一粒径间隔内的颗粒总表面积占全部颗粒的总表面积
∑3nd的比例。

④重量基准分布以每一粒径间隔内的颗粒总重量占全部颗粒的总重量
表征粒度分布的方法：列表法，作图法、矩值法和函数法。

其中函数法是最精确的粒度描述方法（即用概率理论或者近似函数的经验法莱寻找数学函数）5．形状因子：为形状表征量，无量纲常数，有形状指数和形状系数。

形状指数是指颗粒几何参数的无量纲组合。

它与形状系数相比没有明确的物理意义。

形状系数：颗粒的表面积、体积、比表面积等几何参数与某种规定粒径dp的相应次方的比例关系。

6.常用粒度测量方法及其他优缺点：
1)筛分析法（一般>40μm），其中最细的是400目，孔径为38μm；
优点：统计量大、代表性强；便宜；重量分布。

缺点：粒度下限为38μm；人为因素影响大；重复性差；非规则形状粒子误差；速度慢。

2)显微镜法：采用定向径方法测量。

光学显微镜——250μm；电子显微镜——5μm；
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：代表性差；重复性差；要测量投影面积直径；速度慢；
3)光衍射法粒度测试：根据小颗粒衍射角大，大颗粒衍射角小来测量，同时某一衍射角的光强度与
相应粒度的颗粒多少关。

4)激光衍射—500μm；X光小角衍射—μm；
所用方法即为投射电子显微镜法；扫描电子显微镜法；
优点：可观察粒径小，图像富有立体感，较真实，易于识别，可观察微区，一般同时进行成分分析。

缺点：造价昂贵，试样制备要求严格，真空度要求严格
5)原子力显微镜（AFM）：
x,y方向分辨率可达到2nm,垂直方向分辨率课达到小于.
优点：AFM具有操作客易、样品准备简单、操作环境不受限制、分辨率高等优点
缺点：与SEM相比，成像范围太小，速度慢，受探头的影响太大。

6)光散射法和消光法
光散射法原理：利用颗粒对激光的散射角度随颗粒粒度而改变的原理测定粒度分布。

消光法原理：通过测定经粉体散射和吸收后光强度在入射方向上衰减确定粒度。

符合朗勃比尔定律。

优点：适用于气溶胶和液体分散系、非接触测定、精确给出粒度分布曲线和平均粒度、测定速度快；
电传感法粒度测试：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；
7)水利分析法—沉降法（用于小于物料粒度组成的测定）
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。

大小不同的颗粒从同意起点高度同时沉降，经过一定距离（时间）后，几颗将粉末按粒度差别分开。

重力沉降：10-300μm；离心沉降：μm。

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：检测速度慢(尤其对小粒子)；重复性差；对非球型粒子误差大；不适用于混合物料(即粒子比重必须一致才能较准确)；动态范围窄
8)气体吸附法
原理：使气体分子吸附于微粒表面，测定吸附量，换算粉体比表面积，求出粒度。

v1.0 可编辑可修改常见粒度分析方法:
7:粒度测定方法的选定（还要进一步看书P34）
根据数据的应用场合选择；根据粉体的粒度范围选择；根据粉体的存在形式选择；根据测定精度的要求选择；根据样品量选择；.根据粒度测定所需时间选择；根据设备投资和分析费选择：
8.粉体填充结构：是指粉体层内部颗粒在空间中的排列状态。

一般而言，粉体层的排列状态是不均匀的。

要注意到填充状态的两个极端，即最疏与最密填充状态。

原因是：形状不规则，存在空隙。

注意：粉尘的体积与其他固体物质的体积不同！
粉尘的体积包括：尘粒的颗粒体积、粉颗粒之间的空隙体积、颗粒外开口体积、颗粒内闭孔和附面膜体积等五部分。

9.描述粉体填充结构的参数（主要掌握前三个）
容积密度：ρb，亦称视密度：单位填充体积的粉体质量，即自然堆积状态下单位体积粉体的质量。

（表观密度）
填充率：Ψ，颗粒体积占粉体填充体积的比例如右图。

空隙率：ε，空隙体积占粉体填充体积的比例
Ε=1-Ψ=1- ρb/ρp
配位数：某一个颗粒接触的颗粒个数
配位数分布：粉体层中各个颗粒有着不同的配位数，
用分布来表示具有某一配位数的颗粒比率时，该分布称为配位数
分布。

空隙率分布：以距观察颗粒中心任一半径的微小球壳空隙体积比率对距离表示的分布。

接触点角度分布：将与观察颗粒相接的第一层颗粒的接触点位置，以任意设定的坐标角度表示的分布
10.等径球（均一球）的颗粒的规则填充
相邻的四个球视为基本层的最小组成单位，则有正方形和单斜方形两种排列方式。

掌握立方体填充（立方最疏填充）和菱面体填充（六方最密填充）。

立方体填充：配位数为6；菱面体填充：配位数12.
11.均一球形颗粒的实际填充（不规则填充）
实际填充时，由于受到球之间的碰撞、回弹、摩擦、容器壁面等影响，而成为不规则填充。

均一球形颗粒群的随机填充结构（贝尔纳实验）统计分析结论是：
（1）空隙率比较大时，配位数分布接近正态分布；
（2）随着空隙率减小，趋近于最密填充状态的配位数。

实验结论：高配位数的疏接触点多，填充疏松，空隙率大；（P39.）
低配位数的密接触电多，填充紧密，空隙率小。

12.非等径球形颗粒的填充
较大球形颗粒中加入一定数量的较小球形颗粒，空隙率可以降低；若进一步加入更小的球形颗粒，空隙率进一步降低。

1)空隙率随着小颗粒的混入比增加而减小
2)填入颗粒的粒径越小，空隙率也越低
总结即是：小颗粒粒径越小，配位数越大，空隙率越小，填充率越大。

13.影响颗粒填充的因素：
1)壁效应：当粉体填入容器时，填充结构受容器壁面的影响，在容器壁面附近形成特殊的填充结构，成为壁效应。

2)局部填充结构：空隙率分布、填充数密度分布、接触点分布。

3)粉体的含水量：潮湿粉体易于团聚，导致内部保持松散结构，致使填充率降低。

含水量较低
时候，容积密度略有降低，影响不大；随着含水量继续增大，形成大团粒，导致容积密度迅
速降低；含水量继续增大，由于颗粒发生相对滑动而使填充率增大。

4)颗粒形状：颗粒越接近球形，通常其空隙率越低。

即空隙率随颗粒球形度降低而增加。

5)颗粒大小：粒度很小时，颗粒间的附着力大于颗粒重力，发生团聚，此时空隙率较大，即表
观体积增大；当粒度大于某一临界值，凝聚力可忽略不计，粒度大小则对堆积无明显影响。

6)填充速度：对粗颗粒，填充速度越快会导致有较大的空隙率；对于面粉之类吸附力较明显的粉体，填充速度快，
可降低空隙率。

14.致密堆积经验
1)用单一粒径尺寸的颗粒，不能满足致密堆积对颗粒级配的要求；
2)采用多组分且组分粒径尺寸相差较大（一般相差4-5倍）的颗粒，可较好地满足致密堆积对粒度与级配的要求；
3)细颗粒数量应能足够填充堆积体的空隙，通常，两组分时，粗细颗粒数量之比约为7：3；三组分时，粗中细颗
粒数量比例约为7：1：2时，相对而言，可更好地满足致密堆积对粒度与级配的要求；
4)在可能的条件下，适当增大临界颗粒（粗颗粒）尺寸，可较好地满足致密堆积对颗粒级配的要求。

第三章粉体的力学性质
1．颗粒间的附着力（当粉体颗粒很小时，由于附着力存在易于团聚）
颗粒间的附着力（凝聚力）包括范德华力、静电吸引力、水分毛细管力、磁性力、机械咬合力。

2.填充层内的静态液相
根据颗粒间液体量的多少，有四种的静态液相。

1)摆动状态：颗粒接触点上存在透镜状或环状的液相，液相互不连接。

2)链索状态：液相相互连接而成网，空气分布其间。

3)毛细管状态：颗粒间隙充满液体，仅仅颗粒表面存在气液界面。

4)浸渍状态：颗粒群浸在液体中，存在自由液面。

3.液桥力
粉体颗粒之间接触处或间隙部位存在液体的状态成为液桥，液桥对所连接的颗粒有引力，也就是液桥力，实际上即毛细管力。

液桥力大小与颗粒间液体量、颗粒表面润湿性、颗粒形状、液固接触状况等有关。

孔隙和R孔隙的差异
T孔隙：4个球以正三角锥的顶点为球心排列时所形成的四面型孔隙称为T孔隙。

这种孔隙有6个解除点和4个支路，各个支路都与R孔隙相通。

与霍斯菲尔德填充的三角孔相同。

R孔隙：4个球并排成正方形，在通过正方形中心的垂线上再排列两个球后形成的长斜方形空隙称为R孔隙。

相当于霍斯菲尔德填充的四角孔。

5.粉体的摩擦特性（后三种以了解为主）
摩擦角：由于颗粒间的摩擦力和内聚力而形成的角的统称。

根据颗粒体运动状态的不同，可分为内摩擦角、安息角、壁摩擦角及动内摩擦角。

6.内摩擦角：在力学上可以理解为块体在斜面上的临界自稳角，在这个角度内，块体是稳定的；大于这个角度，块体就会产生滑动。

摩擦角表示该极限应力状态下剪应力与垂直应力的关系，它可用莫尔圆和破坏包络线来描述。

测试方法：流出法、抽出法、活塞法、慢流法、压力法、剪切盒法等
有关莫尔圆的画法和性质：
式中σ1和σ2为两个主应力，这两个关系式也可以用莫尔圆上N点的坐标值来表示，N点与σ1夹圆心角为2θ，当σ1和σ2为已知时, 用公式法或莫尔圆法都可获得通过该点的任一截面上的正应力和剪应力值。

7.安息角
安息角又称粉尘静止角、休止角、堆积角，是粉体粒度较粗的状态下由自重运动所形成的角。

测定方法：排出角法、注入角法、滑动角法、剪切盒法
安息角（休止角）≤30°流动性好；≤40°基本满足；≥40°流动性差。

同时注意粘性粉体或粒径小于100~200um的粉体粒子相互作用力较大，而流动性差，相应地所测休止角较大。

对于非黏聚性粉体，安息角和内摩擦角是相近的。

8.质量流与漏斗流的差异
质量流：指物料仓内整个粉体层能够大致均匀地下降流出，又称为整体流。

其特点是先进先出，即先进仓的物料先流出。

漏斗流：是指料仓内粉体层的流动区域呈漏斗流，其特点是后进先出，即先加入的物料后流出，料流顺序紊乱，甚至有部分粉体滞留不动。

漏斗流有两种，其中有一种死角区一直在。

质量流优点：避免了粉料的不稳定流动、沟流和溢流；消除了筒仓内的不流动区；形成了先进先出的流动，颗粒的偏析被大大减少或杜绝；最大限度减小了贮存期间的结块问题、变质问题和偏析问题；颗粒的密度在卸料时是常数，料位差对其无影响；流量得以很好控制，任意水平横截面的压力可以预测，且相对均匀，物料的密实程度和透气性是均匀的。

漏斗流缺点：出料口流速不稳定；料拱或穿孔崩塌时，细粉料可能被充气，并无法控制地倾泻而出；密实应力下，不流动区留下的颗粒可能变质或结块；沿料仓壁长度安装的料位指示器不能正确指示料仓下部的料位；后进先出。

9.应力的主动状态和被动状态
被动状态：粉体层受水平方向压缩时，粉体将沿斜上方被推开，此时的极限应力状态；最大主应力为水平方向
主动状态：粉体层受重力作用，将要出现崩坏是的极限应力状态；最小主应力为水平方向
10.流动形式：
E不流动区
D自由降落区
C垂直运动区
B缓慢滑动区
E N流动椭圆体；E G边界椭圆体；E0流动锥体
第四章粉体的粉碎制备
1.粉碎的定义：在外力作用下使大块物料克服内聚力，碎裂成若干小颗粒的加工过程。

破碎是使大块物料碎裂成小块物料的加工过程（100mm粗碎、30mm中碎、3mm细碎）；
粉磨是使小块物料碎裂成细粉体的加工过程（粗磨、60μm细磨、5μm超细磨）。

作用与目的：粉碎后，粒度显著减小，比表面积显著增大，有利于几种物料的均匀混合、便于输送和贮存、有利于提高固相高温反应的程度和速度。

2.被粉碎物料的性质：强度、硬度、脆性、韧性、易磨性等。

1)强度：材料抵抗外力的能力，通常以材料破坏时单位面积上所受的力来表示，单位N/㎡或Pa
理想强度：物料完全均质、不含任何缺陷时的强度称为理想强度；
实际强度：实际强度一般为理想强度的1/100~1/1000；
强度的尺寸效应：试验片体积变小时，强度值增大←---裂纹的大小、形状、方向及数量
强度随着加荷速度而变化：材料本身兼具弹性性质和延展性质
强度随氛围条件而变化
2)硬度：材料抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力，也可理解为固体表面产生局部变形所需的能量。

3)脆性：材料在外力作用下(如拉伸、冲击等)仅产生很小的变形即断裂破坏的性质。

4)韧性：在外力作用下，塑性变形过程中吸收能量的能力。

介于柔性和脆性之间的一种材料性能
5)易磨性：在一定粉碎条件下，将物料从一定粒度粉碎至某一指定粒度所需的比功耗
3.Griffith强度理论
Griffith指出，固体材料内部的质点实际上并非严格地规则排布，而是存在许多微裂纹不，，当材料受拉时，这些微裂纹就会逐渐扩展，与其尖端附近产生高度的应力集中，结果使裂纹进一步扩展，直至使材料破坏。

裂纹产生和扩展必须满足力和能量两个条件：
1.作为力的条件而言，在裂纹尖端产生的局部拉应力必须大于裂纹尖端分子间的结合力。

2.就能量条件而言，破碎时的能量消耗于两个方面：一是裂纹扩展时产生新表面所需的表面能s；二是因弹性变形而储存于固体中的能量U。

4．粉碎方式和粉碎模型
1)粉碎方式：挤压粉碎、劈裂粉碎、折断粉碎、研磨粉碎、冲击粉碎；
挤压粉碎：多用于硬脆性、坚硬物料的粗碎；
v1.0 可编辑可修改劈裂粉碎：劈裂粉碎比挤压粉碎所需压力小；
折断粉碎：即物料受弯曲作用力而粉碎；
研磨粉碎：主要产生细粒，其效率低、能量消耗大，用于小块物料的细磨。

冲击粉碎：主要用于脆性物料的粉碎。

2)粉碎模型：体积粉碎模型、表面粉碎模型、均一粉碎模型。

体积粉碎模型:整个颗粒均受到破坏，粉碎后生成物多为粒度大的中间颗粒。

随着粉碎过程的进行，这些中间颗粒逐渐被粉碎成细粉。

冲击粉碎和挤压粉碎与此模型较接近
表面粉碎模型:在粉碎的某一时刻，仅是颗粒的表面产生破坏，被磨削下微粉，这一破坏作用基本不涉及颗粒内部，这是典型的研磨和磨削的粉碎方式。

均一粉碎模型:施加于颗粒的作用力使颗粒产生均匀的分散性破坏，直接粉碎成微粉。

此模型仅符合结合极其不紧密的颗粒集合体如药片等特殊粉碎情形。

实际粉碎过程是前两者的综合，前者构成过渡成分，后者形成稳定成分；体积粉碎看成冲击粉碎，表面粉碎看成摩擦粉碎；粗碎时宜采用冲击力和压缩力，细碎时采用剪切力和摩擦力。

5.低温粉碎与混合粉碎
低温粉碎
对于低软化点、熔点低的热塑性物料，温度上升会失去结合水的物料，或温度上升会氧化的物料，以及常温时强韧、低温时脆性化的物料，适用低温粉碎。

采用技术有预冷物料、包裹或加入冷却介质。

混合粉碎（可以提升细粉效率）
几种粉碎性质不同的物料装入同一粉碎设备进行粉碎时，由于物料相互影响，则粉碎情形比单一物料复杂，会出现选择性粉碎，即易碎的物料更细、难碎的物料更粗。

原因是：①粉碎介质受到作用力是，会优先碎裂，而高强度颗粒不足以碎裂，同时作用在高强度颗粒上的作用力部分或传递到相邻的低强度颗粒上，再次造成低强度颗粒碎裂，即易碎颗粒发生粉碎的概率大；②另一方面，两种硬度不同的颗粒相互接触并做相互运动时候，硬度大颗粒对硬度较小的颗粒产生切屑作用，软质颗粒被磨削。

因此粗的更粗，细的更细。

6.粉碎流程分类及特点
（a）简单的粉碎流程
（b）带预筛分的粉碎流程
（c）带检查筛分的粉碎流程
（d）带预筛分和检查筛分的粉碎流程
各种粉碎流程的特点：
a流程简单，设备少，操作控制较方便，但往往由于条件的限制不能充分发挥粉碎机械的生产能力，有时甚至难以满足生产要求
b和d流程可增加粉碎流程的生产能力，减小动力消耗、工作部件的磨损等。

适合原料中细粒级物料较多的情形。

c和d流程可获得粒度合乎要求的粉碎产品，为后续工序创造有利条件，但流程较复杂，设备多、建筑投资大，操作管理工作量大，多用于最后一级粉碎作业。

开路（开流）流程：不带检查筛分或选粉设备的粉碎流程：比较简单、设备少、扬尘少；当要求粉碎产品粒度较小时，粉碎效率低，产品中会含有部分不合格的粗颗粒物料
闭路（圈流）流程：带检查筛分或选粉设备的粉碎流程：可直接筛选出符合粒度要求的产品。

7.粉碎方式的选择
以较强的化学健力结合的：要采用具有较强机械力的碎裂方式。

对于拟粉碎至厘米级的矿石：可采用挤压粉碎、劈裂粉碎。

对于拟磨细至微米级、纳米级的矿石：采用研磨粉碎、折断粉碎。

实际过程中则是多种粉碎相互结合，连续作业。

8.粒子焊接：即在粉碎的过程中，小颗粒间存在压应力，会发生焊接现象，再次形成大颗粒，可称之为二次颗粒。

这些二次颗粒结构较为疏松，颗粒间焊接点少，但是当研磨强度过大时，压应力大，作用时间长，焊接程度增大，强度甚至比原矿大。

在超细粉体制备时应该要极力避免！通过加入分散剂来防止，其中常见的固体分散剂有微晶碳、液体分散剂有四氢呋喃等。

9.粉碎机械分类。

重点掌握超细粉碎机械。

破碎机械：颚式破碎机，圆锥破碎机
常用分类粉磨机械：振动磨，雷蒙磨
超细粉碎机械*：行星球磨机、气流粉碎机（粉体实验仪器会考，还有加上筛分）
10.行星球磨机构造及原理
主要有立式和卧式的两种，其主要构造组成有：电机、传动三角带、共用转盘、球磨罐、齿轮系列或三角带传
动系列。

其工作原理是利用磨料与试料在研磨罐内高速翻滚，对物料产生强力剪切、冲击、碾压达到粉碎、研磨、分散、乳化物料的目的。

行星式球磨机在同一转盘上装有四个球磨罐，当转盘转动时，球磨罐在绕转盘轴公转的同时又围绕自身轴心自转，作行星式运动。

罐中磨球在高速运动中相互碰撞，研磨和混合样品。

该产品能用干、湿两种方法研磨和混合粒度不同、材料各异的产品，研磨产品最小粒度可至微米。

与挤压和冲击粉碎的不同的是，球磨机靠研磨介质对物料颗粒表面不断的磨蚀实现粉碎。

11.气流粉碎机构造及原理
气流粉碎机其工作原理是，将高压空气或高压水蒸气通过拉瓦尔喷管加速为亚音速或超音速气流，喷出的射流带动物料做高速运动，使物料因撞击和摩擦而粉碎。

由于喷嘴附近的速度梯度很大，因此，绝大多数粉碎作用发生在喷嘴附近。

被粉碎的物料随气流到分级区进行分级，达到粒度要求的由收集器捕集下来，未达到粒度要求的则返回粉碎室继续粉碎，只要满足粒度要求。

12.影响粉碎效率的因素：机械力大小、作用点、作用方式、作用时间等
13.影响球磨效率的因素：
原料性质的影响；球磨强度的影响：球磨环境的影响；球磨气氛的影响；研磨介质性质、尺寸呢及球料比的影响；球磨时间的影响。

14.助磨剂助磨作用机理（常为表面活性剂）
①助磨剂吸附在物料颗粒表面，改变颗粒的结构性质，降低颗粒的强度或硬度；
②助磨剂吸附在固体颗粒表面，减小颗粒的表面能；
总之，添加助磨剂使物料颗粒内的裂纹易于扩展，强度或硬度降低，颗粒软化；助磨剂吸附在颗粒表面能平衡因粉碎而产生的不饱和键，防止颗粒团聚，从而抑制粉碎逆过程。

助磨剂一般分成三类：碱性聚合无机盐、碱性聚合有机盐、偶极—偶极有机化合物。

15.粉碎机械力活化作用机理及影响因素
机械力化学的作用机理：
1)物料在机械力作用下粉碎生成新表面，颗粒粒度减小，比表面积增大，从而粉体表面自由能增大，活性增
强。

2)物料颗粒在机械力作用下，表面层发生晶格畸变，其中贮存了部分能量，使表面层能位升高，从而活化能降低，
活性增强。

3)物料颗粒在机械力作用下，表面层结构发生破坏，并且趋于无定形化，内部贮存了大量能量，使表面层能位更
高，因而活化能更小，表面活性更强。