制粉方法的現狀與機械粉磨技術的研究發展思路

摘要：本文基于材料內部的微觀相構成和微觀力作用的減小、轉化和克服，從物理、化學和機械的綜合作用探討了宏觀機械粉磨的研究發展思路。

關鍵詞：原子或原子團間作用力；相；運動形態

1 引言

怎樣在一定微小尺度（特別是納米級）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的關鍵。

就現有制粉技術而言，物理方法往往需極高的溫度或（和）氣壓、且高溫時破壞生物活性不適于生物材料；化學方法受材料種類限制，兩者都存在產量小、成本高的缺陷；機械方法簡單、成本低、產量大、粉體粒度均勻，但獲得粒度過大（0.2～1μm），能耗也高。生物方法有待進一步研究開發，從生物工程的組成及原理上看：基因重組和細胞溶合技術或許更適宜制粉的預處理及終結處理；細胞的大量繁殖和生物反應技術更適宜制粉；此外，微生物對固體物質的的可溶性轉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械粉磨的微觀制約

2.1 材料內部的四種結合及其影響因素

強度、熔點較高的物質材料內部原子間的結合為強力的離子鍵、共價鍵、金屬鍵的單一或混合作用；而強度、熔點較低的原子團、分子晶體間的結合為弱的范德瓦爾結合。制粉的本質就是要在要求尺度上“消除、減小”、轉化和克服這種吸引力，特別是前者。而現有的化學、物理基礎理論還遠不能從這一原點層次上提供有力的支持。

目前已知、并應用的方法是：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、通過化學反應合成（轉化吸引力）；c、加助磨劑（楔劈、降低新形成面活性——克服、減小吸引力，助磨劑對晶界、原子間作用力的影響有待研究）；d、靠外力強制分離（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象因素有：同素異構轉變（改變、克服吸引力）與金屬熱處理、對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 影響顆粒強度的相結構因素

材料的化學構成形成微觀原子（團）、分子間結合的種類；不同的顯微相結構，從第二層次上影響結合力大小。盡管晶粒大小、形態、分布影響強度，但具有較高能量的晶體缺陷是物理、化學和機械作用的特殊環結，應當作為制粉過程的一個突破口。將較大粒徑的多晶體變成單晶或極少數晶胞的超微粒子，晶界、晶面和表面是考慮的重點之一，如：常態下鋼的晶界，因晶格畸變雖具有較高的強度，但有較低的熔點和較容易的晶間腐蝕性；晶體內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程中出現回火脆性的現象，或許可以拓廣思路。

粉粒的表觀形態與應力集中；粉磨程序與疲勞效應也應是考慮的因素。

2.3 制粉的極限

包括粒度極限、經濟產量極限，現有的各種制粉技術，都存在這種相對極限。

試驗表明，長時間機械研磨，可在粉體中發現少量超微粒子，結合物理、化學等效應的傳統或非傳統機械制粉應是尋求突破亞微米大規模制粉極限的途徑。

機械研磨過程中，粉粒間由于范德瓦爾力和機械力作用下的重新焊合和原子擴散溶合、吸引使粉粒重新聚合、增大。設置保護性氣氛、加與粉體種類對應的助磨劑和及時粗細分離是目前采取的主要措施。

3 機械粉磨的相關因素與三個研究重點

重點一：不污染粉體的輔助研磨性物理化學作用；

探索光、電、聲、磁、溫度、射線、失重、壓力、濕度、化學環境、同素異構轉變、重聚力等的影響。溫度、壓力、濕度、化學環境與化學介質、重聚力是目前已考慮和應用的因素。需進一步強化以下幾方面：

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

電磁場、高能粒子對粉粒內結合力（特別是機械研磨過程中）的影響；

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

粉粒內不均勻溫度應力、組織應力等的產生和利用；其它。

重點二：粉體間、介質與顆粒間、顆粒間的相互作用和粉磨過程中粉體與介質的理想運動方式、形態與力的作用周期性和優化速度等。

從現有單純旋轉式、振動式、沖擊式產生的介質研磨、自磨、碾壓、沖擊粉磨原理來看很難達到或經濟生產超微粉體的要求。

研磨體、粉粒間的高效、高速、高低壓和程序性接觸及研磨過程中成品粉粒的及時分選應是研究方向。適于物理、化學環境下‘有介質流態化（或附加振動）研磨+壓力周期性變化的無介質連續流態化沖擊研磨是一種有待試驗的方式。

重點三：綜合物理、化學、機械等一體，包容或超越機械粉磨的超細粉與納米粉制備新技術現有不完善的粉碎理論最多適于亞微米級以上顆粒的機械粉碎，對介于微觀與宏觀間的納米級粉碎還應從凝聚態物理的發展尋求新思路。理論上，探索多學科因素作用下的高層次粉碎理論；工藝上，可從各種效應作用的時序和狀態交互上作如下考慮。

研磨前對原料預處理。通過低溫、氫化與化學轉變、相變、輻射、預碾壓、增加濕度等方法增加原料脆性、產生不均勻內應力、降低強度與原子間吸引力。

研磨過程中的多效應復合作用。按要求利用機械力化學效應進行固溶與合金化的同時，作表面改性；強化助磨劑的契劈和對新生表面的防重聚作用同時，力求產生對化學鍵的削弱影響；探討并利用高溫或低溫、電磁場、研磨氣體或液體環境等的有效作用。

研磨后對成品作保質處理

通過熱處理相變、化學還原、表面改性等手段達到最終產品的性能要求。

4 理想的粉磨效應

粉粒受周期性和（或）非周期性拉剪組合應力而分離、不重聚、粒度可控、粉體不受污染或發生預期化學反應、晶體結構不變或按要求轉變。

5 現代粉磨原理系統的特征與發展方向

納米材料的性能和功能的特異性，反映了其結構上活躍的表面效應、體積效應和尺寸效應，這似乎也決定其常態形成過程的準生命復雜性。按照系統的復雜性演變過程，超微粉機械制備過程應具有以下特征：粉體運動具有混沌性；應爭對不同粉體，進行不同的研磨設計與智能化運行。

現有粉磨原理中的粉粒運動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，應用受限。新原理的探索可以此作為一個出發點。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，但進一步基于資金與實驗投入的深入研究，將使粉體制備技術的發展獲得更多機遇。

作者簡介：趙明清，機械講師，主要研究領域：思維科學、創造科學和機電一體化相關技術。