《粉体科学与工程基础》教学大纲.doc

《粉体科学与工程基础》教学大纲课程编号：课程名称:粉体科学与工程基础/Fundamentals of Powder Science and Technology学时/学分：32/2 （其中含实验0学时）先修课程：无适用专业：无机非金属材料工程开课学院（部）、系（教研室）：材料学院无机非系粉体工程研究所一、课程的性质与任务本课程为无机非金属材料专业的专业必修课程，材料科学与工程专业的专业选修课.通过本课程的学习，使材料科学与工程专业的学生能够系统地掌握“粉体科学与工程” 的基本理论和基础知识，从而能根据材料的性能要求，从粉体科学的角度，对粉状原材料的颗粒儿何特性和表面物理化学性质进行正确的表征和合理的设计；并为进一步学习粉体制备与处理工艺及装备技术奠定基础，使学生能从粉体过程工程的层面，掌握正确、合理地运用粉体材料制备工艺和装备技术的技能。

通过本课程的学习，使学生获得：颗粒几何特性与表征颗粒的堆积结构与致密堆积粉体力学与流变特性颗粒流体力学粉体的物理特性粉体的表面物理化学性质等方面的基本概念和基木理论，以及正确、合理地应用专业基础知识解决粉体过程工程实际问题的能力和科学方法，为后继专业课学习奠定必要专业基础知识。

在传授专业基础知识的同时，通过各章节所学内容与生产中实际问题的关联介绍，培养学生对专业课程的学习兴趣。

二、课程的教学内容、基本要求及学时分配（―）教学内容1.颗粒的几何特性与表征颗粒的大小与分布：粒径和粒度的概念；单颗粒的4种粒径表征方法：轴径，球当量径, 圆当量径，定向径；颗粒群平均粒径的概念；平均粒径的计算方法。

粒度分布：粒度分布的概念；粒度分布的4种表征方法：列表法，作图法，矩值法，函数法；函数法的4种粒度分布方程：正态分布方程，对数正态分布方程，Rosin-Rammler 分布方程，Gates-Gaud in-Schumann分布方程。

颗粒的形状：形状系数的概念，形状系数的表征方法，形状指数的概念，形状指数的表征方法。

颗粒形状的数学分析法：Fourier级数分析法；分数维法：分形与分数维的概念，分数维的计算，颗粒形状的分数维表征。

粉体比表面积：颗粒的表血性状；粉体比表面积的概念；粉体比表面积的计算：基于单颗粒或颗粒群平均粒径的比表面积计算，基于粉体粒度分布的比表面积计算，几种粒度分布方程的比表面积计算。

2.颗粒的堆积结构与致密堆积颗粒堆积结构的基木参数：空隙率，堆积率，表观密度，配位数概念。

颗粒的堆积结构：等径球形颗粒的规则堆积，等径球形颗粒的随机堆积，异径球形颗粒的堆积。

实际颗粒的堆积：非连续尺寸粒径的颗粒堆积，连续尺寸粒径的颗粒堆积。

颗粒致密堆积理论与经验：Ilorsfield致密堆积理论，Fuller致密堆积曲线，Alfred 致密堆积方程，隔级致密堆积理论，致密堆积经验。

3.粉体力学与流变特性颗粒接触点上的作用力与粉体层应力：颗粒间的内聚力；主要内聚力形式：范德华力，静电吸引力，液体桥联力，固体桥联力概念及计算。

粉体层极限应力状态：Jenike剪切法实验，三轴压缩法实验。

粉体层应力的莫尔圆分析法：粉体层应力平衡关系，莫尔圆的概念及方程，最大主应力和最小主应力概念及计算方法，莫尔圆与粉体层的应力对应关系，粉体层应力的莫尔圆图解法。

粉体的摩擦角特性：内摩擦角概念；压应力与剪应力的三种变化关系：理想库仑粉体, 库仑粉体，非库仑粉体的概念及表征方程；粉体主应力与内摩擦角关系；粉体被动和主动侧压力系数；休止角、壁面摩擦角与滑动摩擦角、运动摩擦角动概念及测试方法。

粉体的流变特性：粉体的屈服轨迹，粉体的有效屈服轨迹与有效内摩擦角，粉体的开放屈服强度，粉体的流动函数。

粉体层的压力分布：圆筒形容器粉体层压力分布的分析计算，倒锥形料斗的粉体层压力分布的分析计算。

粉体的压缩：粉体的压缩机理，压缩应力分布，压缩率与压缩应力之间的变化关系。

4.颗粒流体力学颗粒在流体中的沉降运动：颗粒在流体中的运动方程，分析2种典型沉降：颗粒的自由沉降和高心沉降；颗粒的运动阻力系数与颗粒雷诺数之间的关系；颗粒沉降速度计算：球形颗粒的自由沉降速度及对应于层流区的Stokes公式、过渡流区的Allen公式和湍流区的Newton公式，球形颗粒的离心沉降速度计算；颗粒沉降速度的修正：颗粒尺寸影响，颗粒形状修正，壁效应修正，浓度修正。

流体在颗粒固定床层中的透过流动：固定床的基本特性和基本概念;透过流的压降计算: Carman-Kozeny公式分析和Ergun公式。

颗粒在流体中悬浮运动：流化床基本性质，分析颗粒流态化现象和流化床结构及似流体性质，流态化过程及特性；流化床主要参数计算：床层压降，临界流化速度，极限流化速度, 流化床的平均空隙率和平均密度。

5.粉体的物理特性粉体的热学性质：颗粒的能量与热力学关系，分析颗粒尺寸与能量的分布状态；颗粒的热力学基本方程；颗粒的熔点和溶解度；颗粒热容和比热容；粉体的传热特性：分散相中颗粒的传热，颗粒层的传热。

粉体的电学性质：颗粒的荷电现象与荷电量，颗粒的4种主要荷电形式：接触荷电，碰撞荷电，电场荷电，粉碎荷电；粉体的电导性：粉体堆积体电阻，粉体分散体的电导率；粉体的介电常数。

粉体的光学性质：光传播的基本属性；颗粒分散体系中的光散射：瑞利散射，米氏散射, 夫琅禾费散射；粉体层表面光的反射现象与反射规律；颗粒的光吸收现象和光吸收机理，颗粒光吸收现象的应用；光在颗粒分散体系中的衰减。

粉体的磁学性质：物质的磁性，分析物质磁性的木质、铁磁性物质和物质磁性分类；颗粒的磁性：颗粒的磁化系数及磁性分类，颗粒尺寸与磁性的一般规律，铁磁性颗粒尺寸与固有矫顽力，颗粒聚集态和离散态粉体与矫顽力。

6.粉体的表面物理化学性质表面现象与表面能：固体的表面现象和表面能，颗粒表面活性及活化位概念。

粉体表面的吸附特性：固体表面吸附现象及物理吸附与化学吸附的概念；颗粒气体的吸附及几种典型的等温吸附类型；颗粒在溶液中的吸附：非电解质在颗粒表面的吸附，电解质在颗粒表面的吸附，高分了表面活性剂在颗粒表面的吸附。

粉体表面的润湿性：固体表面的润湿性，三相平衡接触角概念，沾湿、浸湿和铺展；固体表面的亲水性和疏水性；颗粒的润湿性：粉体层表面表观接触角，颗粒在水-气表面的漂浮与润湿，密集态粉体中的液体；粉体表面的亲水性；粉体润湿性的测量方法。

粉体的凝聚与分散：粉体凝聚的类型，聚集，凝结，絮凝和团聚；粉体在空气中的凝聚与分散：粉体在空气中的凝聚力的分析与比较及分散措施；颗粒在液体中的凝聚力分析与比较及分散调控措施。

（二）基木要求1.正确理解以下基本概念和规律：单颗粒粒径，颗粒群平均粒度（径），频度分布函数，累积分布函数，粒度分布方程；体积、表面积、比表面积形状系数和Carman形状系数，球形度、圆角度形状指数，比表面积；空隙率，表观密度，配位数；颗粒间内聚力主要类型，粉体层极限应力状态，粉体层应力莫尔圆，最大和最小主应力，内摩擦角，休1上角，库仑粉体和非库仑粉体，粉体的开放屈服强度，粉体的流动函数；颗粒的自由沉降，阻力系数，颗粒雷诺数，固定床，流化床，临界流化速度，最大流化速度；颗粒尺寸与能量的分布状态，颗粒熔点、溶解度及比热容与粒径的关系；颗粒荷电方式与机理，粉体电导率和介电常数与堆积率的关系；颗粒散射光强与粒径、介质折射率的关系；磁畴，磁性颗粒的矫顽力与粒径的关系，粉体磁性与堆积率的关系；表面结构与表面活性，物理吸附与化学吸附，三相平衡接触角，润湿性的判别；聚集, 凝结，絮凝和团聚，粉体在气体中的凝聚力，颗粒在液体中的凝聚力。

2.掌握下列计算方法或处理方法：单颗粒球当量径和颗粒群平均粒度（径）的计算，根据粒度组成通过例表法和作图法表征粒度分布，建立频度分布函数和累积分布函数；体积、表面积、比表面积形状系数和Carman 形状系数及球形度的计算，基于单颗粒或颗粒群平均粒径的比表面积计算，基于粉体粒度分布的比表面积计算，几种粒度分布方程的比表面积计算；粉体层空隙率和表观密度计算，依据致密堆积理论和经验，掌握粉体致密堆积体的构造方法和措施；粉体层应力计算，内摩擦角计算；颗粒自由沉降和离心沉降速度，沉降速度的修正方法；透过流压降与速度的计算，流化床床层压降、临界流化速度和最大流化速度计算；3.牢固掌握下列公式并能熟练灵活的运用：颗粒群对数正态分布方程及粒度分布图，Rosin-Rammler分布方程及粒度分布图，体积形状系数，表而积形状系数，比表面积形状系数，球形度，单颗粒和颗粒群的比表面积计算式，颗粒自由沉降速度计算：Stokes式，Allen式，Newton式，Carman-Kozeny公式和Er gun 公式，固定床压降计算式，临界流化速度计算式。

4.运用本课程的一些基本概念和方法，能够初步解决材料科学与工程中，可能遇到的: 粒度，形状，比表面积，致密堆积，粉体流动，压制，颗粒分级、分选，透过流动，流化床设计等工程实际问题或研究、开发问题；同时，能利用粉体的电、热、光、磁等物理特性和粉体的表面物理化学性质，解决粉体材料的应用和功能性粉体的研究、开发。

（三）学时分配木课程的教学时数为32学时，课内学时分配如下表:讲课小计卞"学环节课程内容学时、颗粒的几何特性与表征77颗粒的堆积结构与致密堆积44粉体力学与流变特性44颗粒流体力学77粉体的物理特性44粉体的表面物理化学性质66合计3232（四）课程内容的重点、难点1. 颗粒的几何特性与表征重点：单颗粒的球当量径，圆当量径；颗粒群的平均粒度（径）计算。

重点：粒度分布的列表法、作图法和函数法；函数法的正态分布方程，对数正态分布方程，Rosin-Rammler分布方程。

难点：颗粒形状数学分析法：Fourier级数分析法；颗粒形状分数维计算法。

重点：单颗粒或颗粒群平均粒径的比表面积计算，粉体粒度分布的比表面积计算，几种粒度分布方程的比表面积计算。

2. 颗粒的堆积重点：颗粒堆积基木参数：空隙率、配位数、表观密度。

难点：Horsfield密实堆积理论，Fuller密实堆积曲线,Alfred密实堆积方程，隔级密实堆积理论。

3. 粉体力学重点：粉体层的应力关系及计算，莫尔圆的概念及方程，最大主应力和最小主应力概念及计算;粉体层应力的莫尔圆图解法；库仑粉体和非库仑粉体的概念及方程；通过Jenike 剪切法实验或三轴压缩法实验来分析粉体层压应力与剪应力的变化关系，并获得粉体内摩擦角、表观抗张强度等力学和流变学参数。

难点：内摩擦角，极限应力状态，莫尔圆与破坏包络之间的关系；极限应力状态下的屈服轨迹，开放屈服强度及流动函数。

4. 颗粒流体力学重点：颗粒在流体中的运动方程，自由沉降和离心沉降，阻力系数和雷诺数；颗粒自由沉降速度计算：Stokes式，Allen式，Newton式的应用；实际颗粒沉降速度的修正：颗粒尺寸和形状修正，壁效应修正，浓度修正。