粉体工程基础

粉体工程基础（共7篇）

粉体工程基础 篇1

2．什么是超微粉体的表面效应和量子尺寸效应？

答：前者指：随着尺寸的减小，表面原子数量占颗粒总原子数量的比例增加，而表面原子因一侧失去最邻近原子的成键力，引起表面原子的扰动，使得表面原子和近表面原子距离较体内原子大，并产生“再构”现象。这种再构会改变表面及近表面区的对称性，并影响所有对结构敏感的性质。同时随着尺寸的减小，颗粒比表面积和表面能增加，使得颗粒表面的活性大大提高，由此产生所谓超细粉体的表面效应。

后者指：当颗粒尺寸减小到某一值时，金属费米能级附近，相邻的电子能级由准连续态变为离散态的现象。

第二章

1．单颗粒的粒径度量主要有哪几种？各自的物理意义是什么？

答： 轴径是指：以颗粒某些特征线段，通过某种平均方式，来表征单颗粒的尺寸大小。

球当量径是指：用与颗粒具有相同特征参量的球体直径来表征单颗粒的尺寸大小。

圆当量径是指：用于颗粒具有相同投影特征参量的圆直径来表征单颗粒的尺寸大小。

定向径是指：在以光镜进行颗粒形貌图像的粒度分析中，对所统计的颗粒尺寸度量，均与某一方向平行，且以某种规定的方式获取每个颗粒的线性尺寸，作为单颗粒的粒径。

2．粉体分布方程的主要形式有哪几种？各自使用的范围是什么？ 答：（1）.正态分布，某些气溶胶和沉淀法制备的粉体，起个数分布近似符合这种分布。（2）.对数正态分布，大多数粉体，尤其是粉碎法制备的粉体较为符合对数正态分布器频度曲线是不对称的，曲线峰值偏向小粒径一侧。

（3）.Rosin-Rammler分布，对于粉体产品或粉尘，特别在硅酸盐工业中，如煤粉、水泥粉碎产品较好的符合该分布。

（4）.Gates-Gaudin-Schumann分布，对于某些粉碎产品，如颚式破碎机、輥式破碎机和棒磨机等粉碎产品较好的符合该分布。4.颗粒形状影响粉体哪些重要的性质？

答：颗粒形状影响粉体的比表面积、流动性、堆积性、附着性、流体透过阻力、化学反应活性和填充材料的增强、增韧性等。

7．在粉体的比表面积定义中，粉体颗粒的总表面积指的是什么面积？

答：指的是颗粒轮廓表面积与呈开放状态的颗粒内部空隙、裂缝表面积之和。

第三章

1．影响颗粒堆积结构的主要因素有哪些？

答：第一类涉及颗粒本身的集合特性，如颗粒大小、粒度分布及颗粒形状；第二类涉及颗粒间作用力和颗粒堆积条件，如颗粒间接触点作用力形式、堆积空间的形状与大小和外力施加方式与强度等条件。

4．如何理解粗、细二组元混合颗粒堆积理论对致密堆积的指导意义？ 答：（1）当组分接近百分之百为粗颗粒时，堆积体的表观体积由粗颗粒决定，细颗粒作为填充进入粗颗粒的空隙中，细颗粒不占有堆积表观体积；

（2）当组分接近百分之百为细颗粒时，细颗粒形成空隙并堆积在粗颗粒周围，堆积体的表观体积为细颗粒的表观体积和粗颗粒的体积之和。

6．粉体致密堆积的经验有哪些？

答：（1）用单一粒径尺寸的颗粒，不能满足致密堆积对颗粒级配的要求；

（2）采用多组分且组分粒径尺寸相差较大的颗粒，可较好的满足致密堆积对粒度与级配的要求；

（3）细颗粒数量应足够填充堆积体的空隙，两组分时，粗、细数量比例约为7：3；三组分时，粗、中、细颗粒数量比例约为7：1：2时，相对而言，可更好的满足致密堆积对粒度与级配的要求。

（4）在可能的条件下，适当增大临界颗粒（粗颗粒）尺寸，可较好地满足致密堆积对粒度与级配的要求。

第四章

1.颗粒间的内聚力有哪些？

答：范德华力Fv 静电吸引力Fe 液体桥联力Flb 固体桥联力Fsb。

2.为什么说分子间作用是短程力，对颗粒间的分子作用力是长程力？

答：对于块状固质，范德华力是短程力，但是，对由于极大量分子集合体构成的体系—颗粒来说，这种分子力随着颗粒间距离的增大其衰减程度明显变缓。这是由于尺寸微小且相对分散的颗粒，分别集合了大量分子，使分子间作用力形成协同作用效果。因此，对颗粒来说，范德华力可在表面最短距离l约100nm范围内起作用，而通常认为，固体紧密接触时表面距离可达l=0.4nm，所以，颗粒间的范德华力是不能忽视的。8.粉体层开放屈服强度的概念是什么？如何获取粉体层开放屈服强度？

答：在一壁面勿摩擦的理想圆柱型筒体内装入粉体，并在粉体层表面施加一密实压应力使粉体具有一定的密实强度。取下筒体，在侧壁勿任何约束力作用的情况下，若已成型的粉体能承受某一最大压应力而不溃塌，则表明粉体具有与最大压应力相等的密实强度。这一强度称为粉体层开放屈服强度。

粉体层开放屈服强度可通过粉体层屈服轨迹和莫尔圆获得。做一与屈服轨迹相切的莫尔圆，该圆与σ轴的交点即为粉体层开放屈服强度。

9.粉体流动函数的概念是什么？与粉体流动性之间关系如何？

答：粉体流动函数FF定义为FF=σ1/fc。在一定密实应力σ1作用下，开放屈服强度fc小的粉体，FF值较大，即流动性好。当fc为0时，FF趋近与无穷大。粉体能完全自由流动。

第五章

2.流体对颗粒的运动阻力由哪两部分组成？阻力系数与颗粒雷诺数之间的关系？ 答：由粘性阻力和惯性阻力组成。阻力系数C=f（Rep）

第六章

3.颗粒的晶格比热容随颗粒尺寸变化的机理是什么？

答：德拜比热容理论认为：当温度较高时，晶体比热容基本不随温度变化，当温度低于

433德拜温度时，晶格比热容和德拜温度的比值有以下关系： Cv=12π RT/5ΘD 5.光波在颗粒分散体系中的散射机理是什么？ 答：瑞利散射 米氏散射 夫琅禾费散射

7.颗粒的光吸收机理是什么？光吸收现象有何应用意义？

答：机理：由于光传播时的交变电磁场与颗粒的分子相互作用，使颗粒分子中的电子出现受迫振动，而维持电子振动所消耗的能量，变为其他形式的能量而耗散掉。

应用：光照吸收材料用于电镜、核磁共振、波普仪和太阳能利用，还可以防止红外线、防雷达的隐身材料等。其中金的超微颗粒，不仅吸光率高，而且其在可见光至红外线区域内，光的吸收率不随波长而变化，因此可作为红外传感材料。

第七章

2．颗粒表面活性位与颗粒表面几何形状之间的关系是什么？

答：随着颗粒尺寸的减小，完整晶面在颗粒总表面上所占的比例减小，键力不饱和的质点占全部质点的比例增多，从而大大提高了颗粒的表面活性。颗粒表面活性取决于两个因素：其一，比表面积大小，其二，断裂面的集合形状。

6．颗粒在溶剂中对高分子表面活性剂的吸附建有哪几种主要类型？吸附特点是什么？ 答：（1）氢键.键合是非离子型高分子表面活性剂在鳄梨表面吸附的主要原因.（2）共价键.高分子表面活性剂与颗粒表面生成配位键.（3）疏水键.高分子表面活性剂的疏水基可与非极性表面发生疏水键合作用而产生吸附.（4）经典作用.荷电表面与高分子表面活性离子，通过静电作用吸附在颗粒表面.9.粉体的聚凝有哪几种类型？ 答：聚集；凝结；絮凝；团聚 11.粉体在空气中的分散措施有那些？ 答：干燥分散；机械分散；表面改性分散

12.粉体在液体中的颗粒间作用力主要有哪几种？这些力的特性是什么？

答：（1）范德华力，粉体在液体中的颗粒间作用力考虑由于存在着不能忽视的液体分子对颗粒分子的作用，而导致的对颗粒与颗粒之间分子作用力的影响.（2）双电层静电作用力，（3）空间位组作用，当颗粒表面吸附有高分子表面活性剂时，在颗粒与颗粒相互接近过程中，吸附层将产生一种所谓“空间作用”.（4）溶剂化膜作用，当颗粒表面吸附有阳离子或亲水基团的有机物，或由于颗粒表面极性区域对其周围溶剂分子的极化作用，在颗粒表面会形成具有一定机械强度的溶剂化膜.14.颗粒在溶液中的双电层静电作用与颗粒表面电位ζ之间的关系是什么？

答：对同质颗粒，恒为排斥力，且当表面电位大于30mV时，双电层静电作用力要大于范德华吸引力，故可作为一种使颗粒分散的措施.对异质颗粒，根据颗粒所负电性，则有可能为吸引力.15.粉体在液体中吸附高分子表面活性剂时有哪两种空间形式，形成空间位阻的条件是什么？

答：吸附高分子表面活性剂层致密时，空间作用为压缩排斥力，吸附高分子表面活性剂层稀松时，空间作用为穿插链接作用.3

16.什么是溶剂化膜作用？与颗粒表面的极性关系是什么？

答：当颗粒表面吸附有阳离子或亲水基团的有机物，或由于颗粒表面极性区域对其周围溶剂分子的极化作用，在颗粒表面会形成具有一定机械强度的溶剂化膜.视颗粒表面的极性的差异程度不同.水对极性表面颗粒为排斥力，对非极性表面颗粒为吸引力.17.粉体在液体中的分散调控措施有那些？其作用原理是什么？ 答：介质调控；分散剂调控；机械调控

（1）润湿原则.颗粒必须被液体介质润湿。以使颗粒能很好的浸没在液体介质中.（2）表面力原则.颗粒间的总表面力必须是一个较大的正值，以使颗粒间有足够强的相互排斥作用，防止颗粒间相互接触并产生凝聚.第八章

1.粉碎机械力化学效应对粉体性质可能发生的变化分为哪几类？ 答：物理变化；结晶态变化；化学变化

2.粉碎平衡的概念是什么？产生粉碎平衡的原因是什么？

答：粉碎过程中，颗粒尺寸的减小过程与微细颗粒的聚结过程的平衡，称为粉碎平衡.产生原因：（1）微细颗粒间的相互作用力有范德华力、静电力、液桥力，以及机械压力致使颗粒聚结.（2）粉碎过程中，随着颗粒尺寸的减小，颗粒的宏观晶体缺陷和裂纹的数量大大减小，使得颗粒尺寸难以进一步减小.（3）根据粉碎机理分析，颗粒碎裂面的扩展所需的能量，几乎全部来自于应力场中贮存的弹性形变能.习题6 某粉状物料的真密度为3000kg/m3，当该粉料以孔隙率0.4的状态堆积时，求其表观密度？

解：由ε=1-ρa/ρp 故ρa=（1-ε）ρp =（1-0.4）*3000 =1800kg/m3习题10 密度为2650kg/m3的石英颗粒在水中自然沉降，当水的粘度为1.005×10-3Pa·S，密度为1000kg/m3时，若要使颗粒在层流区内沉降，其最大Stokes粒径为多少？若该颗粒在空气中沉降，其最大Stokes粒径又为多少？空气密度1.225kg/m3，粘度为18.1×10Pa·S。-6

1.解：当stokes粒径最大时，即Dp最大

则Rep取最大，即Rep=1 ∴Rep=Dpu1 ①

又∵ u=Dp2(p)g18 ②

182 联立①②得，Dp=3

(p)g 当颗粒在水中自然沉降：

182 最大stokes粒径Dp=3

(p)g =1.04*10-4m 当颗粒在空气中自然沉降：

182 Dp=3

粉体工程基础 篇2

一、理论教学中培养工程思维能力

《粉体科学与工程基础》作为《粉体科学与工程》的基础篇,其课程内容与材料、冶金、化学工程、矿业、建筑、食品、医药、能源、电子及环境工程等诸多领域都有极大的关系,是一门跨学科、跨行业的综合性极强的基础学科。本课程作为大三和大四学生的专业基础课,在课程讲解中,注重理论结合实际,将课堂知识与实际的工程例子结合,激发学生学习的兴趣,最大限度地调动学生的学习情绪,使他们成为学习的主体。

1. 课堂教学注重理论联系实际。

为提高课堂教学质量,教师上课之前认真备课,熟悉课程内容,精通所教课程的专业知识,在课堂上向学生讲清楚各章节的基本原理及其在生产实际中的应用,并通过相关的习题训练使学生巩固所学知识,同时,教师也要不断地把与课程内容相关的前沿知识和学科的发展动态提供给学生。在课堂教学中,尽量结合学生的专业学习和认识实习,选择一些与现实生产、生活联系紧密的工程问题进行引导、分析、讨论和归纳总结。例如,在颗粒流体力学章节的教学中,先以北方常见的沙尘暴的形成和传输为例,如果风持续的时间很长,形成悬移的浮尘能够被输送到很远的地方,所经过的地区就会出现沙尘暴;当风速减弱到一定程度后,浮尘就会降落,该地就会出现降尘天气,说明颗粒的粒度、流体(空气)的速度是影响颗粒沉降的主要因素。再以颗粒在流体中的两种沉降方式:重力沉降和离心沉降为例,举例选矿生产中常用的重力选矿机和水泥生产中的离心选粉机,通过讲述设备的工作原理和设备结构,引导学生理解颗粒在流体中的两种运动方式,引导学生如何在生产实际中根据颗粒的大小选用适宜的设备。例如,《颗粒堆积》一章是本课程的基础篇,涉及颗粒的大小和分布的计算、等径球形颗粒的堆积结构,教师详细讲解应用较多的经典颗粒尺寸分布和堆积理论,让学生明白堆积颗粒系统中的颗粒尺寸分布在许多产品的生产中起着重要作用,它不仅影响着最终产品的性质,如气孔率、密度、强度等,而且许多工艺性质也取决于颗粒尺寸分布,如泥浆粘度、注浆速度、干燥速度等等。根据学生的专业特点举例讲述水泥颗粒分布对水泥性能和混凝土施工性能的影响;陶瓷工业中密实陶瓷与多孔陶瓷的制备与颗粒堆积与分布的影响,并布置学生课外通过学校的图书馆资源以及其他网络上的电子资源去查询“利用颗粒大小和分布制备多孔陶瓷的方法”“陶瓷注浆成型中颗粒大小与分布对成型密度的影响”,用PPT的形式进行课堂交流。这种交流拓宽了学生的知识面,另外通过学生自己查阅科研文献也激发他们的创新思维,强化对工程观念的检验和应用,同时也能培养学生对“粉体科学与工程基础”课程的兴趣,有利于工程观念的建立和提升。

2. 课堂教学注重工程方法训练。

工程实际问题多数因为影响因素众多而变得相当复杂,依据现有的科学理论还难以弄清问题的本质,在目前的阶段还做不到用严密的理论思维方式去解决,只能用工程近似的办法来解决工程具体问题。工业上处理工程问题的常用方法有数学分析法、实验研究法和数学模型法等。教学中根据课程内容将这些工程方法教授给学生,以培养学生的工程意识。例如以流体在颗粒固定床层中的透过流动时压降的计算为例,对于有无数个颗粒构成的固定床而言,颗粒间的空隙形成许多可供流体通过的细小通道,这些细小通道是曲折而又相互交错、大小和形状也很不规则,流体通过如此复杂的通道时的压降自然很难直接用数学分析的方法求出。这时可引导学生借用数学模型法来解决。即,将床层中复杂的不规则的通道简化成一组管径为de、长度为Le的平行细管,细管的内表面积等于床层颗粒的全部表面积、细管的全部流动空间等于颗粒床层的空隙容积,将颗粒层内的实际流动过程大幅度简化,按这种简化后的模型,流体通过固定床的压降等同于流体通过一组当量直径为de、长度为Le的细管的压降。简化后的模型根据圆管中流体定态层流流动时的沿程阻力损失计算公式,引入固定床流动摩擦系数λ′为模型参数,建立数学模型,通过实验来确定模型参数和检验数学模型的有效性。最后采用康采尼或欧根公式计算床层压降,[1]就把一个复杂的实际工程问题简化为一个简单的流体流动问题。学生在其中经历了提出问题、分析问题、解决问题的过程,既加深了对公式的理解和认识,又掌握了一种实用的工程问题解决方法。

二、实验教学中强化工程思维能力

实验教学是理论联系实际环节,针对课程的内容而进行的验证、理解、巩固和提高的实践教学环节。通过实验培养学生工程实验的方案设计、流程组织、实验操作、数据处理、归纳总结等实验能力。“粉体力学”是本门课的重点,粉体的流动性是粉体力学性质的最重要的表征。教师首先在教学中详细讲解粉体流动性的内涵以及各种测试方法,然后联系工程实际举例说明粉体的流动性在粉体工程设计中的应用。比如,在粉末冶金、食品、制药、钢铁和农业等生产过程中,广泛涉及到颗粒物质流动,如工业上常见的筒仓卸料、传输、混合、流态化和固气分离等,把握粉体材料的流动特性,对于防止发生粉料堵塞、控制粉体内颗粒成分的均匀性和一致性都具有至关重要的意义。水泥厂中许多操作过程都会涉及到粉体的重力流动。“粉体力学”实验中设立了粉体流动性综合实验(Carr指数法)和粉体剪切实验(直剪实验)。两组实验分别分成六组,每组两人,每组的粉体种类不同、粒径相同,或种类相同、粒径不同,要求学生按规定测试步骤完成实验后,比较各组的测试计算结果,总结出影响粉体流动性的因素。学生通过实验自我总结出粉体流动性与粒子的形状、大小、表面状态、密度、空隙率等因素关系,引导学生比较Carr指数法和直剪实验两者的实验方法和评价指标的不同,分析两者用于工程实际时的使用范围及不足之处,并提出改进意见。通过学生主动思考,可以将工程思维在实验环节得到强化和深化,变为学生自觉主动的习惯。

三、结合学院科技竞赛,应用工程思维能力

我院从2010年起每年组织“材料性能设计与制备”大学生科技竞赛活动,全院大二到大四的本科生自由组合参加,竞赛旨在加强学生在材料性能设计与制备方面的综合知识,提高学生分析问题,方案设计及动手实践能力,开拓创新。教师在上课时积极鼓励学生参加竞赛活动,并担任竞赛指导老师。这两届的竞赛活动围绕“轻质高强”材料制备,根据任课教师的研究方向,选定以多孔陶瓷为目标。首先由老师讲解,要求学生以所学的“颗粒堆积”理论为指导,通过查阅文献资料,学生确定了有代表性的三种制备方法:颗粒堆积成孔工艺法、添加剂造孔工艺法,发泡工艺法。学生综合运用各方面知识,全面考虑材料多方性能,综合比较几种方法后自主设计详细的实验方案,并经指导教师修改认可后进入导师实验室进行原料准备、球磨混料、成型、烧结、测试等工艺,在实验中不断修改和完善实验方案,最终完成制备。学生对这种竞赛活动非常积极,因为比赛过程中,不仅要求同学们有扎实的理论基础,还要应用工程思维能力,勇于实践探索,将理论基础和动手实践相结合,同时也使学生团队合作意识增强。这种综合运用所学学科知识、自我设计创新科研性、自我制备的方式对培养学生创造性、独立科研工作能力具有重要意义。

参考文献

粉体工程基础 篇3

[关键词] 粉体材料科学与工程 实践教学 应用型 专业建设

[Abstract] Introduced the experience teaching means reform, students’ capability of originality innovation, teacher team construction and school-enterprise cooperation of the new initial specialty of powder materials science and engineering of Hefei University according to the center of the model of application type talents culture. Discussed how to optimization the course install and constitute the scientific and appropriate course system.

[Key words] powder materials science and engineering experience teaching application type speciallty construction

0.专业建设的必要性

当今世界各国的竞争是基于以能源、信息、材料等高科技产业为支柱,以智力资源为依托的综合国力的竞争。材料科学与工程技术的发展是国民经济高速发展的物质基础,是经济建设中最具活力,最有发展潜力的科学及基础产业工程之一。粉体材料科学与工程的研究对象——粉体材料是材料家族中的重要基础和组成部分,也是材料科学与工程技术领域中最活跃的部分。当前世界上绝大部分的新材料包括纳米材料,是经由粉体材料科学与技术研究和开发的。

粉体材料科学与工程是主要研究、开发粉末颗粒状物质的加工、制备、表征、处理、运输以及在众多领域广泛应用等方面的综合性工程技术学科,其综合了化工、机械、建材、矿产、冶金等相关学科的内容,具有十分广泛的应用领域。

合肥学院粉体材料科学与工程专业是合肥学院化学与材料工程系根据安徽省“861行动计划”、合肥市“工业立市战略”等建设计划的需求所设立的新专业。几年来,该专业通过不断实践和探索,在专业建设中形成特色、组建特色课程群、发挥本系学科优势、,推动教育教学创新,深化教学改革。

1.专业课程体系分析及课程群建设

专业课程群建设是人才培养的一个重要方面。粉体材料科学与工程专业的特色课程群建设需要紧密结合材料学科和化学学科的特点和自身研究特色以及本系教学团队等因素。专业课程体系主要分为五个模块:公共基础课、专业基础课、专业主干课、专业选修课以及实践教学环节。在专业基础课和专业选修课方面重点进行了专业特色课程群建设,强化专业特色,提升学生就业竞争力。在课程群的设置上,努力协调好基础工科课程群、化学学科课程群、材料学科课程群、专业综合课程群等之间的关系[1],重点突出粉体综合应用和粉末冶金两个主要特色课程群,结合本系教师的职称结构、学历结构、学缘结构和教学团队,在教学实践中取得了良好的成效。粉体材料科学与工程专业因其自身的研究特点,与化学、材料学、机械学、矿物学、高分子科学等学科密不可分,因此专业课程群在设置上必须充分考虑到这些基础工科先修课程群的关系,合理安排课程开设的时序,协调课程内容之间的衔接。如《粉体工程》课程为专业综合课程群的主干课程,开设该课之前,必须先修《高等数学》、《大学物理》、《无机化学》、《工程制图》、《机械设计基础》、《材料化工基础》等相关基础工科课程。另一方面增加专业基础课程和专业综合课程的种类和数量,减少课时并合理设置专业选修课与任意选修课,以保证与专业方向的衔接。提高课程开出率以增加学生选课的自由度,突出专业课地位,实现加强课程整合,构建融汇贯通、有机联系的课程体系[2]。

2.实践教学手段建设

教学方法和教学手段的改革,是提高教学质量,实现教学目标的重要途径,也是课程建设的主要方面[3]。我院粉体材料科学与工程专业的实践课程除设置了化工基础实验课、材料专业基础实验课、粉体材料专业实验课、生产实习和毕业实习外, 还在二、三年级的暑假期间增设了第五学期,要求学生在企业进行岗位实习,以增强学生适应社会的能力。在专业实验教学中采用了“少台套,大循环”的方法,提高了设备仪器的利用率,增加了可开设的实验项目数,增强了学生的动手能力;此外,还开设了针对提高应用专业基础综合知识能力的专题研究训练课和针对专业课程的模拟实际的工程实验训练课,使学生能够初步综合应用各门课程的理论知识解决工程实践问题,并进行论文的撰写训练。

3.学生创新能力的培养

为了加强实践教学,开设了“大型综合实验”、“创新实验研究”、“卓越工程师”、“九学期制实践学期”等系列创新、实践课程,着力于学生实践能力和创新能力的培养,使学生能尽早进入科学研究,并在材料设计、实验方案制定、材料加工、性能检测数据与分析、撰写论文等方面得到全方位实战训练,全面提升学生的实践与创新能力和本领。

依托本学科已有的基础平台,从大三开始,挑选一部分理论基础较好,有科研兴趣的学生,进行重点培养。在坚持让学生“自己设计、自主实验”的原则下,开展科研活动。实行导师制,每个课题配备指导老师,为课题提供技术上的指导和方向性的把握。

开设大型综合实验课,让学生根据实验大纲要求制定实验方案,经指导老师审定后,进行系统的、综合性的实验研究训练,最后根据实验结果写出综合实验报告。开展大型综合实验活动不仅可以丰富教学形式,还可使学生把所学的书本知识串成整体,有利于激发学生的主动性和创造性,也可为学生毕业后尽快地适应并融入社会奠定基础[4]。

加强高水平的国际交流,邀请国内外知名专家和学者作为兼职教授,请他们到学校来做学术报告或合作科研等活动,学院在学术交流和科研合作方面制定计划,不断推进我院教学与科研工作健康地向前发展。

4.师资队伍建设及校企合作培养人才

积极关心和培养中青年教师,有计划的分批分期将优秀中青年骨干教师送到国内外一流大学、国家重点实验室、相关重点学科学习访问、进修或攻读博士学位,积极实施青年教师“博士化”计划,尽快提高他们的学术水平和创新能力。

根据学校高层次人才引进原则,积极引进国内外学术优秀人才及具有企业工程应用背景的高学历人才,并力所能及地做到“感情留人,事业留人,待遇留人”,认真细致的做好人才的稳定工作,尽快使他们成为国内具有学术优势、国际有一定影响的学术带头人和具有发展前途的学术骨干。建立一支引得进、留得住、打得响的高素质教师队伍。

我们积极利用社会力量办学,采取“走出去,请进来”的办法,注重聘用企业高级工程技术人员作为兼职教师或客座教授,定期来我系给学生们作最新行业发展及专业研究方面的报告,同时,这些校外的专家、学者还经常帮助一些学生在企业做毕业实习和指导学生的毕业论文工作,使学生们开阔了眼界,增长了书本外的知识,增强了未来适应社会的信心。

参考文献:

[1] 曹新鑫,何小芳,管学茂,等. 关于材料科学与工程专业特色课程群建设的思考[J].重庆科技学院学报(社会科学版),2010,5:177～178

[2] 刘智运. 论学科专业课程建设的关系[J]. 大学教育科学,2004,85(1):16~19

[3] 王雅珍,祖立武,张小舟. 高分子材料与工程专业教学改革探索与实践[J].高师理科学刊,2007,27(1):61～64.

粉体工业静电防护技术 篇4

随着全球工业化进程的加快，生产粉尘、粉末和颗粒状物质的粉体工业迅猛发展。改革开放二十多年来，我国粉体工业生产规模迅速扩大，发展速度前所未有。以石油化工行业聚烯烃粉体生产为例，1982 年全国年产量不足100 万吨，1989 年则突破了200 万吨大关，1996 年年产量达到320 万吨;近年来，我国合成树脂和塑料年产量仍然保持20 %的增长速度。如煤炭、冶金、纺织、粮食等其他行业涉及粉体工业的生产规模亦以年产量增长速度超过15 %的态势呈规模化发展趋势。与此同时，粉体工业生产中引起的爆炸和燃烧事故也迅速增多。如哈尔滨亚麻厂粉尘爆炸事故，广东新港粮食储仓粉体爆炸事故均发生在20 世纪80 年代初期.据统计资料分析，随着我国经济发展速度的加快，粉体爆炸与燃烧事故越来越频繁。以粉尘爆炸统计数据资料为例，我国自1960 年至1989 年30 年间，发生粉尘爆炸次数按年代百分比的分布为: 1960年至1969 年占总数的9。37 %，1970 年至1979 年占总数的3。13 %，1980 年至1989 年占总数的87.50 %，此数据充分表明，粉体事故与国民经济发展规模之间有着密切的联系，同时说明了粉体防灾技术研究的意义与作用。上述粉体灾害事故和其发展态势引起了人们的极大关注，对我国经济发展和社会稳定造成了较大的影响，我国政府和有关行业主管部门及相关的研究单位对此类灾害事故高度重视[1，3 ]。这些因素对促进和加强我国粉体工业防灾技术研究工作，对防粉体灾害技术的应用推广和进一步落实企业的专项整改与治理措施等方面都起到了积极的推动作用.统计资料显示，粉体工业灾害事故与粉体静电密切相关[1 —4]。从一组引起粉体灾害事故(粉尘爆炸)的点火源数据统计百分比分析可知: 由热表面引爆的占38。71 %，由明火引爆的占32。26 %，静电与电气火花引爆的占16。13 %，其他因素引爆的占12。90 %。由可见，在粉体工业生产过程中，由于静电与电气火花引起粉尘爆炸事故的比例是比较大的，其中静电的危害已到了必须引起人们高度重视的程度。事实上，在人类现代生产和生活活动中，静电存在的范围很广。静电在给我们带来极大便利的同时(如静电复印、静电除尘、静电喷涂、静电成像、静电生物效应和纳米材料制备等)，也给人类社会带来了各种各样的麻烦甚至引发灾难性事故。正因为静电事故遍及矿业、冶金、石油化工、纺织、医药、粮食加工与储运、交通运输、航天航空、通讯与军工等行业，所以对静电灾害与防护技术的研究一直是现代社会关注的热点课题之一 在众多的静电研究课题中，由于粉体静电灾害问题涉及专业面广，致灾过程复杂，模拟实验难度大，费用高等原因，所以相对于现代静电研究的其他领域而言，粉体静电灾害的研究在其起电机理、致灾条件和防范对策等方面相对滞后。虽粉体静电防灾领域需要研究解决的问题很多，但自20 世纪50 年代以来，这方面的研究进展一直不大，其研究水平远远落后于液体防静电灾害等技术研究，与实际要求存在较大的差距。然而从Maurer(1979 年)报道了粉体大料仓堆表面放电现象之后，以瑞士Ci2ba 公司和英国南开普敦大学为中心，在国际上迅速形成了一个以粉体工业生产实际尺度的粉体静电放电问题为研究对象的研究热点，并进一步提出了一些与生产过程密切相关的防静电规范或建议。与此同时，德国、瑞士、挪威、波兰及前苏联等欧洲防爆委员会成员国，以及我国、日本、美国等国的相关部门和研究单位，也相继开展了超细粉尘和非标准条件下的燃烧与爆炸实验，静电场分析计算及体起电、放电等理论与实验研究工作。这些研究工作极大地丰富了人们对粉体静电 危险性的认识，特别是与工业控制和安全评价有关的粉体静电研究结果，对粉体工业安全生产具有十分重要的意义和指导作用 2 粉体静电灾害概况 现代工业生产过程中的粉体是粉尘、粉末及颗粒状物质的总称。一般而言，我们将粒径d > 0.5mm的物质称作颗粒;将粒径d 在100μm和0。5mm之间的物质称作粉末;将粒径d < 100μm的物质称作粉尘，此类物质基本上具有正常状态下在空气中飘扬的特征。统计与实验资料表明，可燃性粉尘大多数属易燃易爆物质，其燃爆事故占粉体灾害事故的60 %以上，粉尘本身的静电放电火花即可成为其点火源。可燃性粉末与颗粒虽然能燃烧，但是一般难以形成爆炸性混合物，然而其静电放电或热表面等危险因素可能成为可燃气、可燃粉尘及其杂混合物等易燃易爆物质的点火源。对于非可燃性粉体而言，其静电危险性主要表现在这类物质的静电放电火花可能成为生产过程中其他易燃易爆物质的点火源[2，4]。粉末与颗粒粉体粒径较大，在生产过程中单个粒子的带电量也大。在一定的条件下，聚合物粉体大料仓中可能发生堆表面放电和传播型刷形放电，此类静电放电的放电能量大，足可以点燃一般的可燃粉尘。大多数粉尘中固体物质的粒径约为1 —100μm，含分子数为104 —106，因此小而轻且比表面积大。带静电的粉尘可漂浮于空气中，也极易吸附在物体表面上。漂浮的带电粉尘的灾害可以产生闪电状静电放电，如火山喷发时可经常看到的火山灰粉尘闪电;大气中悬浮的尘埃使大气能见度大为降低，容易引起各类交通事故。带电粉尘的吸附性亦有较大的危害，粉尘吸附在植物的叶面和干上会影响其生长，给人类的农业、林果业生产等造成损失;金属表面的粉尘可促使其加速腐蚀;粉尘的沉降或吸附使各种建筑物遭受污染、腐蚀加速，使许多传感器中毒、失效，使诸如集成电路等高精细材料、器件无法制造和使用，可以导致机器停运、电路短路等事故。如此种种，关于粉体静电的危害不胜枚举，而其中最具破坏性和灾难性的就是粉尘爆炸，它会造成突发的、一次性损失严重的人身伤亡和财产损失等事故.德国自1940 年起的50 年间，与静电相关的重大粉体爆炸事故有斗式提升机滑槽中燕麦糠爆炸，碾碎机内的制粉半成品爆炸，斗式提升机滑槽中高粱(含粉尘多)爆炸，斗式提升机中高粱粒爆炸和粉体料仓中高分子聚合物爆炸。据日本劳动省产业安全技术研究所对1952 年至1975 年期间日本所发生的177 起损失较为严重的粉尘爆炸事故点火源的调查分析可知，最多的点火原因是机件或装置中的金属异物摩擦撞击而引起的热表面和撞击火花(37起)，其次就是静电引起的放电火花(29 起)。因此，引起粉体爆炸的原因与静电放电有一定的联系.料仓燃爆事故统计资料可知，这40 起粉体料仓燃爆事故的点火源，基本可以认定是粉体自身的静电放电火花。事实上有关高分子聚合粉体的静电危险性研究，尤其是粉体气力输送和粉体大料仓的防静电危害问题是近二十年来国际范围内静电防灾研究领域中的热门课题之一。聚合物粉体绝缘程度很高，生产过程中粉体的起电量可达104 C/ kg，静电泄漏缓慢，生产过程中的粉体往往会积聚很高的电荷。这种静电的积聚会给粉体生产带来两类危害:一类是带电粉体粒子之间，粒子与管壁、容器之间的静电力作用，给生产带来各种障碍与危害;另一类是电荷的积累能够产生很强的静电场，从而导致各种类型的静电放电发生，或引起火灾和爆炸事故，或引起人体电击事故而导致二次事故发生.粉体静电危险性评价方法研究发展

概况

通过对静电放电火花实际点燃危险性量化分析研究，近年来已经取得了可用于对粉体实际生产过程中的静电危险性进行定量评价的研究结果。建立在静电点燃现实危险性基础上的静电放电火花点燃危险性的量化分析理论，相关的静电参数测试方法，生产工艺过程现场数据取样和评价技术，促使粉体善，有关研究和管理部门已经将相关研究结果应用于具体的生产实际

3.1 粉体起电机理研究

粉体是特殊状态下的固体物质，其静电起电过程遵循固体的接触起电规律。目前，人们对金属-金属、金属-半导体的接触起电机理研究结果已经达到实用化水平的要求。然而对于高分子聚合物材料的起电机理研究而言，由于聚合物内部结构的复杂性以及起电机理性实验结果的重复性不好等原因，对其起电机理性的研究方法尚在不断的完善之中[8]。然而，对于粉体工业生产中粉体气力输送的粉体静电起电问题，人们结合两相流动力学理论、电介质物理学、粒子介质之间的相互作用等理论研究，年来已经分析总结出了一些可用于实际分析的有关粉体起电的半经验公式[9，10]。

3.2 粉体静电参数测试技术

有关粉体状物质的静电参数(电阻率ρ、介电常数ε、电位U、电场强度E 及电荷密度q 等)的实验室测量，从理论分析到测试方法都比较成熟，有些测试方法和具备防爆条件的测量仪表也已经直接应用于实际生产场所的粉体静电参数的数据测试[11，12]。近年来，人们可以在工尺度的大型粉体模拟装置上设置粉体静电试验，方便、高效地测试粉体静电参数，便利开发、试用防粉体静电灾害的技术和产品，这为进一步深入研究与解决粉体静电问题提供了实验手段上的保证。相关科研单位研究开发的非接触式管道粉体静电电荷密度测量仪，在完善防爆设计后即可应用于粉体工业输送与储运系统的粉体静电监测[13]。粉体、聚合物电荷空间分布的测量方法研究也有了较好的研究结果。几十年来，人们已经积累了大量的有关粉体方面的静电参数，从相关的基本静电参数到实际生产中不同性质的粉体起电参数都比较全面.3.3 粉体起电、放电特性(包括辐射场)研究

人们在小、中、大型粉体静电模拟实验装置上，尤其是工业尺度的粉体模拟试验装置上成功地模拟了电晕放电、刷形放电、火花放电、堆表面放电及传播型刷形放电等典型的粉体生产中存在的静电放电现象，使有关粉体的静电危险性研究水平上了一个大的台阶[14，15]。在这些极为有效的试验设备上，人们成功地测定了粉体的起电量，研究了粉体的起电特性，综合研究了粉体料仓的粉体电荷密度、荷质比、放电电荷转移量、料仓内的电势分布与电场强度的分布特点、粉体放电间隔特点、放电信号频率等对于粉体静电危险性评估有重要价值的相关物理量[7，16，17]。通过大量的静电放电测试试验，统计、研究、探讨和总结了粉体工业生产中可能发生的不同类型静电放电的辐射场特性，其试验研究数据为粉体工业生产现场检测与监测仪表的电磁兼容性设计提供了有价值的数据;同时结合气体等介质的击穿理论，建立了典型的静电放电理论模型

3.4 可燃物质的燃爆特性研究

自20 世纪80 年代中、后期起，标准条件下(标准实验样品、标准测试条件)可燃粉体、可燃气仪器，已经基本上达到了国际标准化。所以有关可燃物在标准状态下的最小点火能、爆炸极限、最小点燃温度、最大实验安全间隙、自燃温度、闪点、极限氧浓度等数据，基本上都可以从标准出版物上引用。近年来，有关非标准状态和非标准条件下的可燃物质燃爆参数研究，人们从实验和理论分析两方面作了不少的工作[19，24，33]。非标准粒径粉尘最小点火能与粉尘中位粒径的关系，杂混合物最小点火能与可燃气体浓度的关系，粉尘最小点火能与温度的关系，负压条件下可燃物爆炸极限的变化，高压条件下可燃物自燃温度的变化等对实际安全评价有重要意义的燃爆参数数据库，也在积极完善之中.结合气力两相流动理论和燃烧反应动力学理论，借鉴比较完善的可燃气体燃烧理论，初步建立了粉尘、杂混合物(粉尘，可燃气)燃烧理论分析模型

3.5 粉体静电放电点燃特性研究

粉体静电放电火花的火花时间特性和空间分布特征、形成放电的初始条件和放电电荷转移量等点火源因素，可燃物质的燃爆特性参数都对粉体静电放电的实际点燃能力有影响。近年来，人们将研究重点放在粉体料仓内粉体静电放电的点燃能力研究上，但由于研究手段上的原因，只能将料仓内的放电通过环形收集电极引出，在放电区以外的极隙内做点燃实验。这样由实验所得到的放电相当能量Eeq，在一定程度上反映了粉体放电的点燃能力。实验与实际静电点燃事例统计表明，粉体生产过程中可能产生静电灾害的静电放电形态和有效点燃能量Eef大致如下:(1)电晕放电的有效点燃能量不大于01025mJ;(2)普通的刷形放电单次放电的有效点燃能量可达3mJ;(3)料仓粉体堆表面放电单次放电的有效点燃能量可达10mJ;(4)人体放电单次电的有效点燃能量可达30mJ;(5)火花放电单次放电的有效点燃能量可达1J;(6)传播型刷形放电单次放电的有效点燃能量可达10J。有关粉体静电放

电实际点燃可燃物的过程研究，对于了解和研究放电火花的现实点燃能力是有重要意义的。结合介质击穿过程的放电物理学和燃烧学理论，关于气体、粉尘的静电放电火花点火模型理论和气体、粉尘的点燃过程研究近年来也取得了一些较好的研究结果

3.6 粉体静电放电危险性评估与仿真模拟

有关粉体静电放电危险性研究主要侧重于引发火灾、爆炸事故的危险性方面。对于规模一般都比较大的粉体生产而言，这种危险性主要反映在火灾、爆炸事故的敏感性参数上，也就是可燃物被静电放电火花引燃的特性上。这样，由带电粉体物质的基本静电参数、粉体量大小及边界条件所确定的带电粉体空间可能产生的静电放电类型、静电放电火花的点燃能力，结合产生静电放电场所的可燃物燃爆特性，即可以定量评价粉体静电放电的实际危险性.通过研究典型静电放电火花的实际点燃能力，对实际生产工艺过程中的静电放电火花的点燃危险性进行定量评价。静电放电火花的放电相当能量、放电火花空间分布范围和放电火花持续时间，决定了静电放电火花实际点燃可燃物的可能性大小，因此不同类型的静电放电火花点燃可燃物的差异性很大.根据数据序列理论分析，引入静电放电火花点火源序列和可燃物危险性序列之间存在的关联性，反映了静电放

电火花点燃可燃物的危险程度，可用于对静电放电火花的实际点燃危险性进行量化评价。有关粉体的电荷弛豫理论和粉体静电场分析模型研究以及电场仿真和计算分析，一直是静电防灾研究的前沿热点课题。近年来由于粉体静电检测技术的发展，大力促进和支持了粉体静电仿真技术的研究，使得粉体静电仿真技术研究成果离实用阶段越来越近[7，24，25]。同时，有关粉体静电模拟仿真的研究结果也弥补了实际粉体静电测量技术的不足和现场测量场所的限制(如引入测量仪器对原静电场的影响等)，可以帮助人们更详细地了解带电粉体空间的电场变化等情况.粉体防静电灾害技术发展概况

粉体防静电灾害技术的要点在于经济实用，根据危险性定量评估的结果选用相应的防护技术是防灾减灾工作的根本内容和努力方向。我们知道，粉体工业生产中可能产生静电灾害的典型静电放电类型有6 种:(1)电晕放电;(2)普通刷形放电;(3)料仓堆表面放电;(4)人体放电;(5)火花放电;(6)传播型刷形放电。理论分析与实验结果表明，这些不同形态的放电形式点燃可燃物的能力大不相同。另一方面，可能存在于粉体工业实际生产中的可燃物大多为可燃粉体(颗粒、粉末、粉尘)、可燃气以及它们的杂混合物，这些可燃物的被点燃性能差异也很大。所以，我们在研究开发防粉体静电灾害技术的具体工作中，应在粉体静电危险性合理分级的基础上，遵从既科学合理、又经济实用的防灾减灾原则

4.1 粉体静电危险性分级方法

有关粉体静电危险性分级，有别于静电危险场所的分级。粉体危险性分级的目的在于结合安全经济学原理，为存在粉体静电危险性场所选用既经济实用又科学合理的防静电灾害措施提供科学依据.这方面的工作可参照相关的静电危险场所分级方法[24，26，41，44]，以粉体静电实际危险性为基础，结合粉体静电可能造成的灾害程度作为分级依据来进行

4.2 防粉体静电灾害技术

粉体静电防灾的应用技术研究，目前从相关物体的静电泄漏技术、粉体静电消电技术、泄爆技术、阻爆与隔爆技术，到可燃物质的惰化与抑爆技术等，基本上能够满足实际生产的需要。但有时候由于片面追求经济效益等方面的原因，有些成熟的粉体静电防灾技术并不能被粉体生产厂家所接受;或由于维护方面的原因，有些已选用的粉体静电防灾设施，并未在实际生产中发挥其应有的作用;所以粉体静电防灾技术的研究与开发任重道远，新技术的开发与已有技术的优化，尚有很多工作要做。概括地说，有关粉体生产防静电灾害应用技术的研究开发，从控制危害源因素和防灾减灾作用的角度考虑，已经形成了以下两大类以降低粉体静电危险性为目的的工程应用技术[27 —33]：一类是以控制粉体静电起电量(改变接触起电介质的材料特性，采用粉体消电措施，采取防静电涂层与合理接地加速静电泄放等)、控制放电类型(如防止形成击穿场强较大的绝缘层，避免产生能量大的传播型刷形放电等)为目的所采用的技术;另一类是以控制可燃物点燃特性(如加强通风，可燃气置换，控制切粒所形成的细微粉尘，注入惰性物质等)为目标而采取的技术措施。目前我国有关部门正在计划制定有关的粉体防静电灾害操作规程[34 —37]。值得注意的是，在特定条件下，由于粉体生产过程的工艺条件或环境条件的限制，粉体静电放电火花有可能点燃、引爆可燃物质，为了减缓灾害的破坏性，防止灾害的进一步扩大，应采取防灾减灾措施。主要的应用技术有阻爆、隔爆、泄爆和抑爆技术等，以及与之配套的可燃气、可燃粉尘的温度和压力等监测监控技术。目前，静电源监测相结合的粉体静电防爆减灾控制体系正在完善之中结束语

综上所述，有关粉体静电危险性与防静电灾害技术方面的研究工作涉及面广、任务繁杂，难度较大。本文仅就其中的有关方面，结合作者近年来所做的有关具体研究工作，进行了相关专题的调查研究与统计分析，介绍了粉体工业生产中的静电危险性分析方法与防静电灾害技术的最新研究成果，有关研究结果近年来已经陆续应用于粉体工业的具体生产实际，解决了企业安全生产中的有关技术难题，取得了良好的社会效益与经济效益。作者希望有关粉体静电测试研究方法、粉体静电起电与放电研究方法、粉体静电危险性评价方法、粉体静电危险性分级理论与粉体防静电灾害技术措施等重要研究结果，在今后的研究与具体应用实践工作中得到进一步的完善、补充和检验。

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实验讲义 无机粉体的水热合成 篇5

一、实验目的

1．了解无机粉体水热合成的原理； 2．掌握无机粉体水热合成的方法。

二、基本原理

纳米材料是纳米粉料经过烧结或复合得到的块体材料，可以是金属、陶瓷或复合材料。纳米材料具有传统晶体材料和非晶体材料都不具备的优良特性，例如纳米金属的高强度、高电导率和高弹性；纳米陶瓷的超塑性、低温烧结性等。自1984年德国科学家H.Gleiter教授及合作者制造出一-9种由纳米(lnm=10m)量级的超细粉料压制烧结而成的固体材料，到现在短短20多年里，包括纳米材料在内的纳米科技引起了世界科技先进国家的高度重视，并已成为连接多学科、迅速发展的研究热点。

制备纳米材料的先决条件是制出尺度在1一100nm的粉末。目前，制备纳米粉末的方法可分3大类：物理方法、化学方法和物理化学综合法。化学方法主要包括水热法、水解法、溶融法和溶胶一凝胶法等。其中，用水热法制备纳米粉体技术越来越引起人们的关注。

水热法(Hydrothermal Process)，又名热液法，是指在密封压力容器中，以水(或其它溶剂)作为溶媒(也可以是固相成份之一)，在高温(>100℃)、高压(>9.81MPa)的条件下，研究、加工材料的方法。水热法最早是在地质学领域开始应用的，之后应用于基础研究，如物理化学(相平衡、溶解度测定、矿化剂作用、反应动力学、物理缺陷等)；地球化学、矿物学与岩石学(高温高压矿物相平衡、实验岩石学、热液活动、成岩成矿模拟、地热利用等)；在应用研究，如材料制备(单晶生长、粉体制备、薄膜和纤维制备、材料合成、材料处理等)；材料加工(成型一烧结、刻蚀一抛光、陶瓷表面金属化等)；材料评价(器皿水热腐蚀与破坏)；废物处理(垃圾再生、核废料固定等)以及新型建筑材料等众多方面得到广泛的应用和发展。

1.水热法原理和装置（1）水热法原理

水热法制备纳米粉体的化学反应过程是在流体参与的高压容器中进行。高温时，密封容器中一定填充度的溶媒膨胀，充满整个容器，从而产生很高的压力。外加压式高压釜则通过管道输人高压流体产生高压。为使反应较快和较充分进行，通常还需在高压釜中加人各种矿化剂。水热法一般以氧化物或氢氧化物作为前驱体，它们在加热过程中的溶解度随温度升高而增加，最终导致溶液过饱和并逐步形成更稳定的氧化物新相。反应过程的驱动力是最后可溶的前驱物或中间产物与稳定氧化物之间的溶解度差。严格说来，水热技术中几种重要的纳米粉体制备方法或反应过程的原理并不完全相同，即并非都可用这种“溶解一沉淀”机理来解释。反应过程中有关矿化剂的作用、中间产物和反应条件对产物的影响等问题尚不十分清楚。

水热法最大的特点在于反应发生在高温高压流体中，因而溶媒的性质和高压反应装置的研究非常重要。水热法借助高压釜可以获得通常条件下难以获得的几个纳米到几十纳米的粉末。水热法制得的粉体粒度分布窄，团聚程度低，成份纯净，而且制备过程污染小、成本低。

（2）高压釜

水热法的必备装置是高压反应器一高压釜。高压釜按压力来源可分内加压式和外加压式。内加压是靠釜内一定填充度的溶媒在高温时膨胀产生压力，而外加压式则靠高压泵将气体或液体打人高压釜产生压力。高压釜按操作方式可分间歇式和连续式。间歇式是在冷却减压后得到产物，而连续式可不必完全冷却减压，反应过程是连续循环的。间歇式和连续式水热反应装置分别示于图1、2。

粉体制备常用间隙式高压釜，高压釜材料的选用情况对于温度、压力、耐腐蚀和水热反应时间的限制起决定作用。高压釜的寿命、可靠程度依赖于高压釜设计、选用材料成份和性质、使用温度和压力以及使用频率等。高压釜常用的材料是低碳钢、不锈钢、合金钢等。为了防止内封流体对釜腔的污染，一般高压釜还针对不同的溶媒加相应的防腐内衬，如A1203衬、R衬，Teflon衬等。

2.水热法制备纳米陶瓷粉体方法

水热过程制备纳米陶瓷粉体有许多不同的途径，它们主要有：水热沉淀、水热结晶、水热合成、水热分解、反应电极埋弧和水热机械一化学反应。

水热法制粉工艺具有能耗低、污染小、产量较高、投资较少等特点，而且制备出的粉体具有高纯、超细、自由流动、粒径分布窄、颗粒团聚程度轻、晶体发育完整并具有良好的烧结活性等许多优异性能。

（1）水热沉淀(Hydrothermal Precipitation)水热沉淀是水热法中最常用的方法。制粉过程通过在高压釜中的可溶性盐或化合物与加入的各种沉淀剂反应，形成不溶性氧化物和含氧盐的沉淀。操作方式可以是间歇的，也可以是连续的。制粉过程可以在氧化、还原或惰性气氛中进行。

（2）水热结晶法（Hydrothermal Crystallization）

水热结晶法是以非晶态氢氧化物、氧化物或水凝胶作为前驱物，在水热条件下结晶成新的氧化物晶粒。这种方法，可以避免沉淀一锻烧和溶胶一凝胶法制得的无定形纳米粉体的团聚，而且也可作为用这两种方法或其它方法制备的粉体解团聚的后续处理的重要步骤。

(3)水热合成（Hydrothermal Synthesis）

水热合成是将二种或二种以上成份的氧化物、氢氧化物、含氧盐或其它化合物在水热条件下处理，重新生成一种或多种氧化物、含氧盐的方法。

(4)水热分解（Hydrothermal Decomposition）

氢氧化物或含氧盐在酸或碱溶液中，水热条件下分解，形成氧化物粉体；或氧化物在酸或碱溶液中再分散为细粉的过程称水热分解。

（5）水热机械一化学反应（Hydrothermal Mechanochemical Reaction）

水热机械一化学反应是一种在水热条件下，通过安装在高压釜上的搅拌棒搅动放置于高压釜中的球体和溶媒，并同时实现化学反应生成微粉粒子的方法。借助机械搅拌可以防止生成的微晶过分长大。

水热法是制备高质量纳米陶瓷粉体极有应用前景的方法。业已通过水热法，在不同温度、压力、溶媒和矿化剂条件下实现了多种不同成份纳米级陶瓷粉体制备。但总体说来，水热条件下纳米粉体制备工艺，包括粉末粒径及分布的有效控制、粉末的分散和表面处理，以及纳米粉末形成过程与机理、水热法纳米材料合成等问题仍在探索和发展阶段。在另一方面，受水热过程物理化学变化的限制，目前制出的纳米粉体多是氧化物、含氧盐以及羟基化合物。研究广泛用于现代陶瓷材料的氮化物、碳化物、硼化物、硅化物等纳米粉体的水热法原理和工艺有重要意义。

三、实验器材

1.高压水热反应器（水热釜）1个 2.磁力搅拌器 1台

3.烧杯 400ml 1只；200ml 1只 4.量筒 100ml 1只 5.移液管 20ml 1支

6.胶头滴管、玻璃棒 各1支 7.洗瓶 1个

8.电热鼓风干燥箱（最高温度300℃）

9.抽滤装置（抽滤漏斗、抽滤瓶、真空泵）1套

高压水热反应器（水热釜）

四、实验步骤

本实验在吸取前人研究成果的基础上，以廉价的钛酸四丁酯(Ti(C4H9O)4)，氢氧化钡(Ba(OH)2·8H2O)为原料，通过加入氢氧化钠（NaOH）作为矿化剂，利用水热反应方法来制备纳米钛酸钡粉体。

如果条件允许，可进一步研究各种反应因素对产品的影响规律，以及通过透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）等检测手段对产品晶体进行分析。

1.水热反应制备钛酸钡纳米粉体流程图 2.操作步骤

按照钛钡之摩尔比为1：1进行实验，计算各原料的用量；NaOH浓度为2~10mol/L，本实验可选用10mol/L。

（1）称取一定量的八水合氢氧化钡和氢氧化钠；加到200ml烧杯中，加入50ml蒸馏水，搅拌使之尽可能溶解；

（2）量取40ml无水乙醇，加入到400ml烧杯中（洁净干燥的烧杯，先放入1枚搅拌磁子）；（3）用移液管量取一定量的钛酸四丁酯溶液，加到盛有40ml无水乙醇的烧杯中，置于磁力搅拌器上，开启磁力搅拌器，调节适当的转速，进行强力搅拌；

（4）在强力搅拌状态下，将氢氧化钡与氢氧化钠混合溶液，逐次小量滴加到钛酸四丁酯乙醇溶液中，控制滴加速度，控制沉淀物的产生；

（5）在将氢氧化钡与氢氧化钠混合溶液全部滴加完毕后，继续强力搅拌，直至得到均匀的混合溶液；

（6）测试溶液的PH值，要求溶液PH值在12以上（必要时添加氢氧化钠调节）；

（7）根据高压水热反应器（水热釜）容量，将溶液倒入其内腔中，要求填充率在70%左右；不足时，可加入蒸馏水补充，但应注意保持溶液PH值在12以上；

（8）将反应釜内腔装入反应釜金属壳体中，按反应釜结构要求装好、旋紧上盖；

（9）将装好溶液的反应釜平稳地放到干燥箱中，调节温度220℃，开始加热，在220℃保温2hr；然后关闭烘箱电源；

（10）反应完毕，取出水热釜，冷却到室温后，打开上盖，取出内胆；

（11）将水热反应完毕的溶液倒入真空抽滤装置（铺好滤纸）的抽滤漏斗中，利用36%醋酸洗滤3—5遍，然后用蒸馏水清洗直中性；

（12）将洗滤得到的产物，小心移入小烧杯中，自然干燥或烘干即得到钛酸钡纳米粉体。

必要时，可通过XRD、SEM、TEM以及粒度分析等手段，对水热反应得到的钛酸钡纳米粉体进行分析表征。

五、注意事项

1.实验过程中要认真、仔细操作；

2.要严格按照高压水热反应器（水热釜）的结构要求进行装配； 3.注意反应釜内溶液的添加量一般不得超过其总有效容积的90%；

4.水热反应为高压反应，要注意反应温度的控制及反应体系的选择，确保整个反应系统的安全控制。

六、思考题

1.水热法合成无机材料粉体的主要特点是什么？

粉体工程基础 篇6

2017年是公司发展的关键之年，粉体材料厂作为公司主要的商品量生产部门，严格执行公司领导指示和会议决定，真抓实干，不断推进落实产量、质量、安全、环保等各方面目标指标要求，较好的实现了公司各项目标和要求。具体情况总结如下：

一、生产计划完成情况

2017年，公司下达我厂生产计划48000吨，截止12月底，实际完成产量48440.262吨，完成全年计划的100.917%。2016年12月底完成产量为48242.15吨。2017年较2016年同期相比增加产量198.112吨。其中优质瓷土粉计划39170吨，实际完成 39486.67吨，完成全年计划的100.808%；造纸涂布粉计划2900吨，实际完成 2952.825吨，完成全年计划的 101.822%；焙烧系列计划1630吨，实际完成1952.467吨，完成全年计划的 119.783%；普通粉产品计划 4300吨，实际完成4048.3吨，完成全年计划的 94.147%。

目前，厂部积极利用厂内空间，通过合理调整生产品种、合理划分产品堆放分布等方式，尽最大可能保证产品的库存量。

二、加强设备管理，强化安全生产意识

2017年粉体材料厂继续认真落实公司安全生产管理要求，努力提高现场设备管理水平，认真贯彻公司对安全生产工作的一系列指示精神，牢牢把握安全生产工作原则，始终坚持“安全第一、预防为主”的方针。

一是加强设备基础监查，认真开展设备安全、现场自查、互查、监查、推动日常检查、监督的有效实施。厂管理技术人员坚持每周组织一次自查，排查安全隐患，并形成纪录。

二是在抓好设备安全管理的基础上，加强员工的安全培训，有效维护和保养设备。定期对职工进行安全培训，对职工的不安全操作习惯予以纠正。要求职工牢牢树立“三不伤害”安全生产理念，不伤害自己、不伤害他人、同时也不被他人伤害。

三是突出重点安全环节。针对粉体材料厂的一级危险源——天然气的使用，我厂领导丁厂高度重视，亲自组织生产一线人员到生产现场示范气阀开关步骤，并要求生产工作人员逐一动手学习，确保正确掌握气源切断技术，做到发生紧急意外时能熟练操作。积极组织一级危险源应急救援演练，全厂近40名职工参加了桌面推演活动，进一步强化加深了职工对一级危险源的重视程度和操作技能。

四是强化民工安全生产管理。对外来务工人员的安全意识培训：我厂一直作为重点来关注。2017年节后复工及时开展安全生产培训，签订责任书，《外来务工人员安全生产责任书》、《外来务工人员子女监护责任书》、《外来务工人员宿舍管理条例》。同时对其它部门和往年的几起典型事故进行了分析讲解，对全厂外来务工人员起到了良好的警示作用。夏季和节假日前后是事故发生的高峰期，我厂及时开展防暑降温培训，加强节假日前后的安全督查力度。夏季是高温中暑事故的高峰期，对外来务工人员讲解如何防暑降温的知识，并发放防暑降温药，开放空调休息室。厂部还要求各级管理人员，密切注重现场管理，督促民工佩戴安全劳动防护用品，严格要求民工遵守设备操作规章制度，发现隐患及时汇报机修工，严禁擅自操作。在加强现场细节管理和监督力度，同时做好相应的防暑降温、矛盾调解工作，在现有条件下尽一切可能保障外来务工人员的工作环境安全和工作心态的稳定，从多方面保障安全生产。

三、加强过程控制，保障质量稳定

随着公司原料品位下降，为了保证我公司优良的产品质量声誉，我厂在落实公司会议确定的磨粉原料配方的基础上，根据可用原料的种类，按照公司工艺文件要求灵活组织生产，把抓好抓实过程控制作为质量工作的重点。从提高全体员工的岗位责任心、严格落实岗位作业要求、对各质量控制点及时抽查和监督三个方面抓好质量管理工作。在质量管理过程中，通过将每个环节的质量管理责任落实到人，有效地把质量管理机制落实到生产过程控制。2017年全年过程控制合格率达到了99.5%以上，质量更加稳定。

四、加强成本控制、开展劳动竞赛

为更有效地做好降本增效工作，结合粉体材料厂生产实际情况，我厂从影响生产成本的关键——生产电耗抓起。厂部明确要求：各生产车间要充分用足“谷”电再开平电，在“平”电不足的情况下再进行“峰”电补充。通过与市场营销部的积极沟通，提前安排生产计划，有效实现了避“峰”生产和用足“谷”电的要求。通过以上的具体措施，用电成本的控制达到了良好的效果。2017年全年产量完成48440.262吨，全厂总电耗2061990.8度，其中峰7.48%，谷46.37%，平46.15%，较好的完成了公司“峰谷平”指标要求。2017年实际单位电耗成本42.57度/吨，较2016年单位电耗成本40.16度/吨，上升了2.41度/吨。全年天然气消耗643059立方，单位消耗13.28立方/吨。（全厂天然气总量643059立方，去年同期天然气用量517419立方，与去年同期相比增加了125640立方，增加的主要原因是4号强力干燥设备产能增加和原料水分波动。）

矿配材物料成本总消耗 555848.2元，单位矿配材料（不含化工、编织袋）成本12.9元/吨。较好的完成了公司要求的各项成本指标。厂工会结合本部门实际，以提高生产效率，为主导思想，依靠党组织和工会，吸取去年成功的工作经验，继续积极开展劳动竞赛活动和“质量月”活动，六月份制定开展了“保质量，争产量”劳动竞赛活动，竞赛时间两个月。竞赛期间，三个班组生产的粉产品各项理化指标都在正常范围值之内。班组成员工作积极，配合默契，赛出了“你追我赶”的干劲来。机修班和电工班也全力配合磨粉生产竞赛，出现设备问题及时维修。考核成员分别对三个班的产品质量、产品产量、安全、环境卫生等进行定期检查，并记录好相应的扣分事由，为竞赛结束考核评分打好坚实的基础。此次竞赛达到了预期的目标，也为本部门顺利完成生产任务作出了应有的贡献。

五、加强环境管理，落实文明生产

为全面提升管理水平，对生产过程中的人、物、环境联系进行正确的协调和管理，确保安全文明生产，切实落实公司文明生产精神。我厂对所辖区域进行职责细分，制定并提请公司审核批准《粉体厂文明生产管理制度》，成立以厂领导为组长的安全文明生产管理机构，对各自职责和区域划分进行讨论确立，对文明生产管理的内容进行分解和告知，在后期的安全检查中发现违规行为，按公司考核制度严格落实。经过半年的强化管理，厂区生产作业环境大大改观，职工文明生产意识有了提高，工作区域规划更加合理。

2018年工作计划与展望

根据公司目标与当前形势，总经2017年工作经验，我厂在策划部署2018年工作中将着力提高改进以下各项工作内容

1、加强协调，充分落实沟通措施，将公司生产经营情况和工作要求及时传达沟通到骨干人员，稳定职工队伍，充分发挥厂二级管理人员的岗位职能作用，不断提高生产现场执行力。

2、采取多种形式的安全教育，提高职工的安全意识和安全防范能力，加强对危险源的排查登记，采取有效的制度对危险源进行管理，坚持先安全，后生产的原则，坚决杜绝安全事故的发生。继续把稳质量、降成本，保安全作为核心工作来抓好抓实。

3、大力开展岗位培训活动，通过多种形式的培训学习和技能考评，培养出技术过硬、责任心强、团结实干的职工队伍，这是提高生产上台阶的基础。继续深化班组文化建设活动，以各种不同形式的集体活动增强员工的凝聚力。

4、不断完善管理制度，细化修订《文明生产》和《安全生产责任制》，合理组织、强化责任分工与协作，提高制度的执行力。合理协调组织人员，对码头外购原料的调拨和环境进行综合治理，加强全厂文明生产的制度执行，建立整洁良好的厂区环境。

5、切合公司十三五规划，持续优化粉体材料厂的装卸方式，优化车间降尘、除尘方案。

粉体材料厂

粉体工程基础 篇7

水泥搅拌法分为深层搅拌法 (湿法) 和粉体喷搅法 (干法) 。粉体喷搅法是利用深层搅拌机械将固化剂如水泥、石膏等均匀拌入软土中, 使二者发生化学反应从而在地基中形成抗压强度高并具有整体性、水稳定性的桩柱体。这种方法形成的桩柱体叫粉喷桩。喷粉桩与桩周软土形成复合地基来共同承担外部荷载。该项技术二次世界大战后, 美国最早研发出来, 上世纪六七十年代日本, 瑞典在此基础上改进并大量应用于港湾、堆石场等。1980年该项技术引进我国, 然后并得以广泛应用。粉体喷射法加固地基具有使用材料普通、施工机械简单、施工工期短、造价低, 对周围环境影响小, 加固效果好等特点。因此, 在三十多年的时间里, 在我国得到了广泛的应用, 先后运用到铁路、公路、市政、工业与民用建筑等多个行业。

根据该项技术的特点, 笔者在本地区一些水利工程设计中做了一些大胆尝试, 并取得了很好的效果。以下以某排涝闸站软土地基的处理为例, 以期在其他水利工程设计中有所借鉴。目前, 该工程已经投入运用多年, 运行情况良好。

1 工程地质条件

该工程位于淮河中游冲积阶地, 建筑物坐落在第三层粉质粘土上部, 建筑基础面以下2.5m为第四层淤泥质粉土, 土质较软, 厚0.5~1.5m, 其下为第五层细砂层和第六层中砂层, 厚度分别为3.0~5.5m、0.5~2.0m, 砂层以下为超固结粉质粘土。

闸站基础最大压力为130kPa。地层承载力特征值:第三层140kPa;第四层70kPa;第五层135kPa;第六层165kPa。含水量:第三层27.8%;第四层26.5%。砂层饱和。

2 设计与计算

根据工程的地质情况及建筑物地基应力复核, 基础第三层满足要求, 第四层为软弱土层, 对该层地基承载力复核, 该层不能满足基础要求。分析地质特点和施工工期需要, 采用水泥粉喷桩复核地基技术对该层进行加固处理。

计算按考虑地下水作用与不计地下水作用两种情况进行, 取最不利情况进行设计。搅拌桩复合地基承载力标准值应通过现场复合地基载荷试验确定, 也可按下式计算:

式中:fs, k—复合地基承载力标准值;m—面积置换率;Ap—桩的截面积;β—桩间土承载力折减系数;Rkd—单桩竖向承载力标准值, 应通过现场单桩载荷试验确定, 也可按下列二式计算, 取其中较小值:。式中:fcu, k—桩身试块无侧限抗压强度平均值;η—强度折减系数, 可取0.35~0.50;—桩周土的平均摩擦力;Up—桩周长;l—桩长;qp—桩端天然地基土承载力标准值;ɑ—桩端天然地基土承载力折减系数, 可取0.40~0.60。

粉喷桩设计直径为0.50m, 单桩截面积Ap=0.196m2;计算假定桩端深入承载力较高的第五层深度h3m。计算得到:单桩承担的处理面积Ac=0.879m2;相邻两根桩中心距B=0.94m;相对置换率22%;撞地部深入第五层深度h3=-1.10m, 为负值, 说明桩身假设长度偏大, 但依据《建筑地基基础设计规范》 (GB50007-2002) 桩端进入持力层1~3倍桩径的规定, 最终确定桩端进入第五层1.0m, 设计桩身长度为5.0m。若地层分布有变化可适当调整, 但始终要保证进入持力层1.0m。

3 原位试验

试验场地应选择在工程区附近或工程区内不需要地基加固的次要建筑物底部, 工程地质条件相同, 且要求试验桩不得少于3根。通过试验选择加固方法 (干喷法或湿喷法) , 选择最优水灰比, 水泥用量及其它外加剂含量。本工程根据场地情况试验桩选在工程区内闸前护底处。由于工程区土层天然含水量偏低, 粘粒含量较大, 采用湿喷法进行原位试验。试验拟定参数如下:

(1) 配合比。深层搅拌的浆液以425#普通硅酸盐水泥为主配制, 水泥用量为被加固土重的7%~15%, 水灰比0.45~0.50, 另掺木质素磺酸钙减水剂, 石膏掺量为水泥重量的2%。

(2) 配制与输送。搅拌灰浆时, 应先加水, 然后按水泥, 减水剂, 石膏顺序投料, 每次灰浆搅拌时间不得少于2min, 保证水泥浆充分均匀。水泥浆从灰浆拌合机倒入集料斗时, 必须过滤筛, 把水硬块剔除。集料斗容量一般为0.2m3, 这样就可以保证集料斗内始终保持适量的余浆, 不会因浆液供应不足而断桩, 也不会因浆液过多产生沉淀而引起浆液浓度不足。

通过试验确定本工程采用湿喷桩加固地基。采用参数:水泥用量30kg/m (桩身直径50cm) ;水灰比0.50;石膏掺量为水泥重量的2%;减水剂掺量为水泥量的0.2%。

4 施工

喷粉桩的施工根据所使用材料形式不同分为干喷法和湿喷法两种。根据本工程的地质情况及试验数据, 采用湿喷法进行地基加固。施工当中随时记录有关参数并进行认真分析, 严格控制水灰比, 控制搅拌杆的垂直偏差不超过1%, 桩基与桩位的对中误差不大于2cm。

施工步骤主要有: (1) 基础开挖至设计高程以上0.5m, 整平, 确定桩位。 (2) 设备就位。搅拌机的钻杆须垂直并对准桩位。 (3) 预搅下沉。顺时针预搅时不喷浆, 适量注水, 钻进深度达到设计值。 (4) 喷浆搅拌提升。在压力泵达到设定值, 确认浆液从搅拌叶的出浆口喷出后, 方可提升搅拌机, 以60r/min的转速和0.95m/min的速度均匀提升, 逆时针方向边搅拌边注浆, 直至提升至设计桩顶。 (5) 重复搅拌下沉。 (6) 重复搅拌提升至孔口。与 (4) 同样的方式再次逆时针方向提升注浆至孔口, 起始注浆的位置以设计二次注浆高程以下0.5m为准。 (7) 本次作业完成, 移至下一桩位。

5 检测

目前喷粉搅拌桩的质量检测方法有多种, 静力触探法、标准贯入试验法、低应变动测法、轻型动力触探法、取芯法及现场足尺桩身无侧限抗压强度试验法等。本工程采用的是目前较为先进的反射波法, 结合数据分析、现场观察来判断粉喷桩的完整性, 同时对成桩7d的粉喷桩, 随机按规定频率进行如下几项检测:

(1) 破区桩头0.30~0.50m表层水泥, 进行外观检测, 主要检测其桩体外观是否圆顺, 水泥土搅拌是否均匀, 有无缩颈和凹陷现象, 桩身有无水泥结块或夹泥层, 颜色深浅是否一致, 并用手感知桩身松散或硬结程度, 从而判断桩身水泥土的搅拌均匀程度。

(2) 用轻便触探仪对开挖出来的桩头进行强度检测。根据《软土地基深层搅拌加固技术规程》 (YBJ225-91) 提出的轻便触探击数 (N10) 与7d龄期水泥强度关系表, 用对比法判定桩身强度 (参见表1) 。检测桩的数量不少于完成桩数的2%, 对不合格的桩根据其位置和数量等具体情况进行补桩处理。

6 结语

粉喷桩加固地基施工简单, 对周围环境影响小, 工程造价低。另外粉喷桩复合地基的基础沉降量的70%在施工过程中已经完成, 说明水泥粉喷桩不仅可以减少地基总沉降量, 而且可以减少地基沉降过程的时间, 这对缩短工期是十分有利的。但也可以看到粉喷桩加固地基技术上存在的几个问题: (1) 地基土的含水量及土层粘粒含量对粉喷桩的施工质量具有较大影响, 当土的含水量小于30%, 粘粒含量大时, 容易出现水泥结块、夹层甚至断桩现象, 施工搅拌时需要注水, 但水量较难掌握;当含水量大于30%时时, 不易形成形成足够强度的水泥土桩体, 这将严重影响粉喷桩的强度, 通常在地表下1~2m容易发生“掉桩”或“下沉”。 (2) 各种因素造成的水泥用量、水灰比差异, 灌浆泵压力骤增骤减, 钻杆提升速度过快、过慢, 不均衡等, 都容易使粉喷桩质量不均匀, 并影响其强度。 (3) 粉喷桩检测方法很多, 其中一些方法没有明确标准, 这会在一定程度上影响对桩身质量的判定。

因此, 为了保证喷粉桩的施工质量, 不仅要在施工过程中控制好原材料质量, 做好室内配比试验、现场工艺试验, 加强喷粉施工技术的管理监督, 把好桩位测量、施样及各道工序的检查关, 还须根据具体情况选择适当的检测方法, 对施工好的桩体进行全面准确的质量评定。

摘要：粉体喷搅法已是一种成熟的软土地基处理的方法。已经在各种工程建设方面得到了广泛的应用。随着国家在水利基础设施的投入不断加大, 水利工程建设的步伐加快, 在水利项目软土地基处理的设计中针对不同的地质条件, 采用粉体喷搅法处理地基做了一些尝试, 并取得了很好的处理效果。

关键词：粉体喷搅,水利工程,地基处理,承载力,复合地基

参考文献

[1]地基处理手册编写委员会.地基处理手册.中国建筑工业出版社, 1988

[2]GB5007-2002, 建筑地基基础设计规范

[3]JGJ79-91, 建筑地基处理技术规范