Масштабирование процесса расплющивания серебряных частиц с помощью сухого шарового измельчения методом DEM

Почему важно получать крошечные серебряные хлопья

От солнечных панелей на крышах до чипов внутри смартфонов — многие современные устройства зависят от паст и клеев, заполненных мелкими металлическими частицами для передачи электричества и отвода тепла. Плоские, чешуйчатые частицы серебра особенно ценны, поскольку их широкие грани легко контактируют друг с другом, создавая гладкие пути с низким сопротивлением и эффективным отводом тепла. Но серебро дорого, и методы, работавшие в лаборатории, не всегда просто масштабировать до заводского оборудования. В этом исследовании рассматривается практический вопрос: как производителям надежно масштабировать процесс расплющивания серебра из небольших испытательных мельниц до крупных промышленных, не теряя материал и избегая бесконечных методик проб и ошибок?

От неровных зерен к плоским хлопьям

Исследователи сосредотачиваются на распространённой промышленной технике — шаровом измельчении, при котором металлические частицы встряхиваются вместе с твёрдыми стальными шариками внутри вибрирующего сосуда. Когда серебряное зерно сжимается между двумя шарами или между шаром и стенкой, оно может распластаться в тонкую хлопью. Команда работает с «сухими вибрационными мельницами» двух размеров: небольшой 3,2‑литровой испытательной мельницей и намного большей 70‑литровой, ближе к промышленному исполнению. Их исходный материал — неправильно сформированные частицы серебра размером в несколько микрометров, покрытые смазкой, чтобы они неслипались слишком сильно. По мере измельчения частицы многократно сжимаются, их толщинa уменьшается, а общая поверхность увеличивается.

Измерение степени расплющивания серебра

Чтобы отслеживать эффективность процесса, авторы используют простую измеримую величину: удельную поверхность — площадь поверхности на грамм серебра. Поскольку плоские хлопья открывают большую поверхность, чем комковатые зерна, поверхность увеличивается по мере расплющивания. Они определяют «нормализованную» поверхность, разделив текущее значение на начальное, и наблюдают, как это отношение растёт во времени в небольшой мельнице при различных скоростях встряхивания. Снимки на электронном микроскопе подтверждают, что при больших скоростях образуется больше и тоньше хлопьев. Математически прирост поверхности следует линейной зависимости от времени, что позволяет исследователям ввести единый «константный коэффициент расплющивания», суммирующий скорость превращения зерен в хлопья при заданных условиях.

Моделирование миллиардов малых ударов

Простое копирование режимов работы из небольшой мельницы в большую не работает, потому что паттерн столкновений шаров меняется с размерами, площадью стенок и уровнем загрузки. Чтобы преодолеть этот разрыв, авторы обращаются к численному методу, известному как дискретный элементный метод (DEM). В их компьютерной модели каждый стальной шар представлен как отдельный объект, подчиняющийся законам Ньютона. Программа отслеживает движение шаров, их столкновения друг с другом и со стенками сосуда, вычисляя энергию, задействованную в каждом столкновении. На этой основе команда рассчитывает «удельную энергию удара»: энергию столкновения на единицу массы серебра в мельнице. Они разделяют эту энергию на нормальную составляющую, связанную с прямым сжатием, и касательную (сдвиговую) составляющую, связанную с проскальзывающими движениями по поверхности.

Связь энергии столкновений с расплющиванием

Имея экспериментальную скорость расплющивания и смоделированную энергию ударов для малой мельницы, исследователи ищут простую зависимость между ними. Они обнаруживают, что скорость расплющивания возрастает прямо пропорционально удельной энергии удара, будь то нормальная составляющая, сдвиговая или суммарная. Эта линейная связь даёт предсказательный множитель: зная удельную энергию удара в любой мельнице, можно вычислить ожидаемый рост поверхности по времени. Затем они моделируют движение шаров в большой мельнице при нескольких скоростях вибрации, тщательно настраивая модель так, чтобы суммарное поведение шаров соответствовало наблюдениям в реальных испытаниях. Используя предсказательный множитель, полученный для малой мельницы, и смоделированную энергию в большой, они прогнозируют, как должна изменяться нормализованная поверхность во времени измельчения.

Прямые удары важнее всего

Наконец, команда сравнивает свои прогнозы с измерениями из реальных крупномасштабных экспериментов по расплющиванию. Лучшее совпадение — погрешности всего в несколько процентов — достигается при использовании только нормальной составляющей энергии удара, связанной с прямым сжатием между шарами и стенками. Прогнозы, основанные на сдвиговой или суммарной энергии, заметно менее точны. Это указывает на то, что главным механизмом превращения серебряных зерен в хлопья является именно прямое сжатие, а не скольжение. Для промышленности вывод прост: используя компьютерное моделирование для оценки нормальной ударной энергии в проектируемой мельнице, инженеры могут предсказать, как быстро частицы серебра будут расплющиваться при масштабировании от лабораторных испытаний до производственного оборудования, существенно сокращая число дорогостоящих проб. Подход может также распространяться на другие металлы и типы мельниц, предложив общую схему проектирования эффективных процессов расплющивания частиц.

Цитирование: Kojima, T., Kushimoto, K., Oka, D. et al. A scaling up of flattening silver particles using dry ball milling by DEM simulation. Sci Rep 16, 14082 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44107-1

Ключевые слова: серебряные хлопья, шаровое измельчение, расплющивание частиц, имитация DEM, масштабирование