摘要：本文基于材料内部的微观相构成和微观力作用的减小、转化和克服，从物理、化学和机械的综合作用探讨了宏观机械粉磨的研究发展思路。

关键词：原子或原子团间作用力；相；运动形态

1 引言

怎样在一定微小尺度（特别是纳米级）上，为获得某种性能，由大到小支离分解材料或由小到大合成一维粒状材料是制粉技术的关键。

就现有制粉技术而言，物理方法往往需极高的温度或（和）气压、且高温时破坏生物活性不适于生物材料；化学方法受材料种类限制，两者都存在产量小、成本高的缺陷；机械方法简单、成本低、产量大、粉体粒度均匀，但获得粒度过大（0.2～1μm），能耗也高。生物方法有待进一步研究开发，从生物工程的组成及原理上看：基因重组和细胞溶合技术或许更适宜制粉的预处理及终结处理；细胞的大量繁殖和生物反应技术更适宜制粉；此外，微生物对固体物质的的可溶性转变或分解金属的能力也是制粉的一种途径。

2 材料原子间的微观作用与机械粉磨的微观制约

2.1 材料内部的四种结合及其影响因素

强度、熔点较高的物质材料内部原子间的结合为强力的离子键、共价键、金属键的单一或混合作用；而强度、熔点较低的原子团、分子晶体间的结合为弱的范德瓦尔结合。制粉的本质就是要在要求尺度上“消除、减小”、转化和克服这种吸引力，特别是前者。而现有的化学、物理基础理论还远不能从这一原点层次上提供有力的支持。

目前已知、并应用的方法是：a、升温增大原子活性，而使其自然气化（减小、消除吸引力）或加外力分离（如，高气压吹散）（克服吸引力）；b、通过化学反应合成（转化吸引力）；c、加助磨剂（楔劈、降低新形成面活性——克服、减小吸引力，助磨剂对晶界、原子间作用力的影响有待研究）；d、靠外力强制分离（克服吸引力）；酶和非生物催化剂增大原子活性。

目前存在、未被制粉使用，影响微观作用力的现象因素有：同素异构转变（改变、克服吸引力）与金属热处理、对高分子的高能粒子辐射降解（减小、改变引吸力）、基因剪切等。

2.2 影响颗粒强度的相结构因素

材料的化学构成形成微观原子（团）、分子间结合的种类；不同的显微相结构，从第二层次上影响结合力大小。尽管晶粒大小、形态、分布影响强度，但具有较高能量的晶体缺陷是物理、化学和机械作用的特殊环结，应当作为制粉过程的一个突破口。将较大粒径的多晶体变成单晶或极少数晶胞的超微粒子，晶界、晶面和表面是考虑的重点之一，如：常态下钢的晶界，因晶格畸变虽具有较高的强度，但有较低的熔点和较容易的晶间腐蚀性；晶体内原子最密排面上及原子线密度最高的方向上具有最低的临界剪切应力；颗粒表面本身就是一种需要获得和保持的面缺陷。

此外，某些材料的低温脆性及类似金属热处理过程中出现回火脆性的现象，或许可以拓广思路。

粉粒的表观形态与应力集中；粉磨程序与疲劳效应也应是考虑的因素。

2.3 制粉的极限

包括粒度极限、经济产量极限，现有的各种制粉技术，都存在这种相对极限。

试验表明，长时间机械研磨，可在粉体中发现少量超微粒子，结合物理、化学等效应的传统或非传统机械制粉应是寻求突破亚微米大规模制粉极限的途径。

机械研磨过程中，粉粒间由于范德瓦尔力和机械力作用下的重新焊合和原子扩散溶合、吸引使粉粒重新聚合、增大。设置保护性气氛、加与粉体种类对应的助磨剂和及时粗细分离是目前采取的主要措施。

3 机械粉磨的相关因素与三个研究重点

重点一：不污染粉体的辅助研磨性物理化学作用；

探索光、电、声、磁、温度、射线、失重、压力、湿度、化学环境、同素异构转变、重聚力等的影响。温度、压力、湿度、化学环境与化学介质、重聚力是目前已考虑和应用的因素。需进一步强化以下几方面：

助磨剂的品种与作用机理、助磨剂增大原子活性的催化剂功能；压力的作用形态；（气体、机械）压力在制粉中属于影响粒度的主要参数。现有的机械制粉空间中，压力对粉粒的作用显得小、慢而单调、空间利用率不高。可考虑拓广深化超声波研磨；加强爆炸制粉的研究。

电磁场、高能粒子对粉粒内结合力（特别是机械研磨过程中）的影响；

如，高能粒子辐照晶体后产生点缺陷，由α粒子照射时，打入的α粒子（氦离子）聚集在三维点阵的空洞缺陷中和晶界处，形成高压氦气体，空洞和气泡长大则使晶体体积膨胀，导致晶体破坏。这与超声波的空化效应有相反类似性：液体波三向压缩破坏与气体波三向膨胀破坏，并且晶体受拉应力，更有利于粉碎。

粉粒内不均匀温度应力、组织应力等的产生和利用；其它。

重点二：粉体间、介质与颗粒间、颗粒间的相互作用和粉磨过程中粉体与介质的理想运动方式、形态与力的作用周期性和优化速度等。

从现有单纯旋转式、振动式、冲击式产生的介质研磨、自磨、碾压、冲击粉磨原理来看很难达到或经济生产超微粉体的要求。

研磨体、粉粒间的高效、高速、高低压和程序性接触及研磨过程中成品粉粒的及时分选应是研究方向。适于物理、化学环境下‘有介质流态化（或附加振动）研磨+压力周期性变化的无介质连续流态化冲击研磨是一种有待试验的方式。

重点三：综合物理、化学、机械等一体，包容或超越机械粉磨的超细粉与纳米粉制备新技术现有不完善的粉碎理论最多适于亚微米级以上颗粒的机械粉碎，对介于微观与宏观间的纳米级粉碎还应从凝聚态物理的发展寻求新思路。理论上，探索多学科因素作用下的高层次粉碎理论；工艺上，可从各种效应作用的时序和状态交互上作如下考虑。

研磨前对原料预处理。通过低温、氢化与化学转变、相变、辐射、预碾压、增加湿度等方法增加原料脆性、产生不均匀内应力、降低强度与原子间吸引力。

研磨过程中的多效应复合作用。按要求利用机械力化学效应进行固溶与合金化的同时，作表面改性；强化助磨剂的契劈和对新生表面的防重聚作用同时，力求产生对化学键的削弱影响；探讨并利用高温或低温、电磁场、研磨气体或液体环境等的有效作用。

研磨后对成品作保质处理

通过热处理相变、化学还原、表面改性等手段达到最终产品的性能要求。

4 理想的粉磨效应

粉粒受周期性和（或）非周期性拉剪组合应力而分离、不重聚、粒度可控、粉体不受污染或发生预期化学反应、晶体结构不变或按要求转变。

5 现代粉磨原理系统的特征与发展方向

纳米材料的性能和功能的特异性，反映了其结构上活跃的表面效应、体积效应和尺寸效应，这似乎也决定其常态形成过程的准生命复杂性。按照系统的复杂性演变过程，超微粉机械制备过程应具有以下特征：粉体运动具有混沌性；应争对不同粉体，进行不同的研磨设计与智能化运行。

现有粉磨原理中的粉粒运动具有一定的微观混沌性和宏观确定性，但其深度的不够和微观确定性及宏观混沌性的缺乏使其功能及性能不足，应用受限。新原理的探索可以此作为一个出发点。如流能磨就较球磨具有好的混沌性。

不同材料具有不同特性，从而决定其特殊的研磨性，找出并利用这种特殊性就是成功的研磨。

以上思路虽属泛淡，但进一步基于资金与实验投入的深入研究，将使粉体制备技术的发展获得更多机遇。

作者简介：赵明清，机械讲师，主要研究领域：思维科学、创造科学和机电一体化相关技术。