自制可視化粉體分級裝置在材料類專業綜合實驗中的應用

鄧麗榮, 王曉剛, 陸樹河, 樊子民, 華小虎, 朱　明, 劉向春

(西安科技大學 材料科學與工程學院, 陜西 西安　710054)

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自制可視化粉體分級裝置在材料類專業綜合實驗中的應用

鄧麗榮, 王曉剛, 陸樹河, 樊子民, 華小虎, 朱明, 劉向春

(西安科技大學 材料科學與工程學院, 陜西 西安710054)

利用自制的微納米粉體分級裝置開設了微納米粉體分級綜合實驗。分級全程可視化操作,讓學生對微納米粉體分級原理、分級過程和分級效果有一個全面的了解。通過讓學生接觸所在專業的科學前沿,進一步培養學生對科學的興趣以及動手操作能力和創新創造精神。闡述了該裝置的設計思路、工作原理、結構特點、可完成的實驗內容和取得的成效。

微納米粉體分級裝置; 綜合實驗; 分級原理

隨著社會、經濟與科技的迅猛發展,對高校提出了“寬口徑、厚基礎、高素質、強能力的創新性人才”培養要求,而實驗教學是實施“卓越工程師培養計劃”、實現素質教育和創新人才培養目標、 加強學生實踐能力和創新能力培養的重要環節。作為高等教育不可或缺的組成部分,實驗教學不僅有助于學生深化對理論知識的理解和培養動手操作能力,也有助于學生形成良好的科學素養和創新精神[1-3]。目前,我校在建設省級礦物材料實驗教學示范中心實踐中,對材料類專業本科生的實驗課程也進行了重大改革[4]，大力縮減了以驗證性為主的課程實驗,將實驗操作性強、富于啟發性、思考性和設計性、有工業應用背景的科研成果提煉轉化為綜合性實驗[5-11],并將綜合性實驗的比例提高到實踐教學比例的80%以上。

我們在長期的教學、科研和成果轉化實踐過程中體會到,在材料的開發和研究中,材料的使用性能很大程度上決定于所采用的粉體原料的粒度、純度、均勻度等特性。根據材料的應用領域和要求有目的地進行粉體的精細處理,是獲得性能優良的材料的前提。越來越多的行業已經關注并應用到微納米粉體分級等精細處理技術,因而掌握微納米粉體分級原理和技能的大學畢業生備受企業青睞。為此,作為實驗教學改革的一部分,我們將具有工業應用背景的科研成果——微納米粉體分級提煉成一門綜合實驗，并引入到實踐教學中,讓本科學生能夠接觸到材料專業的科學前沿,進一步培養學生對科學的興趣以及動手操作能力和創新精神。

1　設計思路

微納米粉體由于粒度細、表面能高、易團聚等特點,現有的分級裝備如MS型分級機、ATP型分級機、LHB型分級機、溢流水力分級機、臥式螺旋離心分級機、小直徑水力旋流器等干式和濕式分級設備都難以成功實現微納米粉體的窄粒徑分級；而且工業上已成熟應用的分級設備由于體積龐大、結構復雜,很難讓學生透徹理解其分級原理和分級機制,更難以實現微納米粉體分級過程的可視化。為此,我們根據長期實踐教學的經驗和課題組在微納米粉體分級方面的科研成果,自行研制了可視化的微納米粉體分級裝置(見圖1),實現了粉體分級過程的全程可視化和可控制，讓學生對粉體分級原理、分級過程和分級效果有一個全面的了解和把握。

圖1　微納米粉體分級裝置

2　分級裝置工作原理及結構特點

對于微納米粉體的分級,傳統分級方法的任何流

體由于橫截面上速度分布不穩定、不均勻,難以實現微納米粉體的分級。強有力的層流和穩定、均勻的力場是實現微納米粉體分級的關鍵所在。我們通過借鑒水文地質學、環境工程學和流體力學等學科的知識,設計了微納米粉體上升層流水力分級裝置。該分級裝置的工作原理:分級管由多個直徑變化的柱形管、錐形管和梯形管組成,保證水流速度由下而上逐漸變小。分級管下段的組合管內根據分級需要填充不同孔徑的多孔陶瓷模塊,用于水流的分散、穩定和粉體的分級。經過調節水流速度,使分級管內的流體出現均勻、穩定的層流后,啟動進料系統,將已充分分散好的料漿送入分級管下部的進料口處,并經過多孔陶瓷模塊進入分級區域。由于多孔陶瓷模塊的存在,其內部彎彎曲曲、大小不一的流道使得較大顆粒的運動受到顆粒與多孔陶瓷模塊之間黏附作用的影響,部分大顆粒被截留在多孔陶瓷模塊內部,較大的顆粒由于運動受阻,上升速度變慢,讓更小的顆粒優先溢流而出。溢流出來的小顆粒在分級管內繼續隨上升層流向上運動,并按粒度的大小和比重進行有序的排列,通過在不同高度的取料口獲得不同粒度的產物[12]。

分級裝置結構見圖2。采用完全透明的有機玻璃制作分級管,可開啟式不銹鋼罩作為隔離罩以減少分級過程中外部環境的干擾。通過可調式的恒流泵,讓學生能夠在調節水流速度和多孔陶瓷模塊結構中采用示蹤液直觀地觀察到流體由紊流進入過渡流最終完全層流化的整個過程。研究在不同的流體狀態下微納米粉體分級產物的粒度分布狀態和產物的物理性能。通過這樣的一個綜合實踐過程,讓學生對粉體分級原理、分級過程和分級效果有一個全面的了解。在可視化的操作過程中,也能增加學生對實驗的興趣。

圖2　分級裝置結構

3　可完成的實驗教學內容

目前,實驗中心已建立6套微納米粉體分級裝置,為材料類專業的無機非金屬材料每年3個班共96名本科生開設微納米粉體分離綜合實驗。實驗內容包括:穩態層流的調控與表征；微納米粉體的分散；微納米粉體分級工藝研究；分級產物的顯微觀察和粒度分析；微納米粉體分級小論文撰寫。

4　取得的成效

該分級裝置采用示蹤液,能夠直觀看出分級管內紊流調節到層流的整個過程(見圖3)。通過調節工藝參數,可獲得平均粒徑為0.3、0.5、1 μm等微納米粉體的分級產物。該裝置于2015年10月獲得國家發明專利授權(ZL 201520559947.6)。在實驗教學中,學生選課踴躍,反響很好；學生在較高層次上了解了粉體分級領域中特殊的研究方法和手段；引入了由科研成果提煉轉化來的微納米粉體綜合實驗方案,有利于培養學生的動手能力和實際應用能力。通過讓學生在查閱資料設計實驗方案過程中接觸到粉體工程研究的前沿,拓寬了學生的知識視野,提高了學生的學習興趣和解決問題的能力,也有利于培養學生的創新意識和創新能力。

圖3　分級管內流態變化

實踐證明,“微納米粉體分級裝置”可以應用到材料類專業本科生實驗教學中,并達到了預期設計目的。該裝置不僅應用于本科實驗教學,還可以應用于本科生的創新創業大賽、“大學生挑戰杯”等科技活動以及本科畢業論文和科學研究,有著良好的推廣前景。

References)

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Application of self-made visible equipment of powder classification in comprehensive experiment for undergraduates in material major

Deng Lirong, Wang Xiaogang, Lu Shuhe, Fan Zimin,Hua Xiaohu, Zhu Ming, Liu Xiangchun

(College of Material Science and Engineering,Xi’an University of Science and Technolege,Xi ’an 710054, China)

A comprehensive experiment of micro-nano powder classification was set up by using self-made equipment. The whole process of classification experiment can be visible to make the students know the classification principle, process and results of micro-nano powder very well. By allowing students to contact the scientific frontier of their major, this paper further develops the students’ interest in science and the ability to operate and also the spirit of innovation and creation. The design idea,working principle, structure characteristic,experimental content and the results of this experiment are described.

micro-nano powder classification equipment; comprehensive experiment; classification principle

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.023

2015-12-09修改日期:2016-02-22

2014年陜西高等學校人才培養模式創新實驗區項目；國家發明專利(ZL201520559947.6)

鄧麗榮(1984—)，女，廣東清遠，碩士，工程師，研究方向為無機非金屬材料實驗教學與研究工作.

E-mail:denglirong84@163.com

TB383;G642.0

B

1002-4956(2016)6-0086-03