制备纳米粒子的物理方法ppt课件.ppt
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1、 221机械粉碎法机械粉碎法粉碎定义:粉碎定义:固体物料粒子尺寸由大变小固体物料粒子尺寸由大变小过程的总称,它包括过程的总称,它包括“破碎破碎”和和“粉粉磨磨”。前者是由大料块变成小料块的过。前者是由大料块变成小料块的过程,后者是由小料块变成粉体的过程。程,后者是由小料块变成粉体的过程。粉碎作用力的类型如右图所示几种。粉碎作用力的类型如右图所示几种。基本粉碎方式:基本粉碎方式:压碎、剪碎、冲击粉碎压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。和磨碎。种类:种类:湿法粉碎湿法粉碎 干法粉碎干法粉碎一般的粉碎作用力都是几种力的组合,如球磨机和振动一般的粉碎作用力都是几种力的组合,如球磨机和振动磨是磨碎与冲击粉碎的组
2、合;雷蒙磨是压碎、剪碎、磨磨是磨碎与冲击粉碎的组合;雷蒙磨是压碎、剪碎、磨碎的组合;气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合,等等。碎的组合;气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合,等等。一种:一种:颗粒之间或颗粒与磨球之间互相摩擦颗粒之间或颗粒与磨球之间互相摩擦,使得一定粒度范使得一定粒度范围内的颗粒造成表面粉碎围内的颗粒造成表面粉碎,结果形成大和小两种粒度的新颗粒结果形成大和小两种粒度的新颗粒,称为称为摩擦粉碎或表面粉碎摩擦粉碎或表面粉碎。另一种:另一种:由于球对颗粒或颗粒对颗粒的冲击、碰撞和剪切等由于球对颗粒或颗粒对颗粒的冲击、碰撞和剪切等作用作用,从颗粒中近似等体积地分割出两个小颗粒从颗粒中近似等体积地
3、分割出两个小颗粒,称为称为冲击压冲击压缩粉碎或体积粉碎。缩粉碎或体积粉碎。球磨过程中引起粉末粒度发生变化的机理有两种:球磨过程中引起粉末粒度发生变化的机理有两种:粉碎过程的另一现象粉碎过程的另一现象“逆粉碎现象逆粉碎现象”物料在超细粉碎过程中,随着粉碎时间的延长,颗粒粒度物料在超细粉碎过程中,随着粉碎时间的延长,颗粒粒度的减小,比表面积的增加,颗粒的表面能增大,颗粒之间的减小,比表面积的增加,颗粒的表面能增大,颗粒之间的相互作用增强,团聚现象增加,达到一定时间后,的相互作用增强,团聚现象增加,达到一定时间后,颗粒颗粒的粉碎与团聚达到平衡。的粉碎与团聚达到平衡。 粉碎粉碎 团聚团聚是各种粉碎存在
4、最低粒度下限的主要原因;是各种粉碎存在最低粒度下限的主要原因;是相似条件下湿法球磨比干法粒度下限低的原因是相似条件下湿法球磨比干法粒度下限低的原因. 221机械粉碎法机械粉碎法例如:例如:A:在干法研磨水泥熟料时加入乙二醇作为助磨剂,:在干法研磨水泥熟料时加入乙二醇作为助磨剂,产率可提高产率可提高2550;B: 在湿法球磨锆英石时加入在湿法球磨锆英石时加入0.2的三乙醇胺,的三乙醇胺,研磨时间减少研磨时间减少3/4。打破以上平衡打破以上平衡,可采取的一个重要方法就是加入可采取的一个重要方法就是加入助磨剂:助磨剂: 粉碎粉碎 团聚团聚助磨剂的使用助磨剂的使用定义:在超细粉碎过程中,能够显著提高粉
5、碎效率或降定义:在超细粉碎过程中,能够显著提高粉碎效率或降低能耗的化学物质称为助磨剂。低能耗的化学物质称为助磨剂。 221机械粉碎法机械粉碎法 221机械粉碎法机械粉碎法 在纳米粉碎中,随着粒子粒径的减小,被粉碎物料的结在纳米粉碎中,随着粒子粒径的减小,被粉碎物料的结晶均匀性增加,粒子强度增大,断裂能提高,粉碎所需的机晶均匀性增加,粒子强度增大,断裂能提高,粉碎所需的机械应力也大大增加。因而粒度越细,粉碎的难度就越大。械应力也大大增加。因而粒度越细,粉碎的难度就越大。粉粉碎到一定程度后,尽管继续施加机械应力,粉体物料的粒度碎到一定程度后,尽管继续施加机械应力,粉体物料的粒度不再继续减小或减小的
6、速率相当缓慢,这就是物料的粉碎极不再继续减小或减小的速率相当缓慢,这就是物料的粉碎极限。限。采用机械粉碎法需注意的问题:采用机械粉碎法需注意的问题:1 1)安全性问题)安全性问题 对于易燃、易爆物料,其粉碎生产过程中还会伴随有燃对于易燃、易爆物料,其粉碎生产过程中还会伴随有燃烧、爆炸的可能性。烧、爆炸的可能性。2 2)纳米机械粉碎极限)纳米机械粉碎极限 221机械粉碎法机械粉碎法 球磨机是目前广泛球磨机是目前广泛采用的纳米磨碎设采用的纳米磨碎设备。备。 它是利用介质它是利用介质和物料之间的相互和物料之间的相互研磨和冲击使物料研磨和冲击使物料粒子粉碎,经几百粒子粉碎,经几百小时的球磨,可使小时的
7、球磨,可使小于小于l lm m的粒子达的粒子达到到2020。1 1球磨球磨1)研磨碗自转和公转)研磨碗自转和公转转速的传动比率任意可转速的传动比率任意可调。调。2 )最终颗粒大小)最终颗粒大小1m。 3)可充入惰性气体进)可充入惰性气体进行机械合金,机械复合,行机械合金,机械复合,纳米材料及复合材料的纳米材料及复合材料的合成。合成。 4)材质可选择玛瑙,)材质可选择玛瑙,氮化硅,氧化铝,氧化氮化硅,氧化铝,氧化锆,不锈钢,普通钢,锆,不锈钢,普通钢,碳化钨,包裹塑料的不碳化钨,包裹塑料的不锈钢。锈钢。1)高能球磨制备)高能球磨制备ZnSe纳米晶粉体纳米晶粉体 车俊车俊 姚熹姚熹 姜海青姜海青
8、汪敏强汪敏强,西安交通大学西安交通大学, 稀有金属材料与工程稀有金属材料与工程-2006将相同摩尔比的将相同摩尔比的Zn粉和粉和Se粉放在球磨罐粉放在球磨罐(WC)中,选用球石中,选用球石直径为直径为10mm,原料:球石,原料:球石1:20,干磨,在氮气保护下,干磨,在氮气保护下,球磨球磨60min即可获得纯立方闪锌矿结构,避免了即可获得纯立方闪锌矿结构,避免了ZnO相的出相的出现。晶粒的尺寸用现。晶粒的尺寸用Scherrer公式计算为公式计算为5nm,用,用TEM直接观直接观察的尺寸为察的尺寸为10nm左右。左右。参考文献:参考文献: 221机械粉碎法机械粉碎法 环保意识增强呼唤电动汽车。电
9、动汽车的关键之一是环保意识增强呼唤电动汽车。电动汽车的关键之一是要有大容量充电电池。本项目即针对电动汽车用电池负极要有大容量充电电池。本项目即针对电动汽车用电池负极材料。材料。 西安交通大学正在开发的高能球磨西安交通大学正在开发的高能球磨MgNi合金电池负极合金电池负极材料,处于国内先进,可做为大容量充电电池的负极候选材料,处于国内先进,可做为大容量充电电池的负极候选材料,为进一步开发制备大容量合金负极,进而开发大容材料,为进一步开发制备大容量合金负极,进而开发大容量充电电池奠定基础。量充电电池奠定基础。 2)高能球磨制备大容量贮氢合金电极材料)高能球磨制备大容量贮氢合金电极材料3)周勇敏周勇
10、敏. 高能球磨法制备纳米铋粉的研究高能球磨法制备纳米铋粉的研究.润滑与密润滑与密封封,2006.10 南京工业大学南京工业大学A实验原料和设备实验原料和设备原料:原料:无水乙醇、无水乙醇、PVP、硬脂酸均为分析纯、硬脂酸均为分析纯, 铋粒铋粒 制备装置制备装置:国产高能行星磨:国产高能行星磨, 4个不锈钢金属罐中分别配有个不锈钢金属罐中分别配有2 cm的金属球的金属球20枚枚, 1 cm的金属球的金属球100枚。枚。B:纳米铋粉的制备:纳米铋粉的制备 在每个金属罐中加入无水乙醇在每个金属罐中加入无水乙醇100 ml、铋粒、铋粒12.54 g、PVP 6.27 g, 调整转速为调整转速为400
11、r /min, 时间设置为时间设置为4 h, 球磨。结束后球磨。结束后将产物取出封存静置将产物取出封存静置, 得到黑色胶体溶液得到黑色胶体溶液, 粉体在其中分散粉体在其中分散均匀而稳定均匀而稳定, 溶液长久不见澄清。溶液长久不见澄清。纳米铋粉由于特殊的性能在冶金添加剂、润滑油添加剂、催纳米铋粉由于特殊的性能在冶金添加剂、润滑油添加剂、催化剂、医药、半导体原料等具有广阔的应用前景化剂、医药、半导体原料等具有广阔的应用前景, 但有关制但有关制备纳米铋粉的报道并不多见。备纳米铋粉的报道并不多见。 该溶液中的粉体采用离心沉降收集很困难该溶液中的粉体采用离心沉降收集很困难, 高速离高速离心也不能使溶液澄
12、清心也不能使溶液澄清, 分离出的粉体也很少分离出的粉体也很少, 将溶剂干燥将溶剂干燥也不能析出纳米铋粉。也不能析出纳米铋粉。 因此铋粉的收集采用因此铋粉的收集采用电解质聚沉法电解质聚沉法, 每每100 ml均相溶均相溶液加入液加入2 g硬脂酸硬脂酸, 用玻璃棒搅拌使其溶解用玻璃棒搅拌使其溶解, 封存静置封存静置, 几几天后黑色粉体沉降底部天后黑色粉体沉降底部, 黑色溶液全部澄清黑色溶液全部澄清, 无色透明。无色透明。去除上层清液去除上层清液, 加入无水乙醇清洗数次加入无水乙醇清洗数次, 真空干燥真空干燥, 得到得到黑色的纳米铋粉。黑色的纳米铋粉。C:纳米铋粉的收集:纳米铋粉的收集4)孔慧孔慧.
13、高能球磨法制备高电位梯度的高能球磨法制备高电位梯度的ZnO 压敏电阻压敏电阻.电子电子元件与材料元件与材料.2007,26(1):11-13 华东师范大学华东师范大学高能球磨是制备纳米级粉体的一种常见方法,可以提高粉体高能球磨是制备纳米级粉体的一种常见方法,可以提高粉体的活性,从而降低烧结温度。的活性,从而降低烧结温度。在制备在制备ZnO 压敏电阻方面,使用高能球磨的报道较少压敏电阻方面,使用高能球磨的报道较少:Fah采用高能球磨法,将粉料细化至采用高能球磨法,将粉料细化至17 nm 左右,烧结温度降左右,烧结温度降至至1 100 ,但温度仍然较高,其等静压成型使成本增加。,但温度仍然较高,其
14、等静压成型使成本增加。高能球磨高能球磨5 h 即可制备纯度较高、晶粒尺寸较小的以即可制备纯度较高、晶粒尺寸较小的以ZnO 为为主的混合粉体,最佳烧结温度主的混合粉体,最佳烧结温度1 000比一般的固相法烧结比一般的固相法烧结温度降低了温度降低了100300 ,大大节省了生产成本。,大大节省了生产成本。 ZnO 压敏电阻在工业生产中主要用低能球磨搅拌混合、高压敏电阻在工业生产中主要用低能球磨搅拌混合、高温烧结的方法制备,烧结温度一般为温烧结的方法制备,烧结温度一般为1 1001 350 。 以球或棒为介质,介质以球或棒为介质,介质在粉碎室内振动,冲击物料在粉碎室内振动,冲击物料使其粉碎,可获得小
15、于使其粉碎,可获得小于22m m的粒子达的粒子达9090,甚至可获得,甚至可获得0 0.5.5m m的纳米粒子。的纳米粒子。 2 2振动球磨振动球磨 221机械粉碎法机械粉碎法采用粒径为采用粒径为30nm的的SiC和和100m左右的左右的Al粉颗粒为粉颗粒为初始原料初始原料,通过高能振动球磨的方法对体积分数为通过高能振动球磨的方法对体积分数为5、10、20、30的的SiCp/Al复合粉末进行了球磨处理复合粉末进行了球磨处理. 复合粉体球磨复合粉体球磨30h后后,可以将铝粉细化至可以将铝粉细化至70100nm。 221机械粉碎法机械粉碎法1) 高能振动球磨法制备纳米高能振动球磨法制备纳米SiCp
16、/Al复合材料的研究复合材料的研究 实实 例:例:2 ) 机械球磨法制取超细碳化钨粉的研究机械球磨法制取超细碳化钨粉的研究高科技的迅猛发展需要性能更加优越的新材料高科技的迅猛发展需要性能更加优越的新材料,并对材料并对材料的硬度、强度及耐磨性提出了更高的要求。碳化钨基超的硬度、强度及耐磨性提出了更高的要求。碳化钨基超细硬质合金已显示出优越的机械性能。细硬质合金已显示出优越的机械性能。 以色列以色列G . R. Goren - Muginstein 等人采用粉末粒度为等人采用粉末粒度为0. 6m 的碳化钨粉的碳化钨粉,经经300 h 的球磨后获得纳米碳化钨粉的球磨后获得纳米碳化钨粉,且且干磨粉末粒
17、度更为均匀干磨粉末粒度更为均匀(510 nm) ,而湿磨粉末粒度分布而湿磨粉末粒度分布较宽较宽(150 nm) 221机械粉碎法机械粉碎法中南大学粉末冶金国家重点实验室的吴恩熙等人的研究发现:l采用振动球磨对粗、中、细碳化钨粉均采用振动球磨对粗、中、细碳化钨粉均有显著的细化效果。球磨有显著的细化效果。球磨60 h 时时,粉末粒粉末粒度均可降至度均可降至0. 6m 以下以下,同时粉末粒度分同时粉末粒度分布变窄。布变窄。l振动球磨制取超细碳化钨的最小粒度取振动球磨制取超细碳化钨的最小粒度取决于球磨强度、球磨时间和球料比决于球磨强度、球磨时间和球料比 利用研磨介质可以在一定振幅利用研磨介质可以在一定
18、振幅振动的筒体内振动的筒体内对物料进对物料进行冲击、摩擦、剪切等作用而使物料粉碎。行冲击、摩擦、剪切等作用而使物料粉碎。 与球磨机不同,振动磨是通过介质与物料一起振动将与球磨机不同,振动磨是通过介质与物料一起振动将物料进行粉碎的。物料进行粉碎的。按振动方式分类:按振动方式分类:惯性式和偏旋式;惯性式和偏旋式;按简体数目分类:按简体数目分类:单筒式和多筒式;单筒式和多筒式;按操作方式分类按操作方式分类:间歇式和连续式。:间歇式和连续式。 选择适当研磨介质,振动磨可用于各种硬度物料的纳选择适当研磨介质,振动磨可用于各种硬度物料的纳米粉碎,相应产品的平均粒径可达米粉碎,相应产品的平均粒径可达1 1m
19、 m以下。以下。 3 3振动磨振动磨 221机械粉碎法机械粉碎法 振动磨优点:振动磨优点:在高频下工作,而高频振动易使物料生成裂在高频下工作,而高频振动易使物料生成裂缝,且能在裂缝中产生相当高的应力集中,故它能有效地缝,且能在裂缝中产生相当高的应力集中,故它能有效地进行超细磨。进行超细磨。缺点:缺点:此种机械的弹簧易于疲劳而破坏,衬板消耗也较大,此种机械的弹簧易于疲劳而破坏,衬板消耗也较大,所用的振幅较小,给矿不宜过粗,而且要求均匀加入,故所用的振幅较小,给矿不宜过粗,而且要求均匀加入,故通常适用于将通常适用于将12毫米的物料磨至毫米的物料磨至855微米微米(干磨干磨)或或501微米微米(湿磨
20、湿磨)。 在粗磨矿时,振动磨的优点并不很显著,因而至在粗磨矿时,振动磨的优点并不很显著,因而至今在选矿上尚未采用它代替普通球磨,但在化学工业今在选矿上尚未采用它代替普通球磨,但在化学工业上得到了发展。上得到了发展。由一个静止的研磨筒和一个旋转由一个静止的研磨筒和一个旋转搅拌器构成。搅拌器构成。根据其结构和研磨方式:根据其结构和研磨方式:q间歇式间歇式q循环式循环式q连续式连续式在搅拌磨中,一般使用球形研磨在搅拌磨中,一般使用球形研磨介质,其平均直径小于介质,其平均直径小于6mm。用于纳米粉碎时,一般小于用于纳米粉碎时,一般小于3mm。 4 4搅拌磨搅拌磨 221机械粉碎法机械粉碎法横臂均匀分布
21、在不同高度上,并互成一定角度。球磨过程中,横臂均匀分布在不同高度上,并互成一定角度。球磨过程中,磨球与粉料一起呈螺旋方式上升,到了上端后在中心搅拌棒磨球与粉料一起呈螺旋方式上升,到了上端后在中心搅拌棒周围产生旋涡,然后沿轴线下降,如此循环往复。只要转速周围产生旋涡,然后沿轴线下降,如此循环往复。只要转速和装球量合适,在任何情况下磨筒底部都不会出现死角由于和装球量合适,在任何情况下磨筒底部都不会出现死角由于磨球的动能是由转轴横臂的搅动提供的,研磨时不会存在象磨球的动能是由转轴横臂的搅动提供的,研磨时不会存在象滚筒球磨那样有临界转速的限制,因此,磨球的动能大大增滚筒球磨那样有临界转速的限制,因此,
22、磨球的动能大大增加。同时还可以采用提高搅动转速。减小磨球直径的办法来加。同时还可以采用提高搅动转速。减小磨球直径的办法来提高磨球的总撞击几率而不减小研磨球的总动能,这样才符提高磨球的总撞击几率而不减小研磨球的总动能,这样才符合了提高机械球磨效率的两个基本准则。合了提高机械球磨效率的两个基本准则。 221机械粉碎法机械粉碎法搅拌磨搅拌磨2 用搅拌磨制备超细粉体的试验研究用搅拌磨制备超细粉体的试验研究使用介质搅拌磨并以使用介质搅拌磨并以0.81.4mm氧化锆陶瓷微珠为氧化锆陶瓷微珠为研磨介质对水镁石、电气石、云母研磨介质对水镁石、电气石、云母(包括白云母、金云包括白云母、金云母、绢云母母、绢云母)
23、进行了超细粉碎试验进行了超细粉碎试验.选择适宜的助磨剂、选择适宜的助磨剂、分散剂、研磨时间等试验条件分散剂、研磨时间等试验条件,。1 1 搅拌磨制备超细搅拌磨制备超细SiO2SiO2粉的研究粉的研究 221机械粉碎法机械粉碎法实例:实例:原理:原理:利用一对固体磨子和高速利用一对固体磨子和高速旋转磨体的相对运动所产生的强旋转磨体的相对运动所产生的强大剪切、摩擦、冲击等作用力来大剪切、摩擦、冲击等作用力来粉碎或分散物料粒子的。粉碎或分散物料粒子的。 被处理的桨料通过两磨体之被处理的桨料通过两磨体之间的微小间隙,被有效地粉碎、间的微小间隙,被有效地粉碎、分散、乳化、微粒化。在短时间分散、乳化、微粒
24、化。在短时间内,经处理的产品粒径可达内,经处理的产品粒径可达1 1m m。5 5胶体磨胶体磨 221机械粉碎法机械粉碎法A为空心转轴,与为空心转轴,与C盘相连,向一个盘相连,向一个方向旋转,方向旋转,B盘向另一方向旋转。分盘向另一方向旋转。分散相、分散介质和稳定剂从空心轴散相、分散介质和稳定剂从空心轴A处加入,从处加入,从C盘与盘与B盘的狭缝中飞出,盘的狭缝中飞出,用两盘之间的切应力将固体粉碎用两盘之间的切应力将固体粉碎.原理:原理:利用高速气流利用高速气流(300(300500m500m/ /s)s)或或热蒸气热蒸气(300(300450450) )的能量使粒子相的能量使粒子相互产生冲击、碰
25、撞、摩擦而被较快粉互产生冲击、碰撞、摩擦而被较快粉碎。碎。在粉碎室中,粒子之间碰撞频率远高在粉碎室中,粒子之间碰撞频率远高于粒子与器壁之间的碰撞。于粒子与器壁之间的碰撞。特点:特点:产品的粒径下限可达到产品的粒径下限可达到0.10.1m m以下。除了产品粒度微细以外,气流以下。除了产品粒度微细以外,气流粉碎的产品还具有粒度分布窄、粒子粉碎的产品还具有粒度分布窄、粒子表面光滑、形状规则、纯度高、活性表面光滑、形状规则、纯度高、活性大、分散性好等优点。大、分散性好等优点。6 6纳米气流粉碎气流磨纳米气流粉碎气流磨 221机械粉碎法机械粉碎法 通过气体传输粉料的一种研磨方法。与机械研磨通过气体传输粉
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