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          拆字思義,“粉”乃將米粉碎而成,“?!蹦嗣椎莫毩⒋嬖?,這兩個字形象地表明了古人對粉體和顆粒的認識。一尺之棰,日取其半,萬世不竭。這是《莊子·天下》中對物質微細化過程的直接描述,它形象簡潔地闡明了顆粒無限可分的概念?!?a target="_blank" >金剛經》也記錄過釋迦佛陀多次以恒河中沙塵顆粒個數來比喻宇宙之大:河中沙粒之多,再以一粒沙比喻成為一條河,又可以無窮無盡地放大到無垠的空間。

          古代先賢早已對顆粒構成的大千世界有了清楚的認識,而且這種無限、不斷可分與放大的“盡虛空,遍法界”的多尺度思想和寬廣的意境對我們認識粉體、認識顆粒有著及其重要的啟發作用。

          人類對客觀世界的認識是從微觀、介觀和宏觀等不同層次上進行的,認知范圍的擴大與內容的深入,不斷增強著人類對掌控客觀世界的能力。對于人們熱心的粉體技術來說,從構成原子的微粒子到充滿無數星球的天體群,都在不同尺度上反應了顆粒(個體)與粉體(群體)之間的密切關系。

          概念

          固體顆粒的集合體定義為粉體。表示粉體的詞匯有粒體(granule),粉體(powder),粉粒體(particulatematter),大顆粒的集合體習慣上稱之為粒體,小顆粒的集合體稱之為粉體。

          粉體是指離散狀態下固體顆粒集合體的形態。但是粉體又具有流體的屬性:沒有具體的形狀,可以流動飛揚等。正是粉體在加工、處理、使用方面表現出獨特的性質和不可思議的現象,盡管在物理學上沒有明確界定,我們認為“粉體”是物質存在狀態的第4種形態(流體和固體之間的過渡狀態)。這是在認識論層面上從各個領域歸納抽象出粉體和加工過程共性問題的基礎。

          粉體是由大量顆粒及顆粒間的空隙所構成的集合體,粉體的構成應該滿足以下3個條件,①微觀的基本單元是小固體顆粒;②宏觀上是大量的顆粒的集合體;③顆粒之間有相互作用。

          顆粒是構成粉體的最小單元,工程研究的對象多為粉體,進一步深入研究的對象則是微觀的顆粒。顆粒微觀尺度和結構的量變,必將帶來粉體宏觀特性的質變。

          特性

          粉體的特性包括顆粒物性和顆粒集合體的物性,這兩方面是粉體材料引人注目的重要理由。

          首先,分析一個顆粒微觀尺度量變到宏觀性能質變的例子。

          表1表示出具有立方結晶格子的固體(假設原子間距為2×10-10m時)不斷地被細化時,固體顆粒表面的原子數占固體顆粒整體原子數的比率。粒徑在20μm顆粒表面的原子數占整體的比率幾乎可以忽略;但是粒徑小到2nm時,構成顆粒原子的半數在表面上,造成顆粒表面能的增加。這就是超微顆粒具有與通常固體不同物性的原因之一。反應性、吸附性等與表面相關的物理化學性質,隨著粒徑的變小而強化。

          粒徑細化將使材料表現出奇特的性質:通常金的熔點大約是1060℃,但當把金細化到3nm的程度時,在500℃左右就融化了;鐵強磁性體具有無數個磁疇,但當鐵顆粒細化到磁疇大小時則成為單磁疇構造,可以用作磁性記錄材料。

          固體顆粒細化時表現出的微顆粒物性,作為材料使用時具有多種優異性能。這種量變到質變的哲學思想,是粉體技術賴以立足的磐石。

          表1固體被細化引起表面原子數比率變化

          1邊的原子數表面的原子數顆粒整體原子數表面原子數占整體的比率,[%]粒徑及粉體實例
          2345101001,00010,000100,000826569848858,8006×1066×1086×1010827641251,0001×1061×1091×10121×10151009787.578.548.85.90.60.060.0062nm20nm,膠體二氧化硅200nm,二氧化鈦2μm,輕質碳酸鈣20μm,水泥

          為了說明這一理論磐石的重要性,我們再來分析兩個顆粒微觀尺度量變到宏觀性能質變的例子。

          比表面積與活性:例如邊長為25px的立方體顆粒,其比表面積是6×10-4m2,不斷地將其細化,若細化成邊長為1μm的立方體顆粒群時,總比表面積是6m2;若細化成邊長為0.1μm的立方體顆粒群時,總比表面積是60m2;細化成邊長為0.01μm的立方體顆粒群時,總比表面積是600m2。顆粒的細化導致比表面積急劇增大,將促進固體表面相關的反應。特別是當超微顆粒表面富于活性的情況下,效果會更明顯。

          粉體細化與流動:粉體在容器中呈靜止狀態,但受力后能像液體一樣地流出。若施加強作用力使粉體分散,能像氣體一樣擴散。圖1-1形象地描繪了這些特性,粉體表現出類似于固-液-氣三態的行為,這一特性在材料加工和輸送處理方面十分有利,雷同于自然界的“飛砂、沙丘與砂巖形成的過程”。

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