《无机材料原》PPT课件.ppt

第二章 无机非金属材料原料及其合成制备,无机非金属材料使用的原料，根据其来源可分为天然矿物原料与人工合成原料。天然矿物原料：组成由矿物生成的天然条件决定。人工合成原料：通过各种物理与化学方法制备的陶瓷原料。,各种化学试剂，例如：NaCl，TiO2,天然矿物原料,氧、硅、铝占三种元素占地壳中元素总量的80%多,硅酸盐和铝硅酸盐,地壳中普通元素的蕴藏量,长石K2OAl2O36SiO2云母K2O2Al2O36SiO22H2O 高岭土Al2O32SiO22H2O,化学特征参数：包括粉料化学计量和杂质含量晶体学特征参数：粉料中存在的非反应相与第二项的情况形态学特征参数：原料颗粒团聚程度、颗粒尺寸和分布、颗粒形态以及粉料比表面积堆积特征参数：原料的堆积性、流动性、以及热效应的表征,2.1 无机粉体的基本参数与表述,无机粉体的基本参数,原料化学组成将直接影响材料的性能，杂质对陶瓷材料工艺制备过程中有利有弊。例如，某些杂质在烧结过程中可以与原料中的主成分或其他杂质生成新的晶体相或玻璃相这类杂质在磁坯形成过程中起到了矿化剂或熔剂的作用，对材料制备工艺有利。,n型半导体,p型半导体,本征半导体,形态学特征与堆积特性对材料的影响,粉料颗粒的团聚程度、颗粒尺寸和分布、颗粒形状、比表面积以及原料堆积特性主要通过影响陶瓷材料的各种不同成形性和烧结特性而影像材料的显微组织。细小尺寸的原料颗粒具有较大的表面自由能，有利于提高陶瓷材料的烧结推动力提高陶瓷材料的强度。粉料的形态学和堆积学特性，有利于改善材料工艺制造过程的难度，提高效率和降低成本。,粒径（粒度）：用来表示粉体颗粒尺寸大小的几何参数 表示方法：单个颗粒的单一粒径：,（1）粒径,2.1.2 无机粉体的基本参数的表述,单颗粒平均直径：大多数情况中的非球形单颗粒，可由该颗粒不同方向上的不同尺寸按照一定的计算方法加以平均，得到单颗粒的平均直径等效粒径（当量直径）：以在同一物理现象中与之有相同效果的球形颗粒直径来表示，即等效粒径，或叫当量径。,附表1：单一粒径的计算公式,费雷特（Feret）径：与颗粒投影相切的两条平行线之间的距离。马丁（Martin）径：指沿一定方向把颗粒投影面积二等分线的长度。最大定向径：沿一定方向测定颗粒的最大宽度所得的线度。投影圆当量径：与颗粒投影圆面积相等的圆的直径。,颗粒群的平均粒度,在实际中，所涉及的不是单个的颗粒，而是包含各种不同粒径的颗粒的集合，即粒子群。对于不同粒径颗粒组成的粒子群，为简化其粒度大小的描述，常采用平均粒度的概念。平均粒度是用数学统计方法来表征的一个综合概括的数值。,以个数为基准：相当于将 ni 个大小不同的颗粒排列起来，其长度为(nidi)，在此长度上排列 ni 个等直径的颗粒，则每个颗粒的等效果直径为：,以质量为基准的公式推导：,颗粒群中颗粒总长为：,质量基准直径为：,ni,di 含义：颗粒粒径为 di 的颗粒的总个数为 ni。mi,di 的含义：颗粒粒径为 di 的颗粒，在整个颗粒群中占有的质量为 mi。,若颗粒较粗（120mm)，平均粒径可由 下式获得,m为颗粒群总质量n为颗粒数，一般n200 为颗粒密度,上述单一粒径和平均粒径的计算是为着不同的实际单元操作过程或某粉体研究需要服务的，譬如一些平均粒径所适用的有关物理化学过程见下表,粉体颗粒的粒度分布,横坐标表示各粒级的起讫粒度；纵坐标表示该粒级的颗粒所占百分数/D。实际应用中，用哪种取法因具体粉体物系而异。,粒度间隔不相等的矩形图,粒度间隔相等的矩形图和频率分布曲线,看该图我们可以清晰的了解到：该产品粒径分布范围很小，从1.08到2.5微米之间，最粗的粒径不超过2.5微米，比表面积3.29m2/c.c.，适用于高档涂料填充等用途。,附图是超细高岭土的激光粒度分布图,频度分布曲线,其意义是：任何粒度间隔内颗粒的百分数等于曲线下方该间隔内的面积占曲线下方总面积的百分数。,频度分布曲线图Dm最多数（量）径；D1/2中位径；平均径,=,式中：n粒度间隔的数目；Di每一间隔内的平均粒径 fdi颗粒在该粒度间隔的个数或质量分数,2.1.3 粒度的测定方法,筛分法：最简单也是用得最早和应用最广泛的粒度测定方法 沉降法：显微镜法（包括光学显微镜和电子显微镜）库尔特计数器激光粒度分析仪,粒度测试的方法很多，具统计有上百种。目前常用的有沉降法、激光法、筛分法、图像法、电阻法，显微图象法、刮板法、透气法、超声波法和动态光散射法等。,筛分设备,筛网采用电化学加工而成，用于微细颗粒精确筛分检测,75电成型试验筛,筛分法：使颗粒通过不同尺寸的筛孔来测试粒度的。分类：筛分法分干筛和湿筛两种形式操作方式：可以用单个筛子来控制单一粒径颗粒的通过率，也可以用多个筛子叠加起来同时测量多个粒径颗粒的通过率，并计算出百分数。筛分法分类：手工筛、振动筛、负压筛、全自动筛等多种方式,筛分法,负压筛,全自动筛,整个系统保持负压状态，筛网里的待测精粉末物料在旋转的喷气嘴喷出的气流作用下呈流状物，并随气流一起运动，其中粒径小于筛网孔径的细颗粒由气流带动通过筛网被抽走，而颗径大于筛网孔径的粗颗粒则留在筛网内，从而达到筛分的目的,国际标准筛(ISO)：单位：筛子尺寸（mm）Tyler(泰勒)标准 单位：目目数为筛网上1英寸（25.4mm）长度内的网孔数,(a，d单位mm),得到比200目粗的筛孔尺寸,得到比200目细的筛孔尺寸,主模系列:,标准规则:以200目的筛孔尺寸0.074mm为基准，乘或除模（或），则得到,副模系列：,标准筛系列：32 42 48 60 65 80 100 115 150 170 200 270 325 400其中最细的是400目，孔径是38m。,筛分的优缺点,优点统计量大,代表性强便宜重量分布,缺点下限38微米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 采用定向径方法测量,光学显微镜 0.25250m电子显微镜 0.0015m,显微镜测定粒度要求统计颗粒的总数：粒度范围宽的粉末10000以上粒度范围窄的粉末1000 左右,显微镜方法的优缺点,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测量投影面积直径速度慢,原理图,3.光衍射法粒度测试,从He-Ne(氦气和氖气)激光器发出的激光束经扩束镜后会聚在针孔，针孔将滤掉所有的高阶散射光，只让空间低频的激光通过。然后，激光束成为发散的光束，该光束遇到傅立叶透镜后被聚焦。当光入射到颗粒时，会产生衍射，小颗粒衍射角大，而大颗粒衍射角小（Mie散射理论），某一衍射角的光强度与相应粒度的颗粒多少有关。,当样品池内没有颗粒时，光束将被聚焦在环形光电探测器的中心；当样品池内有颗粒样品时，会聚的光束会有一部分被颗粒散射到环形探测器的各探测单元以及大角探测器上，形成“靶芯”状的衍射光环，此光环的半径与颗粒的大小有关，衍射光环的强度与相关粒径颗粒的多少有关，通过环形光电接受器阵列就可以接受到这些光能信号，光能信号通过光电探测器转换成了相应的电流信号，送给数据采集卡，该卡将电信号放大，再进行A/D转换后送入计算机，计算机用Mie散射理论对这些信号进行处理，即得样品的粒度分布。,测量原理示意图,激光衍射 0.05500m X光小角衍射 0.0020.1m,测量方法,目前的激光法粒度仪基本上都同时应用了夫琅霍夫(Fraunhofer)衍射理论和米氏(Mie)衍射理论，前者适用于颗粒直径远大于入射波长的情况，即用于几个微米至几百微米的测量；后者用于几个微米以下的测量。,激光衍射,性能特点,测量的动态范围大，动态范围越大越方便，目前先进的激光粒度可以超过1：1000（动态范围是指仪器同时能测量的最小颗粒与最大颗粒之比）；测量速度快，从进样至输出测试报告，只需1min，是目前最快的仪器之一；重复性好，由于取样量多，对同一次取样进行超过100次的光电采样，故测量的重复精度很高，达1%以内；操作方便，不受环境温度影响（相对于沉降仪），不存在堵孔问题（相对库尔特计数器）分辨率较低，不宜测粒度分布过窄又需要定量测量其宽度的样品如磨料微粉。,4 电阻法颗粒计数器,电阻法(库尔特)颗粒计数工作原理：采用小孔电阻原理，即库尔特法测量颗粒的大小。如图，小孔管浸泡在电解液中。小孔管内外各有一个电极，电流可以通过孔管壁上的小圆孔从阳极流到阴极。小孔管内部处于负压状态，因此管外的液体将流动到管内。测量时将颗粒分散到液体中，颗粒就跟着液体一起流动。当其经过小孔时，小孔的横截面积变小，两电极之间的电阻增大，电压升高，产生一个电压脉冲。当电源是恒流源时，可以证明在一定的范围内脉冲的峰值正比于颗粒体积。仪器只要准确测出每一个脉冲的峰值，即可得出各颗粒的大小，统计出粒度的分布。,库尔物颗粒计数器是基于小孔电阻原理，即电阻增量是正比于颗粒体积,性能特点,分辨率高，是现有各种粒度仪中最高的；测量速度快，一个样品只需15s左右；重复性好，一次测1万个左右颗粒，代表性好，测量重复性较高；操作简便，整个过程自动完成；动态范围较小，对同一小孔管约为20：1；易发生堵孔故障；测量下限不够小，愈小愈易堵孔，下限为1微米,5.沉降法粒度测试,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。如果大小不同的颗粒从同一起点高度同时沉降，经过一定距离(时间)后，就能将粉末按粒度差别分开。,重力沉降 10300m离心沉降 0.0110m,测量方法,自然重力状态下的dt的函数（Stokes）,离心力状态下的dt函数,颗粒在液体中的沉降状态示意图,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,缺点对于小粒子测试速度慢,重复性差非球型粒子误差大不适应于混合物料动态范围比激光衍射法窄,沉降法方法的优缺点,目前市售沉降粒度仪的特点,目前市场上的沉降仪都可在电脑控制下具有自动数据采集、数据处理、结果打印等功能；测试时间大多在十几分钟左右，重复性误差小于4%；沉降仪为目前粒度测试的主要手段之一。特别是在金属粉末、磨料、造纸涂料、河流泥沙以及科研教学领域中一直是主要粒度测试手段之一。,常见粒度分析方法,统计方法代表性强,动态范围宽分辨率低筛分方法 38微米-沉降方法0.01-300微米光学方法0.001-3500微米,非统计方法分辨率高代表性差,动态范围窄重复性差显微镜方法光学 1微米-电子0.001微米-电域敏感法0.5-1200微米,颗粒大小和形状表征,常见粒度分析方法,粒度测定方法的选定主要依据以下一些方面：1.颗粒物质的粒度范围；2.方法本身的精度；3.用于常规检验还是进行课题研究。用于常规检验应要求方法快速、可靠、设备经济、操作方便和对生产过程有一定的指导意义；4.取样问题。如样品数量、取样方法、样品分散的难易程度，样品是否有代表性等；5.要求测量粒度分布还是仅仅测量平均粒度；6.颗粒物质本身的性质以及颗粒物质的应用场合。,粒度测定方法的选定,2.2 无机粉体的机械制备方法,陶瓷所用粉体一般用机械方法和化学方法制备。机械方法：以机械力使原料减小粒度的方法。原料粉碎的优点：改善原料成型性能，提高坯体密度，促进烧结过程中反应原料的均匀化，有利于降低烧成温度。,化学法：包括溶液反应法（沉淀法）、水解法、气相反应法及喷雾法等，其中，溶液反应法（沉淀法）、气相反应法及喷雾法目前在工业上已大规模用来制备微米、亚微米及纳米材料。,机械力化学：在物料的破碎过程中会发生机械运动能量与化学能量的相互转换，这种转换称为机械力化学。,目前，工业中用得最多的是通过粉碎法，应用最多的粉体是通过粉碎法、化学法产生的微米级和亚微米级粉体，纳米粉体的生产及使用量相对较少。,机械力化学的作用,形变缺陷解离,固体颗粒在机械力作用下,粉体表面活性增强结构物理化学性质化学反应,粉体表面活性增强的机理,（1）粒度减小，比表面积增大，粉体表面自由能增大，活性增强。（2）表面层发生晶格畸变，储存能量，从而使表面曾能量升高，活化能降低，活性增强。（3）晶体破碎至无定形化的过程中，内部储存能量增大，活性高。（4）破碎过程中粉体颗粒表面温度升高，提高颗粒表面活性。,粉碎法是超细粉体中最常用的方法之一，在金属、非金属、药材、食品、日化、农药、化工、电子、军工、航空及航天等行业广泛应用。常用的：辊压式、辊碾式、高速旋转式、球磨式、介质搅拌式、气流式粉碎机；新近开发的：液流式、射流粉碎机、超低温、超临界、超声粉碎机等。介绍：各种具体粉碎方式及设备的粉碎原理、功能、特性。,粉碎法制备无机材料超细粉体常用方法及设备分类,1、面积学说（Rittinger）：物料破碎时，外力做的功用于产生新表面积，即破碎的功耗，与新生表面积 成正比，若比例系数为K，则。,2、体积学说（Kick）破碎的体积学说认为；破碎时，外力对物料做的功用于使物料发生变形，变形达到极限时物料即破碎。而物料蓄有的变形能与体积成正比，故认为破碎机的功耗与物体的体积变形成正比。,在实际的生产中，如何预测最终产品的粒径大小，一直是关心的问题。颗粒的破碎与能耗的三种学说在一定程度上能反映粉碎后的粒径的大小情况：,3、裂缝学说(Bond)榜德认为：破碎物料时，外力所做的功先是使物体变形，当变形超过限度后即生成裂缝，裂缝形成以后，储存在物体内的变形能促使裂缝扩展并生成断面。输入功的有用部分转化为新生表面上的表面能，其它部分成为热损失。因此，破碎所需的功，应考虑变形能和表面能两项，变形能和体积成正比，表面能与表面积成正比。,评述：面积学说只注意了新生表面积所需要能量，而忽视了物料破碎前先出现变形和实际中物料又是非均质的。体积学说只考虑了破碎时的变形能，没有考虑到新生表面积的增加。裂缝学说是介于面积学说与体积学说之间，但没有充足的理论根据。根据试验研究证实：(1)粗碎时新生表面积不多，以体积学说为准确，裂缝学说结果不可靠；（2）而细碎时（10微米以下），新生表面积增多，表面能是主要的，以面积学说较为准确；（3）在粗碎与细碎之间的广泛范围内，裂缝学说又比较适用。,根据粉碎处理后粉体的粒度大小可分为：（1）粗碎：直径小于或等于40-50（2）中碎：直径小于或等于0.5（3）细碎：直径小于或等于0.06（4）超细：0.02 以下,一、颚式破碎机,电动机驱动皮带和皮带轮，通过偏心轴使动鄂前后上下摆动，当动鄂推动动鄂板向定鄂板运动时，物料被压 碎或劈碎。当动鄂和动鄂板在偏心轴、弹簧的作用下后退时，先前已被压碎或劈碎的物料从鄂板的下部排料口排出。随着电动机连续转动而破碎机动鄂作周期性地压 碎和排泄物料，实现批量生产。,颚式破碎机是陶瓷工业化生产经常用的粗碎设备，主要用于块状料的前级处理。优点：结构简单，操作简单，产量高。缺点：粉碎比小(4)，出料粒度较粗，细度 的调节范围也不大。,一、辊压粉碎机（一）原理应用行业：油墨工业、涂料工业、油漆工业采用辊压法可使其中的填料粉碎到5微米以下。,图2-5 辊压粉碎机工作原理示意图1-固定辊筒；2-固定滚动轴承；3-滚动夹套；4-粉碎前物料；5-移动辊筒；6-止推螺杆（或液压制推系统）；7-机架；8-滚动轴承；9-粉碎后物料。,（三）缺点细磨硬质原料时，由于轧辊破转速高，磨损大，使得粉料中混入较多的铁，影响原料纯度，故要求后续除铁,（二）优点粉碎效率高，粉碎比大，粒度较细。,二、高速旋转撞机式粉碎机 主要是利用高速旋转的部件产生的强冲击力、剪切力摩擦而使物料被粉碎。高速旋转粉碎机由于结构及作用力的方式不同又分为：销棒粉碎机（针状磨）、摆式粉碎机、轴流式粉碎机（笼式磨）、筛分磨、离心分级磨等。（一）销棒粉碎机（针状磨）,转子、定子和腔壁撞击环,在转子和定子上分别布置一定圈数的撞击齿。原理：转子在电机带动下绕主轴高速旋转，产生较大的离心力场，在粉碎腔内中心形成一很强的负压区，借助负压被粉碎物料从转子和定子中心吸入，在离心力作用下，物料由中心向四周扩散，在向四周的扩散过程中，物料首先受到内圈转齿及定齿的撞击、剪切、摩擦、以及物料与物料之间的相互碰撞和摩擦作用而被粉碎。随着转齿的线速度由内圈向外圈逐步提高，物料在向外圈的运动过程中受到越来越强烈的冲击、剪切、摩擦、碰撞等作用而被粉碎的越来越细。最后在外圈与撞击环的冲击与冲击作用下得到进一步粉碎而被超细粉碎。粉碎方式有：（1）转动销棒对物料颗粒的直接冲击作用力；（2）固定销棒及外壁（外圈撞击环）对物料的反击作用力；（3）定、动销棒所形成的狭窄间隙对物料颗粒的剪切、挤压和摩擦作用力；（4）物料颗粒间的相互碰撞、摩擦作用。,（二）锤式与摆锤式粉碎机,图2-13 锤式破碎机腔内运动示意图,由高速旋转的锤头及外衬板组成，物料从入口进入粉碎区后，在高速旋转的锤头冲击作用下，受碰撞粉碎。,（三）离心式碰撞粉碎机 实际上是锤式破碎机的一种变形。也是靠冲击作用进行粉碎。基本原理：被粉碎物料在粉碎腔内由高速旋转的机构加速，作高速旋转运动，然后与外壁发生碰撞而粉碎。其加速度过程主要来自于颗粒的离心力，故称为离心式碰撞粉碎机。机型结构比较简单，一般由转子、定子及碰撞环组成，转子的边缘有各种形状的使颗粒加速的装置。,图2-18 离心机碰撞粉碎机转子边缘形状结构图（a）杆状；(b)曲刀状；(3)羽板状,优点：由于气流量大，温度升高后机腔内散热快，粉碎腔内温度上升不会太高，适合于热敏性材料的粉碎。如化学药品、香料、合成树脂、制药原料、饲料、食品、植物等。,四、球磨法制备超细粉体 近期在球磨机的基础上，开发出了多种形式的广义球磨机，如振动球磨、离心球磨、行星磨、离心滚动磨等。（一）普通卧式球磨机1、普通卧式球磨机结构及原理,图2-19 普通卧式球磨机主要组成示意图1-筒体；2-端盖；3-轴承；4-大齿轮。,物料从左端进入筒体内，逐渐向右方扩散移动，在自左至右的运动过程中，物料受到球体的冲击、研磨而被逐渐粉碎，最终从右端排出体外。,磨机对物料的粉碎作用主要来自于磨介对物料的冲击粉碎和研磨粉碎。泻落时以研磨作用为主；抛落时冲击和研磨作用并存。对较粗物料，利用冲出和研磨（由抛落和泻落产生）作用明显。但对于超微粉体一般的冲击的研磨作用不明显，能耗很高。球磨机粉碎效果的关键在于：提高磨球间的有效粉碎区域面积、磨体的转速、磨球间的研磨作用力。因此，必须改变磨球的直径及运行方式。,（二）、振动球磨 装有物料和磨介的桶体支撑在弹性支座上，电机通过弹性联轴机驱动平衡块回转，产生极大的扰动力，使筒体作高频率的连续振动，导致研磨体产生抛射、冲击和旋转运动，物料在研磨体的强烈冲击下和剥蚀下，获得均匀粉碎。普通球磨机是通过筒体的转动来带动磨介运动，来使物料粉碎；振动磨机主要是靠筒体的振动引起筒内的磨介运动来使物料粉碎。,图2-25 振动球磨机结构示意图电动机；2-挠性轴套；3-主轴；4-偏心重块；5-轴承；6-筒体；7-弹簧,优点：磨介尺寸减小，磨介的填充率较高，可达到60-70%。磨介总的表面积较大，磨介之间的有效粉碎区增大，磨介之间极为频繁的相互作用提高磨矿效率。,图2-27 行星球磨机结构示意图1-机架；2-连接杆；3-筒体；4-固定齿轮；5-传动齿轮；6-料孔。,（三）行星式球磨机,借助特殊装置，使球磨筒体既产生公转又产生自转来带动磨腔内的球磨介质，产生强烈的冲击、研磨作用，使介质之间的物料被粉碎和超细化。,搅拌磨机的原理 是依靠磨腔中机械搅拌棒、齿或片带动研磨介质运动，利用研磨介质之间的挤压力和剪切力使物料粉碎。它实际上是一种内部有动件的球磨机，靠内部动件带动磨介运动来对物料进行粉碎。搅拌磨早期主要用于染料、油漆、涂料行业浆料分散与混合。后来经多次改进，逐步发展成为一种新型的高效超细粉碎机。有时称之为介质磨，也有人称之为“剥片机”。,五、搅拌磨（称为介质磨、剥片机或砂磨机）,图2-24 早期典型的搅拌磨结构示意图（a）立式敞开型；(b)卧式封闭型图。1-冷却夹套；2-搅拌器；3-介质球；4-出料口；5-进料口。,一般为湿法粉碎，物料从一端进入磨腔，然后在磨腔的各个截面受到磨介的研磨及剪切作用而被粉碎。,搅拌磨的构成：（1）一带冷却夹套的磨腔；（2）中心装有各种不同结构的搅拌片（或杆、盘等）的转动轴。（3）搅拌片间充填研磨介质，磨介质可用钢珠、玻璃珠或陶瓷球。（磨腔-搅拌器-磨介-电动系统）。磨腔及搅拌器结构的变化，其目的都在于提高粉碎机的搅拌研磨效果，以便获得更细的粉体和更窄的粒度分布。,尽管搅拌磨也是依靠研磨介质对物料进行粉碎作用，但与球磨相比仍存在较大的差别。（1）物料填充率：一般而言，搅拌磨磨腔内物料填充率较大，通常可达75-80%；（2）磨矿速度：搅拌磨机物料粉碎时滞留时间短，磨碎速度快。南京理工大学研制的卧式反旋转搅拌磨，物料从进料到出料总时间大约为3分钟；（3）磨腔容积：磨腔较普通卧式球磨机小得多（搅拌磨磨腔容积一般为0.5-500L），而普通球磨机可达10 m3。（4）普通球磨机的致命弱点是磨介间的研磨效果较差，而且腔体中心易形成空洞，被研磨的物料易从中心空洞处逃逸形成“短路”而未受到介质的冲击及研磨作用，因而产品粒度粗，分散性大。,由于搅拌磨主要是通过磨腔中央的搅拌器将能量传给研磨介质来使物料粉碎，其粉碎效果的好坏，取决于能量的转化利用率及能量在磨腔内的消耗情况。磨腔内无用功所消耗的能量越少，用于物料粉碎的能量越多，则该磨机的性能越优越。而搅拌磨正是克服了普通球磨机的上述缺点，避免了物料从中心“短路”通过，因而粉碎效果好，产品粒度细，分布范围窄。,（一）原理 是在高速气流作用下，物料通过本身颗粒之间的撞击，气流对物料的剪切作用以及物料与其它部件的冲击、摩擦、剪切而使物料粉碎。先后有：扁平式（圆盘式）气流磨、循环式气流磨、对撞式气流磨、流化床气流磨、靶式气流磨、超音速气流磨等。广泛应用于化工、材料、冶金、非矿、农药、电子、食品、生物工程、医药、军工、航天、航空等领域。,六、气流粉碎机（气流磨）,机械粉碎（辊辗磨、球磨机及振动磨）的特点：（1）物料粉碎时会产生大量的热，致使热敏性物料变质；（2）设备的磨损会污染产品。（3）球磨机、振动磨、锤式粉碎机等生产周期长，生产效率降低；气流粉碎机的特点：粉碎后的物料粒度细，一般小于5微米；产品细度均匀，因为气流粉碎的过程可同时进行分级；产品污染少，因为气流粉碎机是根据物料的自磨原理而对物料进行粉碎，粉碎腔体对产品污染少，因此，特别适合于药品等不允许金属和其它杂质污染的物料粉碎。可粉碎低融点和热敏性材料及生物活性制品，因为气流粉碎机以压缩空气为动力，压缩气体在喷嘴处的绝热膨胀会使系统温度降低。可实现粉碎和外表包覆及表面改性的联合操作。可在无菌状态下操作；生产过程连续，生产能力大，自控、自动化程度高。,（二）典型的气流粉碎机1、圆盘式气流粉碎机（美国的Fluid Energy）,图2-34 早期圆盘式气流粉碎机结构示意图1-高压气体入口；2-气体出口；3-加料口；4-产品出口。,优点：圆盘式气流粉碎机具有结构简单，操作方便，拆卸、清理、维修简单方便，并自身具有自动分级功能。缺点：当被粉碎物料硬度较高时，随气流高速运动与磨腔内壁会产生剧烈的冲击、摩擦、剪切，导致磨腔的损伤，而且对产品会造成一定的污染。尤其对硬度很高的材料（如氧化硅、碳化硅等）进行超细化处理时，磨损更严重。因此，磨腔内衬材料必须采用超硬、高耐磨材料制造。如采用刚玉、氧化锆、超硬合金、喷涂超硬材料以及渗氮处理。,2、靶式气流磨 靶式气流磨的靶子结构具有固定和活动的两种形式。在固定靶式气流磨中，被粉碎物料被高压气流2吸入，与气流相混合并得到加速。然后高速冲击到靶上使物料粉碎。,图2-36 靶式气流磨1-加料斗；2-高压气体；3-靶板；4-被粉碎物料与气流出口。,缺点：靶的冲蚀非常严重，对产品有一定的污染。需特殊的超硬材料制成靶板。南京理工大学采用碳化硅、碳化、渗氮处理及刚玉等材料制作靶板进行粉碎试验，连续粉碎石英10小时后，靶板上都冲蚀出了3-10mm深的射流孔。因此，其工业应用受到了一定的限制。,3、超音速冲击板式气流粉碎机,图2-37 PJM-1型超音速冲击板式气流粉碎机1-加料斗；2-螺旋推料器；3-物料与高压气体混合室；4-冲击板；5-上升出料管；6-高压空气入口,本质上也是一种靶式气流磨，气流以2-3倍声速高速喷向靶板，另外，靶冲击面是具有一定角度的斜面。外形与圆盘式气流粉碎机很相象。其粉碎室周壁置有若干喷嘴。物料先与动力流体混合，形成固体混合流，并在气流中得到加速，然后以超音速从喷嘴喷入粉碎室。粉碎室中的物料在气流中相互碰撞而得到粉碎，粉碎后的物料进入分级室，由于物料持有不同的离心力，故细粒从分级室排出，粗粒则重新进入粉碎室再次粉碎。,4、冲击环式气流粉碎机上述气流粉碎机的内壁和冲击板受到严重冲刷，内壁常常被穿透。美国、日本等公司设计了一种可旋转的冲击环。MJ型冲击环式气流粉碎机设计喷射速度为200m/s，旋转冲击环速度为8.3-10r/min。称之为：新概念气流粉碎机。,图2-38 MJ型冲击环式气流粉碎机的冲击环1-粉碎室内腔冲击面；2-粉碎室；3-可旋转冲击环；4-气固混合物喷嘴,冲击环式气流粉碎机的优点：（1）将固定的冲击板或环改成了可旋转的冲击环。从而，避免了高速气体或气固流对某一固定点的长时间连续冲击引起的局部磨损，使整个环面都轮流作为被冲击面，整个环面受到均匀同等程度磨损，因此，增加了冲击环的使用寿命。（2）由于冲击环的旋转方向与喷射气流的喷入方向相反，因此，喷射气流与冲击环冲出面的相对运动速度提高，喷射撞击粉碎效果大大提高。冲出环反向旋转的速度越大，撞击粉碎的效果越好。,对气流粉碎机的综合评价：（1）优点：（A）粉碎环境温度低，适用于热敏性、低熔点物料的粉碎。（B）对设备磨损少，产品污染小，纯度较高，产品粒度细且均匀，易进行封闭式操作。（C）生产能力大，连续、自控程度高，设备结构简单，内部无动件也无介质。因此，操作、维修、拆卸、清理、装配都较方便。（2）缺点：能源利用率低，因而使生产成本较高，对于电费较高、且附加值较低的物料，不易采用气流粉碎机生产。目前，进一步提高气流粉碎机的能量利用率和产品细度。,六、液流粉碎法,（一）、基本原理 液流粉碎法的原理是使高压液体(通常大于200MPa)通过喷射器加速，形成高速射流，带动其中的固体颗粒作高速运动，然后与靶板（超硬材料，如金刚石或宝玉）或相反方向的另一股射流形成高速碰撞，由于强烈撞击以及金刚石产生的超声振动，使其中的固体物料被细化。这种方法主要有两种方式，即：靶板式和对撞式。,图2-45 典型的靶板式液流粉碎机结构示意图1-粉碎室；2-靶板；3-喷射器；4-加压装置；5-含被粉碎固体颗粒液体浆料,图2-46 对撞式液流粉碎机结构原理示意图,适用范围及评述 主要是对悬浮于液体中的固体颗粒进行超细化处理，或者是用来制备悬浮性、分散性及乳化效果更好的乳浊液。特别适合于制备各种超细有机物的浆液及乳化液，如有机颜料、涂料、油漆、油墨、墨水和染料的超细化及乳化。经过多次循环粉碎后，其中固体颗粒可粉碎至1.5微米以下，甚至可达到亚微米或接近纳米，并可制得悬浮性、分散性及均匀性极好的乳液。缺点：生产能力较小，对设备的结构及强度与安全生产都有较大的影响，更为严重的是，含固体颗粒的浆液在加压的过程中对加压筒壁及喷射器出口都有很大的腐蚀，易损坏，须采用价格昂贵的超硬高耐磨材料，如金刚石、宝石等。,第二节 常用天然矿物原料,一、粘土类原料,（一）粘土的成因与产状,粘土（clay）是一种颜色多样、细分散的多种含水铝硅酸盐矿物（xAl2O3ySiO2，aluminosilicate)的混合体，其矿物粒径一般小于2 m，主要由粘土矿物以及其它一些杂质矿物组成。,粘土的成因：,1.风化残积型：指深成的岩浆岩（如花岗岩:granite、伟晶岩:pegmatite、长英岩:aplite等）在原地风化后即残留在原地，多成为优质高岭土的主要矿床类型。风化型粘土矿床主要分布在我国南方(如景德镇高岭村、晋江白安、潮州飞天燕等地），一般称为一次粘土（也称为残留粘土或原生粘土）。,伟晶岩的化学成分和矿物成分与其有关的花岗岩或混合岩基本一致：石英、长石和云母等通常要占花岗伟晶岩总体积的90%95%以上；在化学成分上，花岗岩的造岩元素(O，Si，A1，K，Ns，ca等)是基本组分。,长英岩（又称结晶岩，aplite）：主要成分为长石和石英,长石：一系列不含水的碱金属或碱土金属铝硅酸盐矿物的总称化学成份主要为SiO2、Al2O3、Fe2O3、K2O和 Na2O。长石在地壳中比例高达60%。,石英:化学式为化-SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物。可选用做压电材料、光学材料、耐火材料、熔炼材料、建筑材料、宝石材料和矿物药等。,2.热液蚀变型：高温岩浆冷凝结晶后，残余岩浆中含有大量的挥发分及水，温度进一步降低时，水分则以液态存在，但其中溶有大量其它化合物。当这种热液（水）作用于母岩时，会形成粘土矿床，这就称为热液蚀变型粘土矿，如苏州阳山、湖南省衡阳界牌土。,3.沉积型粘土矿床：是指风化了的粘土矿物借雨水或风力的搬运作用搬离原母岩后，在低洼的地方沉积而成的矿床，称为二次粘土（也称沉积粘土或次生粘土），如福建省南安康垅，广东省清远源潭。,粘土的种类不同，物理化学性能也各不相同。粘土可呈白、灰、黄、红、黑等各种颜色。有的粘土疏松柔软且可在水中自然分散，有的粘土则呈致密坚硬的块状。,(二）粘土的组成,粘土的性能取决于粘土的组成，包括粘土的矿物组成、化学组成和颗粒组成。,1.粘土的化学组成,主要化学成分为SiO2、A12O3和结晶水（H2O）。,含有少量的碱金属氧化物K2O、Na2O，碱土金属氧化物CaO、MgO，以及着色氧化物Fe2O3、TiO2等。,风化残积型粘土矿床一般SiO2含量高，而A12O3含量低。,化学组成在一定程度上反映其工艺性质。（1）SiO2：若以石英状态存在的SiO2多时，粘土可塑性降低，但是干燥后烧成收缩小。（2）Al2O3：含量多，耐火度增高，难烧结。（3）Fe2O31，TiO2 0.5：瓷制品呈白色，含量过高，颜色变深，还影响电绝缘性。（4）CaO、MgO、K2O、Na2O：降低烧结温度，缩小烧结范围。（5）H2O、有机质：可提高可塑性，但收缩大。,2.粘土的矿物组成,粘土很少由单一矿物组成，而是多种微细矿物的混合体。因此，粘土所含各种微细矿物的种类和数量是决定其工艺性能的主要因素。,粘土矿物主要为高岭石类（包括高岭石、多水高岭石等）、蒙脱石类（包括蒙脱石、叶蜡石等）和伊利石类（也称水云母）等等。,高岭石,叶腊石,伊利石,a高岭石类（Kaolinite）高岭石族矿物包括高岭石、地开石、珍珠陶土和多水高岭石等。高岭石是粘土中常见的粘土矿物，主要由高岭石组成的粘土称为高岭土。,b蒙脱石类 蒙脱石（Montmorillonite）也是一种常见的粘土矿物，以蒙脱石为主要组成矿物的粘土称为膨润土（bentonite），一般呈白色、灰白色、粉红色或淡黄色，被杂质污染时呈现其它颜色。,c 伊利石类伊利石是白云母经强烈的化学风化作用而转变为蒙脱石或高岭石过程中的中间产物。组成成分与白云母相似，但比正常的白云母多SiO2和H2O而少K2O。与高岭石比较，伊利石含K2O较多而含H2O较少。,各种粘土矿物的差热曲线,粘土矿物是具有层状结构硅酸盐矿物，其基本结构单位是硅氧四面体层和铝氧八面体层，由于四面体层和八面体层的结合方式、同形置换以及层间阳离子等不同，从而构成了不同类型的层状结构粘土矿物，如下图所示的结构模型图。,层状结构粘土矿物晶体结构模型图,3.颗粒组成,颗粒组成：粘土中含有的不同大小颗粒的体积百分比含量。1um的细颗粒愈多，则可塑性愈强，干燥收缩大，干后强度 高，而且烧结温度低，（比表面积大，表面能高）片状比杆状堆积面积大，塑性大，强度高。,（三）粘土的工艺性质,1.可塑性 可塑性是指粘土粉碎后用适量的水调和、混练后捏成泥团，在一定外力的作用下可以任意改变其形状而不发生开裂，除去外力后，仍能保持受力时的形状的性能。2.结合性 粘土的结合性是指粘土能结合非塑性原料形成良好的可塑泥团、有一定干燥强度的能力。3.离子交换性 粘土颗粒带有电荷，其来源是其表面层的断键和晶格内部被取代的离子，因此必须吸附其它异号离子来补偿其电价，粘土的这种性质称为离子交换性。,4.触变性 粘土泥浆或可塑泥团受到振动或搅拌时，粘度会降低而流动性增加，静置后又能逐渐恢复原状。反之，相同的泥料放置一段时间后，在维持原有水分的情况下会增加粘度，出现变稠和固化现象。上述情况可以重复无数次。粘土的上述性质统称为触变性，也称为稠化性。5.膨胀性 膨胀性是指粘土吸水后体积增大的现象。这是由于粘土在吸附力、渗透力、毛细管力的作用，水分进入粘土晶层之间、或者胶团之间所致，因此可分为内膨胀性与外膨胀性两种。,6.收缩粘土泥料干燥时，因包围在粘土颗粒间的水分蒸发、颗粒相互靠拢而引起的体积收缩，称为干燥收缩。粘土泥料煅烧时，由于发生一系列的物理化学变化(如脱水作用、分解作用、莫来石的生成、易熔杂质的熔化，以及熔化物充满质点间空隙等等)，因而使粘土再度产生的收缩，称为烧成收缩。这两种收缩构成粘土泥料的总收缩。7.烧结性能 通指粘土在烧结过程中所表现出的各种物理化学变化及性能。8.耐火度 耐火度是耐火材料的重要技术指标之一，它表征材料无荷重时抵抗高温作用而不熔化的性能。,（四）粘土在陶瓷生产中的作用,1.粘土的可塑性是陶瓷坯泥赖以成型的基础。2.粘土使注浆泥料与釉料具有悬浮性与稳定性。3.粘土一般呈细分散颗粒，同时具有结合性。4.粘土是陶瓷坯体烧结时的主体。5.粘土是形成陶器主体结构和瓷器中莫来石晶 体的主要来源。,二、石英类原料,（一）石英矿石的类型,二氧化硅（SiO2）在地壳中的丰度约为60。含二氧化硅的矿物种类很多，部分以硅酸盐化合物的状态存在，构成各种矿物、岩石。另一部分则以独立状态存在，成为单独的矿物实体，其中结晶态二氧化硅统称为石英。由于经历的地质作用及成矿条件不同，石英呈现多种状态，并有不同的纯度。a.水晶：无色透明的石英单晶。b.脉石英 c.砂岩:在碎屑岩中，粒度为20.05mm的碎屑物含量占50%以上,由胶结物胶结起来的岩石。d.石英岩:主要由石英(85%以上)组成的岩石。e.石英砂:碎屑石英含量在85%以上，呈未胶结松散状。,石英,水晶结晶良好的石英,水晶结晶良好的石英,（二）石英的性质,石英的主要化学成分为SiO2，但是常含有少量的Al2O3、Fe2O3、CaO、MgO、TiO2等杂质成分。二氧化硅在常压下有七种结晶态和一个玻璃态。它们是-石英、-石英；-鳞石英、-鳞石英、-鳞石英；-方石英、-方石英。石英具有很强耐酸侵蚀能力（氢氟酸除外），但与碱性物质接触时能起反应而生成可溶性的硅酸盐。高温下，石英易与碱金属氧化物作用生成硅酸盐与玻璃态物质。石英材料的熔融温度范围取决于二氧化硅的形态和杂质的含量。,（三）石英的晶型转化,石英的晶型转化类型有两种：（1）高温型的缓慢转化（2）低温型的快速转化,石英晶型转化图释,（四）石英在陶瓷生产中的作用,1.石英是瘠性原料，可对泥料的可塑性起调节作用。2.在陶瓷烧成时，石英影响陶瓷坏体的体积收缩。3.在瓷器中，石英对坯体的力学强度有着很大的影响。4.石英对陶瓷釉料的性能有很大影响。,三、长石类原料,（一）长石的种类和性质,一系列不含水的碱金属或碱土金属铝硅酸盐矿物的总称。长石是陶瓷生产中的主要熔剂性原料，一般用作坯料、釉料、色料熔剂等的基本成分，用量较大，是日用陶瓷的三大原料之一。自然界中长石的种类很多，归纳起来都是由以下四种长石组合而成：钠长石(Ab)NaAlSi3O8或Na2OAl2O36SiO2 钾长石(Or)KAlSi3O8或K2OAl2O36SiO2 钙长石(An)CaAl2Si2O8或Ca OAl2O32SiO2 钡长石(Cn)BaAl2Si2O8或BaOAl2O32SiO2,钠长石,钾长石,钙长石,钡长石,长石类矿物的化学组成与矿物物理性质,（二）长石的熔融特性,1.钾长石的熔融温度不是太高，且其熔融温度范围宽。2.钠长石的开始熔融温度比钾长石低，其熔化时没有新的晶相产生，液相的组成和熔