粉体力学.ppt

1、粉体科学是一门跨学科的新兴技术科学，其研究内容包括粉体的物性、粉体颗粒的制备与处理。,四. 粉体工程与粉体科学,与粉体科学相关的产业及学科,产业及学科,冶金及金属工艺学,窑业、碳素工业,原子能和能源工业,颜料和感光剂工业,电化学和部分无机化学工业,石油化学、高分子化学、无机精密化学工业,电子学,宇宙科学,1 粉体颗粒的物性,1.1 颗粒的尺寸与尺寸分布 1.2 颗粒的形状 1.3 颗粒的阻力系数与自由沉降 1.4 粉体间的作用力 1.5 粉体颗粒的团聚性,如何描述粉体颗粒的大小,粉体的粒子学特性包括粉体粒径、粒径分布、粒子形状、密度、流动性、堆积密度、比表面积等。,1 .1 颗粒的尺寸与尺寸分

2、布,1.1.1 颗粒尺寸径 1.1.2 颗粒的尺寸分布 1.1.3 平均颗粒尺寸 1.1.4 颗粒的密度 1.1.5 粒度分布的测试,粉体的粒度（particle size）,由于细颗粒的团聚作用，粉体一般是大量颗粒的聚合体。,按ISO3252定 义，晶粒（A）、 颗粒（B）、聚合 体（C）的区别如 右图所示。,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,直径D,直径D、高度

3、H,？,颗粒的大小,单个颗粒的大小 颗粒的大小是颗粒最基本的几何参数。,1.1.1 粒径,在表示颗粒大小时还常常使用“粒度”这一术语。 它通常是指颗粒大小、粗细的程度。“粒径”具有长 度的量纲，而“粒度”则是用其他的单位，如泰勒筛 的“目”。 不过，实际运用时对二者不加区别，只 是习惯上用“粒径”表示大小，用“粒度”表示颗粒大 小的分布。,人为规定了一些所谓尺寸的表征方法,三轴径 用体积最小的、颗粒的外接长方体的长、宽、高 （或厚）来定义颗粒的大小时，长l、宽b、高（或 厚）t就称为三轴径。 三轴径通常用显微镜测量，这是所观察到的颗粒 是处于稳定状态（颗粒以最大稳定度，其重心最低 ）下的平面投

4、影。,当量粒径 在实际的生产工艺过程中，测量粉体颗粒的粒径 往往是为了某种工艺的需要，或与粉体的用途有 关，因此，可以将形状不规则的颗粒与球形颗粒相 比较，换算成具有长度量纲的数值，这样求得的粒 径称为当量粒径。,等效粒径 斯托克斯径是一种名义上的粒径，虽然具有长度 的量纲，但却不是表示几何意义上的大小，只是表 示颗粒的沉降速度这一物理意义的大小，这类粒径 有时又称为“等效粒径”。,1.1.1 粒径,定向粒径 沿一定方向的颗粒的一维尺度,注意 即使对于同样的颗粒，如果测定粒径的原理和方法不同，那么所 使用的粒径的含义和数值就应当不同，用沉降法所测得的粒径的含 义和数值也就不同。例如，对于通过粉

5、碎而制成的粉体，用沉降法 所测得的粒径是透气法的数倍，使用粒径的数据时，要求附加说明 测定方法。,三轴径的计算式及物理意义,几何当量径的定义,层流区的等沉降速度当量径,斯托克斯径（有效径）,6,与颗粒的体积相等的球的直径,体积当量径,3,与颗粒的外表面积相等的球的直径,表面积当量径,2,与颗粒的投影面积相等的圆的直径,投影面积当量径,1,与颗粒在流体中的沉降速度相等的球的直径,等沉降速度当量径,5,与颗粒的比表面积相等的球的直径,比表面积当量径,4,计算公式,定 义,名 称,序号,沿一定方向的颗粒的一维尺度。定向径包括三种,定向径,S1,S2,定向最大径,Martin径,Feret径,对于一个

6、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。,粉体的粒径具有统计特征，而不是对单个颗粒的尺 寸。所以，一般将颗粒的平均大小称为粒度。习惯上可 将粒径和粒度二词通用。,颗粒的大小用其在空间范围所占据的线性尺寸表示。球性颗粒的直径就是粒径（particle diameter）。非球形颗粒的粒径则用球体、立方体或长方体的尺寸表示。其中用球体的直径表示不规则颗粒的粒径应用得最普遍，称为当量直径或相当径（equivalent diameter）。,总 结,粒径的统计特征,粒径的表示方法,粉体的描述,最直接的方法是将颗粒的组成情况表达出来粒度组成。 粉体的粒度分布

7、严格地说都是不连续的，但大多数粉体的粒度分布可以认为是连续的。 粒度组成对粉体取样实际测定。 测量方法：将连续的粒度分布范围分成多个离散的粒级，测出各粒级中颗粒个数或质量百分数。,？如何表征多分散系统的尺寸,尺寸分布的概念 原因：粉体是有不连续的微粒组成，属于多分散系统。因此粉体 颗粒的粒径不是单一的，通常会在一定范围内连续取值。即颗粒 的大小服从统计学规律。 粉体的力学性能，不仅与其平均粒径 的大小有关，还与各种粒径的颗粒在粉体中所占的比例有关。为 了表示粉体中颗粒大小组成情况，必须要用粒度分布的概念。 定义及意义：描述粒径分布的状态。通常是指某一粒径的颗粒在 整个 粉体中所占的比例。有了粒

8、度分布的数据，就不难求出这种 粉体的某些特征值，如平均粒径等从而可以对成品粒度进行评 价。,尺寸分布的基准 1作为分散系统的粉体，其颗粒的大小服从统计学规律。单个 颗粒的粒径是在某一范围内随机取值，对整个粉体，可以用采样 分析的方法来测量粒度分布。（频率分布与累积分布） 2尺寸分布可以取个数、长度、面积、体积（或质量）等4个参数中的一个作为基准。粒度分布的基准取决于粒度分布的测定方法。如用显微镜法测定粒径分布时常用个数基准；用沉降法时用质量基准。,难点： 粒径的定义有多种，对于同一种粉体物料，选用不同的粒径 就会得到不同的粒径分布。粉体的粒径分布通常用实测的方法获得。处理方式也是多种多样的，如

9、整理成表格、绘成曲线、归纳相应的函数形式。 运用尺寸分布的概念时，应当明确是什么分布、什么基准，用的什么粒径。,1.1.2 颗粒的尺寸分布,测量/描述方法：将连续的粒度分布范围分成多个离散的粒级 ，测出各粒级中颗粒的个数或质量百分数。 显微镜法 计数器法 筛分析法 沉降法 数学函数法,个数分布数据,质量分布数据,概率理论或近似函数的经验法寻求数学函数，以描述粒度分布,粒 度 的 频 率 分 布,频率及频率分布的概念,粒 度 的 频 率 分 布,频率（频数）分布曲线 例：用显微镜观察N为300个颗粒的粉体样品。经 测定，最小颗粒的直径为1.5um，最大颗粒直径为 12.2um。将被测出的颗粒按由

10、小到大的顺序以适当的 区间加以分组（一般取1025组），小于10组数据不 准，大于25组数据处理过程复杂。取组数h=12组，区 间的范围称为组距，用DP表示。设DP= 1um，每 一个区间的中点，用di表示。落在每一区间的颗粒除 以N，便是f（ DP）。将测量的数据加以整理，得 到表,粒 度 的 频 率 分 布,几点说明 1.频率或频数分布曲线是一样的，只是纵坐 标的取法不同，工程上常用频率分布曲线。 2. 纵坐标的取法有两种，直接取频率或频数 和取单位组距的频率。 3. 在频率分布曲线中，某一粒径范围内的颗 粒的质量占整个粉体质量的百分率等于在该 粒径范围内的频率分布曲线下的面积，而频 率分

11、布曲线下的总面积为1。,累 积 分 布,累积分布的概念 把颗粒大小的频率分布按一定的方式累积，便得到 相应的累积分布。 累积分布表示小于（或大于）某一粒径的颗粒在全部 颗粒中所占的比例。而频率分布是表示某一粒径或粒 径范围内的颗粒在全部颗粒中所占的比例。,累积分布的类型 1. 将频率或频数按照粒径从小到大进行累积负累积；所得到 的累积分布表示小于某一粒径的颗粒的数量或百分数，曲线又称为累 积筛下分布曲线,常用D（DP）表示。 2.将频率或频数按照粒径从大到小进行累积正累积；所得到的 累积分布表示大于某一粒径的颗粒的数量或百分数，曲线又称为累积 筛余分布曲线，常用R（DP）表示。,几点说明 工程

12、上累积分布比频率或频数分布曲线用的广泛。 1. 可以通过曲线微分求得频率分布曲线； 2. 根据累积分布曲线，可以大致估计粉体中细小颗粒所占的 比例。,累 积 分 布,频率分布和累积分布的关系,总 结,尺寸分布的表示,粉体的尺寸分布（particle diameter distribution）,由于实际粉体大都由粒度不等的颗粒组成，所以它就存在一个粒度分布范围，简称粒度分布。粒度分布通常用简单的图表或函数形式来表示。,1）频度分布（微分型）：用横坐标表示粒径，纵坐标表示各粒径对应的颗粒百分含量。 2）累积分布（积分型）：用横坐标表示粒径，纵坐标表示小于(或大于)某粒径的颗粒占全部颗粒的百分含量

13、。,实际颗粒群的尺寸分布严格说都是不连续 的，但大多数颗粒群的粒度分布可以认为是连续的。粒度分布的范围越窄，其分布的分散程度越小，集中度越高。 对尺寸分布最精确的描述是用数学函数，即用概率理论或近似函数的经验法去寻求数学函数。实际颗粒的粒度分布取决于其生成条件。,表征尺寸分布的特征参数,中位粒径D50 粉体物料的样品中，把样品的个数（或质量） 分成 相等两部分的颗粒粒径。,最频粒径Dmod 频率分布坐标图中，纵坐标最大值对应的粒径。即在 颗粒群中个数或质量出现概率最大的颗粒粒径。 若f(Dp)已知，令f(Dp)的一阶导数为零，可求出Dmod。 若D(Dp)或 R(Dp)已知，其二阶导数为零，可

14、求出Dmod。,标准偏差 分布的标准偏差，即粒径Di对平均粒径的二次矩的平方根。 它反映分布对D平的分散程度。分布函数中的两个参数D平和完 全决定了粒度分布。,粉体粒度分布/粉体平均粒径,1个尺寸是10mm，9个尺寸是1mm。 如何表示这10个颗粒的平均尺寸才合理？,概述 为了表征多分散粉体颗粒的大小，除了采用粒度分布之外，还 可以用平均粒径来表示（人为定义）。采用平均粒径，实际上就是 在某一特征相似的前提下，用假想的均匀系统来代替实际的非均匀 分布系统。在运用平均粒径时必须指明是哪一种粒径，否则将导致 错误的结论（为什么？）,数学平均粒径,统计粒径,几何平均粒径,1.1.3 平均粒径,加权平

15、均粒径,粒度分布的平均粒径,1.1.3 平 均 粒 径,统 计 粒 径,1.1.3 平均粒径,与单个颗粒的三轴径不同，统计粒径必须用显微镜测定若 干颗粒平面投影的数据，再取其平均值，但每个颗粒都在某 一固定的方向上测量，故也称为定向径。,1.弗雷特径：在一定的方向上，夹住颗粒平面投影的两平行线间距离的平均值。 2.马丁径：在一定的方向上，将颗粒的投影二等份，分界线与颗粒投影轮廓线两交点间距离的平均值。 3.定向最大径：在一定的方向上，颗粒投影轮廓最大宽度的平均值。 显然，统计粒径与颗粒的取向有关，当然只要测量的颗粒的数目足够多，再取其平均值，是可以补偿因取向引起的偏差。,数学平均粒径,加 权平

16、均粒径,粉体粒度分布的平均径,动量矩平均尺寸,常用的颗粒平均尺寸有：,中间尺寸d50% (medium diameter),最大频率尺寸,中间尺寸d50颗粒百分数达到50所对应的颗粒尺 寸。见积累尺寸分布图。,最大频率尺寸频率尺寸分布图中颗粒频率峰值所对应的颗粒尺寸。,在频率尺寸分布图中平均尺寸对纵坐标的动量矩等于所有颗粒尺寸区间对纵坐标动量矩之和。,动量矩平均尺寸,粉体粒度分布/粉体平均粒径,P4 1-21,P4 1-22,粉体尺寸分布宽度定义,Particle size,Particle size distribution,Mean size,size distribution wide,粒度分布/平均粒径,尺寸分布宽度（size distribution wide）,D84%、D16% 分别为颗粒累计百分数为84和16所对应的颗粒尺寸。,颗粒尺寸分布宽度,粒度分布/平均粒径,1.1.4颗粒的密度,（一）密度 1、定义：材料的密度是指材料在绝对密实状态下单位体积的质量，按下式计算：= m/VP 式中：-密度(kg/m3) m-材料质量（kg） VP-材