首先,分析一个颗粒微观尺度量变到宏观性能质变的例子。
表1表示出具有立方结晶格子的固体(假设原子间距为2×10-10m时)不断地被细化时,固体颗粒表面的原子数占固体颗粒整体原子数的比率。粒径在20μm颗粒表面的原子数占整体的比率几乎可以忽略;但是粒径小到2nm时,构成颗粒原子的半数在表面上,造成颗粒表面能的增加。这就是超微颗粒具有与通常固体不同物性的原因之一。反应性、吸附性等与表面相关的物理化学性质,随着粒径的变小而强化。
粒径细化将使材料表现出奇特的性质:通常金的熔点大约是1060℃,但当把金细化到3nm的程度时,在500℃左右就融化了;铁强磁性体具有无数个磁畴,但当铁颗粒细化到磁畴大小时则成为单磁畴构造,可以用作磁性记录材料。
固体颗粒细化时表现出的微颗粒物性,作为材料使用时具有多种优异性能。这种量变到质变的哲学思想,是粉体技术赖以立足的磐石。
表1固体被细化引起表面原子数比率变化
1边的原子数 | 表面的原子数 | 颗粒整体原子数 | 表面原子数占整体的比率,[%] | 粒径及粉体实例 |
2 3 4 5 10 100 1,000 10,000 100,000 | 8 26 56 98 488 58,800 6×106 6×108 6×1010 | 8 27 64 125 1,000 1×106 1×109 1×1012 1×1015 | 100 97 87.5 78.5 48.8 5.9 0.6 0.06 0.006 | 2nm 20nm,胶体二氧化硅 200nm,二氧化钛 2μm,轻质碳酸钙 20μm,水泥 |
为了说明这一理论磐石的重要性,我们再来分析两个颗粒微观尺度量变到宏观性能质变的例子。
比表面积与活性:例如边长为25px的立方体颗粒,其比表面积是6×10-4m2,不断地将其细化,若细化成边长为1μm的立方体颗粒群时,总比表面积是6m2;若细化成边长为0.1μm的立方体颗粒群时,总比表面积是60m2;细化成边长为0.01μm的立方体颗粒群时,总比表面积是600m2。颗粒的细化导致比表面积急剧增大,将促进固体表面相关的反应。特别是当超微颗粒表面富于活性的情况下,效果会更明显。
粉体细化与流动:粉体在容器中呈静止状态,但受力后能像液体一样地流出。若施加强作用力使粉体分散,能像气体一样扩散。图1-1形象地描绘了这些特性,粉体表现出类似于固-液-气三态的行为,这一特性在材料加工和输送处理方面十分有利,雷同于自然界的"飞砂、沙丘与砂岩形成的过程"。