冲击载荷下萤石颗粒的断裂行为与微观损伤演化特性

《Powder Technology》：Fracture behavior and microscopic damage evolution characteristics of fluorite particles under impact loading

　　

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  研究了萤石在冲击载荷下的断裂特性。
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  研究了能量输入对破碎产物微观结构的影响。
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  研究了冲击载荷下萤石晶体的断裂行为。

引言

颗粒粉化是矿物加工中的基本操作，广泛应用于矿物的破碎、磨矿和解离过程 [1], [2], [3], [4], [5]。矿物颗粒的宏观破碎行为本质上由构成它的晶粒的断裂行为决定。因此，研究矿物晶体宏观破碎响应与其微观结构演化之间的关系，对于理解不同载荷条件下的颗粒破碎行为、提高破碎性能和优化下游分离过程具有重要意义。

颗粒粉化行为可以在准静态或动态冲击载荷下进行研究，具体取决于应力环境和预期应用。准静态压缩试验被广泛用于定量表征脆性颗粒的强度、尺寸依赖性和随机断裂行为，并已开发出多种统计模型来描述不规则颗粒的失效。Kuwait等 [6] 研究了胶结颗粒材料的微观与宏观力学响应之间的关系，表明微观结构参数的可控变化可以实现对失效过程的系统分析。Ribas等 [1] 使用微压缩试验测量了尺寸为37–45 μm的不规则颗粒的断裂强度，并报告了颗粒强度与行星式球磨过程中观察到的破碎率之间的相关性。Yu等 [7] 证明了脆性颗粒断裂强度的尺寸依赖性，并评估了几种最弱链统计模型来描述其随机失效行为。Wang等 [8] 分析了不规则大理石颗粒在准静态压缩下的分形破碎特性，并推导了估算颗粒破碎能量的简化方程。Qian等 [9] 基于幂律缺陷分布的最弱链模型，使用四种类型不规则颗粒的断裂强度数据进行了进一步验证。相比之下，动态冲击方法（包括分裂霍普金森压杆（SHPB）系统和落锤试验）通常用于表征高应变率下的破碎和能量依赖型颗粒破碎，并为解释此类载荷条件下的颗粒失效建立了广泛的理论基础。Sch?nert [10] 将粉化置于断裂物理学的框架中，强调了颗粒内的应力-应变场、裂纹-能量平衡、试样尺寸效应、受控单颗粒破碎以及能量利用。King和Bourgeois [11] 随后开发了一种测量单个颗粒断裂能量的方法。Tavares和King [12] 证明了冲击载荷下的颗粒断裂能量表现出显著的颗粒间变异性和颗粒尺寸依赖性，表明其不能简单地被视为单一的常数材料属性。Tavares [13] 进一步区分了落锤试验中施加的能量与颗粒破碎中实际吸收的能量份额。从颗粒技术角度出发，Peukert [14] 和Vogel与Peukert [15], [16] 将破碎行为与材料的固有属性和外部施载条件联系起来，并开发了利用单颗粒冲击数据描述破碎概率、碎粒粒度分布和冲击磨机性能的方法。这些基于断裂能量和材料属性的方法补充了JKMRC t系和尺寸依赖型破碎框架：前者为颗粒失效的变异性及其对材料或尺寸的依赖性提供了物理解释，而后者则提供了施加的单位粉化能与产物粒度指标之间的实用工程关系。在矿物加工领域，JK落锤试验提供了一种评估矿石冲击破碎参数和尺寸依赖型破碎行为的实用方法。Ma等 [4] 使用落锤试验研究了石英、黄铁矿和磁黄铁矿的冲击破碎，并获得了每种矿物的特征破碎参数。Yu等 [17] 基于Mini-JK落锤试验开发了一种四维出现函数模型，并与传统模型相比展示了更高的预测精度和可扩展性。尽管这些研究为颗粒强度、断裂能量、产物粒度分布和冲击破碎参数提供了重要信息，但这些宏观指标本身无法完全解析晶体矿物在冲击载荷后的微观结构特征。在前期JK落锤试验的基础上，Lai等 [18] 研究了石英晶体的冲击断裂机制，并表明单个晶粒变形能力的差异导致破碎产物具有特征性粒度分布。Tyler等 [19] 采用内聚力有限元方法研究了冲击载荷下SiC的剥落强度对晶粒尺寸和晶粒形状的依赖性。其结果表明，晶粒尺寸、晶粒形貌和晶体学取向共同影响多晶材料的动态抗损伤能力。然而，系统地将微裂纹发育、晶内变形和晶粒破碎与矿物的宏观冲击破碎响应联系起来的研究仍然有限。此外，由于矿物晶体在晶体结构和解理行为方面差异显著，许多矿物的冲击相关微裂纹机制仍未得到充分理解，特别是在局部晶体学取向梯度、晶格畸变、晶界特征和晶粒尺度变形方面。

萤石（CaF?）是工业上氟的主要来源，也是信息技术、新能源技术和先进制造的重要原材料 [20]。在天然矿床中，萤石常与方解石、石英和长石共生 [21]。在实现有效浮选分离之前，通常需要通过破碎和磨矿实现充分的矿物解离。因此，了解萤石颗粒对冲击载荷的响应对于优化粉化效率和后续分离性能至关重要。我们前期对石英晶体的研究 [18] 采用了类似的JKDWT-SEM-EBSD框架，表明在较低的单位粉化能Ecs下断裂以晶间断裂为主，而在较高Ecs下则逐渐转变为穿晶断裂。研究还表明，晶界强度、晶粒尺寸和晶体学变形行为影响了石英中的裂纹扩展。这些发现提出了一个问题：这种能量依赖型的转变是否代表了脆性晶体矿物的一般响应，还是石英特有的？与石英不同，CaF?以立方萤石结构结晶，并沿{111}面表现出完美的八面体解理 [22]。这种晶体学特征可能即使在相对较低的冲击能量下也有利于解理相关的穿晶开裂。然而，萤石的宏观破碎响应是否由与石英相同的机制控制，以及在不同粒度-能量条件下其产物粒度分布、断裂形貌和冲击后晶体学取向异质性如何相互关联，目前仍未得到充分理解。很少有研究系统地将JKDWT参数、SEM观察和EBSD描述符相结合来解决萤石的这些问题。

为填补这一研究空白，本研究对不同粒度范围和比能输入条件下的高纯度萤石颗粒进行了JK落锤试验。通过分析粒度分布、破碎参数和分形特征来评估宏观断裂响应行为。采用SEM观察裂纹的表面形貌，同时利用EBSD表征破碎颗粒中的局部晶格取向差、晶粒取向展布和晶界特征。本研究旨在建立萤石颗粒宏观冲击断裂行为与其微观结构损伤特征之间的实验相关性，并阐明冲击载荷下萤石晶体的断裂特性。这为理解萤石的破碎行为提供了矿物尺度的机理基础。

各节摘要

萤石样品与材料表征

高纯度萤石样品采自中国福建省。采用滴定法定量测定了萤石样品中的CaF₂含量。结果表明，样品中含有98.88%的CaF₂，表明萤石是主要的矿物相。主要杂质为SiO₂，含量为0.32%。其他杂质主要由含K、Na、Al及其他微量元素的化合物组成，每种化合物的含量均低于0.1%。物相

冲击载荷下粉化产物粒度分布（PSD）的表征

图4展示了不同进料粒度范围在不同质量比能下冲击粉化萤石颗粒的累计通过曲线。

在图4中，纵轴表示累计通过质量分数，横轴表示颗粒尺寸。如图4所示，在不同冲击载荷条件下，颗粒粒度分布曲线表现出相似的整体形状和演化趋势。对于给定的进料粒度，累计通过曲线

结论

本研究系统研究了不同进料粒度和比能输入条件下萤石颗粒的断裂行为，采用了JKDWT结合SEM和EBSD表征手段。由此揭示了从宏观粉化到微观结构演化的萤石晶体多尺度断裂特征。主要结论如下：

• 1.
  随着Ecs的增加，颗粒破碎程度增大。然而，破碎产物之间的

CRediT作者贡献声明

赖钧泉：撰写——初稿，概念构思。廖宁宁：撰写——审阅与编辑，调查研究。沈慧明：正式分析，概念构思。吴彩斌：撰写——审阅与编辑，经费获取。尚延波：资源，方法论。张亚男：正式分析，概念构思。王承轩：可视化，资源。徐大山：数据管理。雷小明：数据管理。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家重点研发计划（2022YFC2905103）和江西省战略金属矿产资源低碳加工与利用重点实验室（2023SSY01041）提供的资金支持。

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