制粉方法的現(xiàn)狀與機(jī)械粉磨技術(shù)的研究發(fā)展思路

摘要：本文基于材料內(nèi)部的微觀相構(gòu)成和微觀力作用的減小、轉(zhuǎn)化和克服，從物理、化學(xué)和機(jī)械的綜合作用探討了宏觀機(jī)械粉磨的研究發(fā)展思路。

關(guān)鍵詞：原子或原子團(tuán)間作用力；相；運(yùn)動(dòng)形態(tài)

1 引言

怎樣在一定微小尺度（特別是納米級(jí)）上，為獲得某種性能，由大到小支離分解材料或由小到大合成一維粒狀材料是制粉技術(shù)的關(guān)鍵。

就現(xiàn)有制粉技術(shù)而言，物理方法往往需極高的溫度或（和）氣壓、且高溫時(shí)破壞生物活性不適于生物材料；化學(xué)方法受材料種類限制，兩者都存在產(chǎn)量小、成本高的缺陷；機(jī)械方法簡(jiǎn)單、成本低、產(chǎn)量大、粉體粒度均勻，但獲得粒度過(guò)大（0.2～1μm），能耗也高。生物方法有待進(jìn)一步研究開(kāi)發(fā)，從生物工程的組成及原理上看：基因重組和細(xì)胞溶合技術(shù)或許更適宜制粉的預(yù)處理及終結(jié)處理；細(xì)胞的大量繁殖和生物反應(yīng)技術(shù)更適宜制粉；此外，微生物對(duì)固體物質(zhì)的的可溶性轉(zhuǎn)變或分解金屬的能力也是制粉的一種途徑。

2 材料原子間的微觀作用與機(jī)械粉磨的微觀制約

2.1 材料內(nèi)部的四種結(jié)合及其影響因素

強(qiáng)度、熔點(diǎn)較高的物質(zhì)材料內(nèi)部原子間的結(jié)合為強(qiáng)力的離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵的單一或混合作用；而強(qiáng)度、熔點(diǎn)較低的原子團(tuán)、分子晶體間的結(jié)合為弱的范德瓦爾結(jié)合。制粉的本質(zhì)就是要在要求尺度上“消除、減小”、轉(zhuǎn)化和克服這種吸引力，特別是前者。而現(xiàn)有的化學(xué)、物理基礎(chǔ)理論還遠(yuǎn)不能從這一原點(diǎn)層次上提供有力的支持。

目前已知、并應(yīng)用的方法是：a、升溫增大原子活性，而使其自然氣化（減小、消除吸引力）或加外力分離（如，高氣壓吹散）（克服吸引力）；b、通過(guò)化學(xué)反應(yīng)合成（轉(zhuǎn)化吸引力）；c、加助磨劑（楔劈、降低新形成面活性——克服、減小吸引力，助磨劑對(duì)晶界、原子間作用力的影響有待研究）；d、靠外力強(qiáng)制分離（克服吸引力）；酶和非生物催化劑增大原子活性。

目前存在、未被制粉使用，影響微觀作用力的現(xiàn)象因素有：同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（改變、克服吸引力）與金屬熱處理、對(duì)高分子的高能粒子輻射降解（減小、改變引吸力）、基因剪切等。

2.2 影響顆粒強(qiáng)度的相結(jié)構(gòu)因素

材料的化學(xué)構(gòu)成形成微觀原子（團(tuán)）、分子間結(jié)合的種類；不同的顯微相結(jié)構(gòu)，從第二層次上影響結(jié)合力大小。盡管晶粒大小、形態(tài)、分布影響強(qiáng)度，但具有較高能量的晶體缺陷是物理、化學(xué)和機(jī)械作用的特殊環(huán)結(jié)，應(yīng)當(dāng)作為制粉過(guò)程的一個(gè)突破口。將較大粒徑的多晶體變成單晶或極少數(shù)晶胞的超微粒子，晶界、晶面和表面是考慮的重點(diǎn)之一，如：常態(tài)下鋼的晶界，因晶格畸變雖具有較高的強(qiáng)度，但有較低的熔點(diǎn)和較容易的晶間腐蝕性；晶體內(nèi)原子最密排面上及原子線密度最高的方向上具有最低的臨界剪切應(yīng)力；顆粒表面本身就是一種需要獲得和保持的面缺陷。

此外，某些材料的低溫脆性及類似金屬熱處理過(guò)程中出現(xiàn)回火脆性的現(xiàn)象，或許可以拓廣思路。

粉粒的表觀形態(tài)與應(yīng)力集中；粉磨程序與疲勞效應(yīng)也應(yīng)是考慮的因素。

2.3 制粉的極限

包括粒度極限、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量極限，現(xiàn)有的各種制粉技術(shù)，都存在這種相對(duì)極限。

試驗(yàn)表明，長(zhǎng)時(shí)間機(jī)械研磨，可在粉體中發(fā)現(xiàn)少量超微粒子，結(jié)合物理、化學(xué)等效應(yīng)的傳統(tǒng)或非傳統(tǒng)機(jī)械制粉應(yīng)是尋求突破亞微米大規(guī)模制粉極限的途徑。

機(jī)械研磨過(guò)程中，粉粒間由于范德瓦爾力和機(jī)械力作用下的重新焊合和原子擴(kuò)散溶合、吸引使粉粒重新聚合、增大。設(shè)置保護(hù)性氣氛、加與粉體種類對(duì)應(yīng)的助磨劑和及時(shí)粗細(xì)分離是目前采取的主要措施。

3 機(jī)械粉磨的相關(guān)因素與三個(gè)研究重點(diǎn)

重點(diǎn)一：不污染粉體的輔助研磨性物理化學(xué)作用；

探索光、電、聲、磁、溫度、射線、失重、壓力、濕度、化學(xué)環(huán)境、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變、重聚力等的影響。溫度、壓力、濕度、化學(xué)環(huán)境與化學(xué)介質(zhì)、重聚力是目前已考慮和應(yīng)用的因素。需進(jìn)一步強(qiáng)化以下幾方面：

助磨劑的品種與作用機(jī)理、助磨劑增大原子活性的催化劑功能；壓力的作用形態(tài)；（氣體、機(jī)械）壓力在制粉中屬于影響粒度的主要參數(shù)?，F(xiàn)有的機(jī)械制粉空間中，壓力對(duì)粉粒的作用顯得小、慢而單調(diào)、空間利用率不高。可考慮拓廣深化超聲波研磨；加強(qiáng)爆炸制粉的研究。

電磁場(chǎng)、高能粒子對(duì)粉粒內(nèi)結(jié)合力（特別是機(jī)械研磨過(guò)程中）的影響；

如，高能粒子輻照晶體后產(chǎn)生點(diǎn)缺陷，由α粒子照射時(shí)，打入的α粒子（氦離子）聚集在三維點(diǎn)陣的空洞缺陷中和晶界處，形成高壓氦氣體，空洞和氣泡長(zhǎng)大則使晶體體積膨脹，導(dǎo)致晶體破壞。這與超聲波的空化效應(yīng)有相反類似性：液體波三向壓縮破壞與氣體波三向膨脹破壞，并且晶體受拉應(yīng)力，更有利于粉碎。

粉粒內(nèi)不均勻溫度應(yīng)力、組織應(yīng)力等的產(chǎn)生和利用；其它。

重點(diǎn)二：粉體間、介質(zhì)與顆粒間、顆粒間的相互作用和粉磨過(guò)程中粉體與介質(zhì)的理想運(yùn)動(dòng)方式、形態(tài)與力的作用周期性和優(yōu)化速度等。

從現(xiàn)有單純旋轉(zhuǎn)式、振動(dòng)式、沖擊式產(chǎn)生的介質(zhì)研磨、自磨、碾壓、沖擊粉磨原理來(lái)看很難達(dá)到或經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)超微粉體的要求。

研磨體、粉粒間的高效、高速、高低壓和程序性接觸及研磨過(guò)程中成品粉粒的及時(shí)分選應(yīng)是研究方向。適于物理、化學(xué)環(huán)境下‘有介質(zhì)流態(tài)化（或附加振動(dòng)）研磨+壓力周期性變化的無(wú)介質(zhì)連續(xù)流態(tài)化沖擊研磨是一種有待試驗(yàn)的方式。

重點(diǎn)三：綜合物理、化學(xué)、機(jī)械等一體，包容或超越機(jī)械粉磨的超細(xì)粉與納米粉制備新技術(shù)現(xiàn)有不完善的粉碎理論最多適于亞微米級(jí)以上顆粒的機(jī)械粉碎，對(duì)介于微觀與宏觀間的納米級(jí)粉碎還應(yīng)從凝聚態(tài)物理的發(fā)展尋求新思路。理論上，探索多學(xué)科因素作用下的高層次粉碎理論；工藝上，可從各種效應(yīng)作用的時(shí)序和狀態(tài)交互上作如下考慮。

研磨前對(duì)原料預(yù)處理。通過(guò)低溫、氫化與化學(xué)轉(zhuǎn)變、相變、輻射、預(yù)碾壓、增加濕度等方法增加原料脆性、產(chǎn)生不均勻內(nèi)應(yīng)力、降低強(qiáng)度與原子間吸引力。

研磨過(guò)程中的多效應(yīng)復(fù)合作用。按要求利用機(jī)械力化學(xué)效應(yīng)進(jìn)行固溶與合金化的同時(shí)，作表面改性；強(qiáng)化助磨劑的契劈和對(duì)新生表面的防重聚作用同時(shí)，力求產(chǎn)生對(duì)化學(xué)鍵的削弱影響；探討并利用高溫或低溫、電磁場(chǎng)、研磨氣體或液體環(huán)境等的有效作用。

研磨后對(duì)成品作保質(zhì)處理

通過(guò)熱處理相變、化學(xué)還原、表面改性等手段達(dá)到最終產(chǎn)品的性能要求。

4 理想的粉磨效應(yīng)

粉粒受周期性和（或）非周期性拉剪組合應(yīng)力而分離、不重聚、粒度可控、粉體不受污染或發(fā)生預(yù)期化學(xué)反應(yīng)、晶體結(jié)構(gòu)不變或按要求轉(zhuǎn)變。

5 現(xiàn)代粉磨原理系統(tǒng)的特征與發(fā)展方向

納米材料的性能和功能的特異性，反映了其結(jié)構(gòu)上活躍的表面效應(yīng)、體積效應(yīng)和尺寸效應(yīng)，這似乎也決定其常態(tài)形成過(guò)程的準(zhǔn)生命復(fù)雜性。按照系統(tǒng)的復(fù)雜性演變過(guò)程，超微粉機(jī)械制備過(guò)程應(yīng)具有以下特征：粉體運(yùn)動(dòng)具有混沌性；應(yīng)爭(zhēng)對(duì)不同粉體，進(jìn)行不同的研磨設(shè)計(jì)與智能化運(yùn)行。

現(xiàn)有粉磨原理中的粉粒運(yùn)動(dòng)具有一定的微觀混沌性和宏觀確定性，但其深度的不夠和微觀確定性及宏觀混沌性的缺乏使其功能及性能不足，應(yīng)用受限。新原理的探索可以此作為一個(gè)出發(fā)點(diǎn)。如流能磨就較球磨具有好的混沌性。

不同材料具有不同特性，從而決定其特殊的研磨性，找出并利用這種特殊性就是成功的研磨。

以上思路雖屬泛淡，但進(jìn)一步基于資金與實(shí)驗(yàn)投入的深入研究，將使粉體制備技術(shù)的發(fā)展獲得更多機(jī)遇。

作者簡(jiǎn)介：趙明清，機(jī)械講師，主要研究領(lǐng)域：思維科學(xué)、創(chuàng)造科學(xué)和機(jī)電一體化相關(guān)技術(shù)。