第二章_粉体的制备与合成

图2.18 振动频率与粉料比表面积的关系
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2.2.5 行星式振动粉碎
粉碎原理：行星式振动磨的磨筒既作行星运 动，同时又发生振动。磨筒内部的粉磨介质处 在离心力场之中，既在一定高度上抛落或泻 落，又不断发生振动，其加速度可以达到重力 加速度的数十倍乃至数百倍，在这一过程中， 对物料施加强烈的碰击力和磨剥力，从而使物 料粉碎。 行星式振动磨示意图
�出料粒度一般在325目～400目之间。
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1 梅花架； 2 辊子； 3 磨环； 4 铲 刀； 5 给料部； 6 返回风箱；7 排 料部
2.2.7 气流粉碎
扁平式气流粉碎机 1－顶盖；2－管子；3－盖板；4－管 子；5－缝隙通道；6－导向环；7－环； 8－底板；9－喷嘴；10－磨室；11－ 管子；12－出料口
第二章 粉体的制备与合成
第一节 概述
�粉体(Powder)，就是大量固体粒子的集合系。它表示物质的一种存在状态，既不
同于气体、液体，也不完全同于固体。
�粒径是粉体最重要的物理性能，对粉体的比表面积、可压缩性、流动性和工艺
性能有重要影响。
�粉体的制备方法一般可分为粉碎法和合成法两种。
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2.2.4 振动粉碎
粉碎原理：振动粉碎是利用研磨体在磨机内作高频振动而将物料粉碎的。 进料粒度一般在2mm以下，出料粒度小于60μm (干磨最细粒度可达5 μm，湿磨 可达1 μm，甚至可达0.1μm)。
振动粉碎效率的影响因 素 �a、频率和振幅 �b、研磨体的密度、大 小、数量 �c、添加剂
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五、轮碾机
�在轮碾机中，物料原料在碾盘与碾轮之间的 相对滑动及碾轮的重力作用下被研磨﹑压碎。 碾轮越重﹑尺寸越大，粉碎力越强。 �轮碾机常可分为轮转式和盘转式两种 用作破碎时，产品的平均尺寸为3～8mm； 粉磨时为0.3～0.5mm。 16-固定小刮板；17-固定大刮板； 18-刮板架；19-栏杆 轮碾机粉碎效率较低，但它在粉磨过程中同时具有破揉和混合作用，从而可改善 物料的工艺性能；同时碾盘的碾轮均可用石材制作，能避免粉碎过程中出铁质掺 入而造成物料的污染；另外，可较方便地控制产品的粒度。
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续表
方法 X射线法
条件 干 湿 干
技术和仪器 吸收技术，低角度散射和线叠加 β射线吸收 外表面积渗透 总表面积、气体吸收或压力变化，重力变化，热 导率变化 脂肪酸吸收，同位素，表面活性剂，溶解热 全息照相，超声波衰减，动量传递，热金属丝蒸 发与冷却
表面积法
干 湿
其他方法
MOP和Leitz ASM，LEICA等。
�描述粒径分布的方式：一是将获得的数据拟合成标准的函数分布（标准分布、
对数标准分布）；另一种方法是利用绘图来表示有关结果。
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2.1.3 粉体颗粒的化学表征
一、 粉体化学成分确定
�(1) �(2) �(3) �(4) �(5) �(6)
二、圆锥破碎机
�按用途可分为粗碎（旋回破碎机）和细碎（菌形破碎机）两种 �按结构又可分为悬挂式和托轴式两种。
�圆锥破碎机的优点是：
产能力大，破碎比大， 单位电 耗低。
�缺点是：构造复杂，投资费用
大，检修维护较困难。
图2.4 1-动锥；2-定锥；3-破碎后的物料；4-破碎腔
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第二节 粉体的物理性能及其表征 2.1.1 粉体的粒度与粒度分布
一、粉体颗粒
团聚的原因：
�粉体颗粒――指在物质的结构不发生改
变的情况下，分散或细化得到的固态基 本颗粒。 �一次颗粒――指没有堆积、絮联等结构 的最小单元的颗粒。 �二次颗粒――指存在有在一定程度上团 聚了的颗粒。 �团聚――一次颗粒之间由于各种力的作 用而聚集在一起称为二次颗粒的现象。
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2.2.6 雷蒙磨
�粉碎过程：物料由机体侧部通过给料机和溜
槽给入机内，在辊子和磨环之间受到粉碎作 用。气流从磨环下部以切线方向吹入，经过 辊子同圆盘之间的粉碎区，夹带微粉排入盘 磨机上部的风力分级机中。梅花架上悬有3～ 5个辊子，绕集体中心轴线公转。公转产生离 心力，辊子向外张开，压紧磨环并在其上面 滚动。给入磨机内的物料由铲刀铲起并送入 辊子与磨环之间进行磨碎。铲刀与梅花架连 接在一起，每个辊子前面有一把倾斜安装的 铲刀，可使物料连续送至辊子与磨环之间。 破碎的物料又经排放风机和分离器进行粒度 分级处理, 大颗粒重新回到磨机破碎, 合格产 品则被排出。
上面所介绍的探针技术在样品内的穿透深度大约是 1 µm。
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二、表面化学成分
�(1)
X射线质子发射谱(X-ray photoemission spectroscopy)(XPS)或化学分析电子 俄歇电子谱(Auger electron spectroscopy)(AES) 二次离子质谱(secondary-ion mass spectrometry )(SIMS) 扫描俄歇电子显微镜(scanning Auger microscopy)(SAM)
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影响粉碎效率因素
�球磨机的转速；（工程师的经验） �研磨体的比重、大小及形状； �球磨方式（球磨方式有湿法和干法两种）； �料、球和水的比例 �装料方式； �球磨机直径； �球磨机内衬的材质。
一般情况下用不同大小的瓷球研磨普通陶瓷坯料时，料：球：水的（质量比）比 例约为1: (1.5～2.0): (0.8～1.2)。目前生产中趋向于增多磨球，减少水分，从而 提高研磨效率的方法。
分析化学方法 X射线荧光技术(X-ray fluorescence technique)(XRF) 质谱(mass spectroscopy)(MS) 中子激活分析(neutron activation analysis) 电子微探针(electron probe microanalyzer)(EPMA) 离子微探针(ion probe microanalyer)(IPMA)
Байду номын сангаас
（1）分子间的范德华引力； （2）颗粒间的静电引力； （3）吸附水分产生的毛细管 力； （4）颗粒间的磁引力； （5）颗粒表面不平滑引起的机 械纠缠力。
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二、粉体颗粒的粒度
�粒度――颗粒在空间范围所占大小的线性尺寸。 �粒度的表示方法：体积直径，Stoke’s直径等。 �体积直径――某种颗粒所具有的体积用同样体积的球来与之相当，这种球的直
�粒度分布曲线：包括累积分布曲线和频率分布曲线。
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粒度分布曲线
频率分布曲线
累积分布曲线
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四、粉体颗粒的测试方法及原理
方法 显微镜法 条件 干或湿 干 干 筛分法 干或湿 湿 干/重力沉降 沉降法 湿/重力沉降 湿/离心沉降 感应区法 湿 湿或干 技术和仪器 光学显微镜 电子和扫描电子显微镜 自动图像与分析仪 编织筛和微孔筛 自动筛 微粒沉降仪 移液管，密度差光学沉降仪，β射线返回散射仪，沉 降天平，X射线沉降仪 移液管，X射线沉降仪，光透仪，累积沉降仪 电阻变化技术 光散射，光衍射，遮光技术
(electron spectroscopy for chemical analysis)(ESCA)
�(2) �(3) �(4)
表面分析要求电子束或离子束在样品内的传统深度小于 200nm。
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2.1.4 粉体颗粒晶态的表征
1. X射线衍射法(X-Ray Diffraction，XRD)
三、锤式破碎机
�锤式破碎机的主要工作部件为带有锤子的转子。通过高速转动的锤子对物料的
冲击作用进行粉碎。由于各种脆性物料的抗冲击性差，因此，在作用原理上这种 破碎机是较合理的。
�锤式破碎机的优点是生产能力高，破碎比大，电耗低，机械结构简单，紧凑轻
便，投资费用少，管理方便。
�缺点是：粉碎坚硬物料时锤子和篦条磨损较大，金属消耗较大，检修时间较
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2.2.3 行星式研磨
行星式研磨有以下显著特点： �（1）进料粒度：980 µm左右；出料粒度：小于74 µm (最小粒 度可达 0.5µm)。 �（2）球磨罐转速快(不为罐体尺寸所限制)，球磨效率高。公转： ±37~250 r/min，自转78~527 r/min。 �（3）结构紧凑，操作方便。密封取样，安全可靠，噪声低，无污染， 无损耗。
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第二节 机械法制备粉体 2.2.1 机械冲击式粉碎（破碎）
一、鄂式破碎机
图2.3 (a) 简单摆动型
(b)复杂摆动摆动型
(c)综合摆动型
1-定颚；2-动颚；3-推动板；4-连杆；5-偏心轴；6-悬挂轴 �主要用于块状料的前期处理。 �设备结构简单，操作方便，产量高。
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2.2.2 球磨粉碎
1-电动机；2-离合器操纵杆；3-减速器；4-摩擦离合器；5-大齿圈；6-筒身；7加料口；8-端盖；9-旋塞阀；10-卸料管；11-主轴头；12-轴承座；13-机座； 14-衬板；15-研磨 �当筒体旋转时带动研磨体旋转，靠离心力和摩擦力的作用，将磨球带到一定高 度。当离心力小于其自身重量时，研磨体下落，冲击下部研体及筒壁，而介于其 间的粉料便受到冲击和研磨。 �球磨机对粉料的作用可以分成两个部分。一是研磨体之间和研磨体与筒体之间 的研磨作用；二是研磨体下落时的冲击作用。 �进料粒度为6mm，球磨细度为1.5~0.075 mm。
基本原理是利用X射线在晶体中的衍射现象必须满足布拉格(Bragg)公式： nλ=2dsinθ 具体的X射线衍射方法有劳厄法、转晶法、粉末法、衍射仪法等，其中常用于 纳米陶瓷的方法为粉末法和衍射仪法。
2. 电子衍射法(E1ectron Diffraction)
电子衍射法与X射线法原理相同，遵循劳厄方程或布拉格方程所规定的衍射条 件和几何关系。 电子衍射法包括以下几种：选区电子衍射、微束电于衍射、高分辨电子衍射、 高分散性电子衍射、会聚束电子衍射等。
径，就代表该颗粒的大小，即体积直径。
�斯托克斯径――也称为等沉降速度相当径，斯托克斯假设：当速度达到极限值
时，在无限大范围的粘性流体中沉降的球体颗粒的阻力，完全由流体的粘滞力所 致。这时可用下式表示沉降速度与球径的关系：
υ stk =
(ρs − ρ f )g 18η
⋅ D2
由此式确定的颗粒直径即为斯托克斯直径。
管道式气流粉碎机
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2.2.7 气流粉碎
�粉碎原理：利用高压流体(压缩空气或过热蒸汽)作为介质，将其高速通过细的 喷嘴射入粉碎室内，此时气流体积突然膨胀、压力降低、流速急剧增大 (可以达 到音速或超音速)，物料在高速气流的作用下，相互撞击、摩擦、剪切而迅速破 碎，然后自动分级，达到细度的颗粒被排出磨机。粗颗粒将进一步循环、粉碎， 直至达到细度要求。
长，需均匀喂料，粉碎粘湿物料时生产能力降低明显，甚至因堵塞而停机。为避 免堵塞，被粉碎物料的含水量应不超过10%—15％。
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四、反击式破碎机
反击式破碎机的破碎作用：
�(1)自由破碎 �(2)反弹破碎 �(3)铣削破碎
1-高速转子；2-板锤；3-反击板 锤式破碎机和反击式破碎机主要是利用高速冲击能量的作用使物料在自由状 态下沿其脆弱面破坏，因而粉碎效率高，产品粒度多呈立方块状，尤其适合 于粉碎石灰石等脆性物。
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三、粉体颗粒的粒度分布
�粒度分布：分为频率分布和累积分布，常见的表达形式有粒度分布曲线、平均
粒径、标准偏差、分布宽度等。
�频率分布――表示与各个粒径相对应的粒子占全部颗粒的百分含量。 �累积分布――表示小于或大于某一粒径的粒子占全部颗粒的百分含量，累积分
布是频率分布的积分形式。
干或湿
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2.1.2 颗粒形状、表面积和扫描技术
�获取颗粒形貌的主要目的是获取颗粒反应活性的信息，要准确知道颗粒尺寸、
颗粒尺寸分布、总的表面积和颗粒的体积分布等变量。还可以根据颗粒尺寸分布 状况来判断烧成过程种收缩的影响因素，判断细颗粒的含量对烧成收缩的影响等。
�有关的图象处理计数软件很多，如Kontron