基于空化冲击强化与磨介碰撞冲击耦合可控的微细颗粒球磨破碎机理与关键技术研究

There is a growing interest in controlling particle agglomerates in the powders effectively, improving efficiency of energy conversion in high-end powder material fabrication technologies and implementing large-scale preparation of ultra-fine particles. A new powder fabrication approach by utilizing the impacts of shock of cavitation and grinding medium collision is proposed to reach these goals. This approach utilizes multi-excitations and wall effects in the ball mill to enhance the laminar flow effect between particles and control the influences of particle aggregation effectively. It integrates with the knowledge of kinematics of mechanism, mechanics of materials, fluid mechanics, powder material science as well as image processing, mechanical and electrical technologies, to study the impacts between particles, and the motion controllability. Numerical simulations will be carried out to study the effects of cavitation and wet grinding on the grinding media motion morphology. Experiments will be done to validate the effectiveness of the proposed approach. This project is from the frontier of engineering, meets the demand of practical engineering, and will provide the significant theoretical guidance and technique support in powder preparation areas.

在确保微细颗粒粉体制备中有效控制团聚的前提下实现微细颗粒的规模化制备与能量高效转化是高端粉体材料制备领域急需解决的技术难题。为此，提出一种空化冲击耦合磨介碰撞冲击，有效利用筒体激励下的液相介质壁面效应，实现基于颤振磨机与磨介、颗粒的多运动可控激励，达到强化颗粒流剪切颗粒表面分离与冲击破碎的微细颗粒粉碎新方法。项目综合应用机构运动学、材料力学、流体力学及粉体科学等理论，结合实验和仿真方法，以筒体壁面带动磨介结合碰撞与空化冲击并作用于颗粒的动力学规律，和颗粒空化冲击作用与颗粒成形及其运动耦合可控性等科学问题和关键技术为突破口，解析筒体颤振激励下壁面作用于旋转层流场并形成有效的空化冲击耦合碰撞冲击颗粒行为的约束条件，探索颗粒层流场形成空化冲击颗粒行为的约束条件，掌握筒体作用于磨介与颗粒的耦合冲击控制方法，设计相应的微细颗粒粉体制备装置。

利用空化射流进行微细颗粒的机械破碎，在有效解决颗粒团聚的前提下，实现微细颗粒的高效物理法破碎对解决新材料领域的高品质颗粒制备具有重要意义。本项目针对微细颗粒破碎缺乏有效手段与方法等问题。通过研究空化射流与颤振磨机的耦合破碎作用，围绕空化泡、空化射流的形成条件、磨介与颗粒流场的运动特征、微细颗粒破碎的壁面效应等科学问题开展研究。得到了磨介与空化射流对微细颗粒破碎有效作用方式与作用范围。结合介质群以及颗粒群粒度特性等影响因素的试验，获得微细颗粒“团聚”的极限粒径值及破碎颗粒群的粒度分布特征。利用Fluent耦合EDEM的仿真方法，分析磨机内部磨介的运动、碰撞状态与内部流场的流动状态与速度矢量图，以及磨介周边和壁面的局部状态。通过磨介壁面附近的微区域的磨介-颗粒群-流场研究，计算空化射流带动下冲击壁面的动能及其液相下微细颗粒破碎的条件，明晰了空化泡溃灭微射流作用下的近壁面微细颗粒破碎作用机制；分别采用超声空化、水射流空化等不同方法研究了空化射流及其对微细颗粒的破碎作用效果,建立了空化泡溃灭仿真模型，发现了影响近壁面空化泡溃灭微射流的3个关键因素，并获得了关键参数对空泡溃灭微射流最大流速、压强的影响，及其影响空化微射流作用于对微细颗粒的破碎效果。设计了一种空化射流耦合碰撞冲击的微细颗粒制备球磨试验装置，可实现流场区域的观测、PIV粒子流检测和耦合粉碎实验的空化冲击与磨介壁面效应耦合的可控性试验，结果表明: 空化射流能够有效提高球磨对微细颗粒破碎效率，空化冲击结合磨介研磨可使粗颗粒粒径迅速减小，微细颗粒产量增加，经SEM电镜观测与粒度检测，微细颗粒分散均匀，可有效获得粒径800nm的微纳米级颗粒。.本项目研究工作的相关理论和试验结果为后续微细颗粒的破碎条件及其工作参数控制等提供了重要的理论研究基础。课题组在《中国机械工程学报》(英文版)、《机械工程学报》等期刊发表论文12篇，授权发明专利3项，相关研究成果已达到项目的预期目标。