Материаловедение как часть общего коммерческого тренда нанотехнологий

1.

Материаловедение как часть общего коммерческого
тренда нанотехнологий
использование частиц различной дисперсности в:
производство пигментов
краски, светостойкие полимеры, биоциды и т.д.
производство керамики
шамоты, спекающие добавки, реологические добавки, уплотнители и т.д.
порошовая металлургия (3D печать)
твердые сплавы, тугоплавкие покрытия, восстановленные изделия и т.д.
пищевая промышленность
молочная промышленность, шоколад, кодитерские изделия, производство хлеба и т.д.
Производство покрытий
дорожные покрытия, электропроводящие покрытия, токосъемы микроэлектроники и т.д.

2.

Основные понятия используемые для характеризации сыпучих материалов
Порозность зернистого слоя (а – наибольшая,
б - наименьшая)
Где V0 объем свободного
V0
Vs пространства, V – общий
1
V
V Объем, Vs объем
занимаемый зернами
Пористость зерна рассчитывается по формуле,
где ρ0 – кажущаяся плотность, т.е. отношение массы
образца к его объему ρс – кристаллографическая плотность
Форма зерна определяется фактором формы,
Который условно определяет степень сферичности зерна
0
1 *100%
c
0.205
F
2 3
Удельная поверхность определяется как отношение поверхности зерен на единицу
массы или на единицу объема

3.

Типы частиц

4.

Определение среднего размера частиц разными способами

5.

Степени измельчения вещества
H. Rumpf. Mechanische Verfahrenstechnik. Carl Hanser Verlag, 1975

6.

методы сухого измельчения
конусная дробилка
позволяет
измельчать частицы
от 10 мм до 100 мкм
планетарная
мельница
позволяет
измельчать частицы
от 1 мм до 1 мкм
КПД по энергии
средний.
щековая дробилка
позволяет
измельчать куски
породы от 100 мм
до 1 мм
КПД по энергии
высокий.
КПД по энергии
средний

7.

Мокрое измельчение и диспергирование
бисерная мельница
позволяет изльчать
частицы от 100 мкм до
200 нм
коллоидная
мельница
позволяет
измельчать частицы
от 1 мкм до 100 нм
КПД по энергии
экстремально
низкий
аттриттер
позволяет
измельчать
частицы от 100
мкм до 500 нм
КПД по энергии
низкий
КПД по энергии еще
ниже

8.

Передача энергии частице
Разрушение частиц может протекать по двум механизмам, объемному (рис. а)
и поверхностному, (рис. b)

9.

Основные процессы протекающие при помоле
Смачивание – процесс удаления
газа с поверхности частиц в жидкости
Измельчение – взаимодействие
частиц в растворе с мелющими телами
а) Непосредственное дробление первичных
частиц и агрегатов мелющими телами
б) деагломерация - разрушение агломератов за счет
передачи кинетической энергии мелющего тела
на частицы
Диспергирование – разделение
частиц и предотвращение
процессов агломерации
а) стабилизация частиц в растворе
б) гомогенизация раствора

10.

Измельчение микро и наночастицы. Требуется наличие мелющего тела
Процесс измельчения одиночной частицы
'
6
c
d
d
a
'
'2
об
мт
3
2(1 a )
1 a ; a
y
x
x
d –минимальное
расстояние между двумя мелющими телами
y – среднее расстояние между двумя
частицами в дисперсии
соб – объемная концентрация частиц в дисперсии
dмт – диаметр мелющего тела
х – диаметр частицы
При соотношении радиусов частицы
и мелющего тела 1:30 возможно протекание
а – диаметр частицы в момент сжатия
процесса измельчения 2 частиц за 1
акт элементарного соударения

11.

Количество мелющих тел на 1 литр размольной камеры
Диаметр
мелющего тела
(мм)
Количество
мелющих тел
(шт/л)
10
1,000
1
1,000,000
0.1
1,000,000,000
0.05
8,000,000,000
Количество мелющих тел = 1/D3

12.

13.

14.

Расчет энергии единичного соударения мелющих тел
0.5 d D
Ev , gm
2
VGM GM Susp r GM
dr
0.5d s
Vp
1 d s dGM
2
1
GM
Susp
GM
2 dD x
Ev , gm энергия единичного соударения
2
3
d D , d s внешний и внутренний диаметры
лопастей основного вала
VGM объем мелющего тела
GM плотность мелющего тела
Susp плотность суспензии
GM центростремительное ускорение
dGM диаметр мелющего тела
V p объем измельчаемой частицы
GM скорость мелющего тела
x размер частицы

15.

Зависимость размера частиц от энергии соударения в мельнице в процессе помола

16.

Микрофотографии частиц двуокиси олова после 1.5 часов помола в
бисерной мельнице

17.

Микрофотографии частиц двуокиси олова после 1.5 часов помола в
бисерной мельнице

18.

Результаты моделирования состояния
частиц размером 30 нм
На рис. а изображена частица до помола,
серый и темно-зеленый цвета обозначают
неискаженную кристаллическую ячейку.
На рис. b изображена сжатая частица.
Красный и коричневый цвета обозначают
атомы с уменьшенным координационным
окружением. Светло-зеленый и желтый
обозначают атомы с повышенным
координационным окружением.

19.

Моделирование частицы с исходным размером 30 нм сжатой до диаметра 23
нм. Две половины частицы скользят друг относительно друга под углом 45 0 к
сдвиговому усилию.

20.

Визуализация упругой (рис b) и неупругой (рис. c) деформации частиц
двуокиси олова.