日本國立研究開發法人產業技術綜合研究所（以下，產綜研）明確了在粉碎裝置「球磨機」中，用於粉碎的球體如果不使用傳統的球形，而是使用像輕輕壓扁的橢圓體那樣的不規則形狀，粉碎效率會提高約10%。如果能在工業現場驗證其實用性，有望在礦石中提取有用礦物的選礦和水泥製造等領域，取代迄今為止使用的球形球體。
通過球諧函數和接觸面積分析，設計出能在球磨機中高效夾住粉碎對象的形狀（供圖：產綜研新聞稿）
球磨機是一種在旋轉的圓筒內放入硬球和材料，通過衝擊和摩擦對材料進行微粉化及混合的裝置。雖然廣泛用於礦石、陶瓷、顏料、化學原料等的粉碎，但旋轉圓筒等輸入的大部分能量都會作為熱量和振動損失掉。為了提高粉碎效率，此前也有過將球體製成類似子彈形狀等的提案。但是，也有報告稱在再現實驗中未能獲得超過球體的結果，因此使用球形磨球的傳統做法持續了100多年。
產綜研的上田高生（資源工學）主任研究員認為，如果採用接觸面積大的球體能夾住對象物進行粉碎，可以提高粉碎效率。研究團隊利用相當於傅立葉級數三維版的「球諧函數」，製作了許多沒有孔的三維物體。排除了有極端尖刺容易磨耗等無法實用的形狀。
針對剩下的5500個形狀，分別進行了1萬次隨機旋轉並測量接觸部分的計算，得出了接觸面積的平均值。比較各形狀的平均值發現，類似輕微不對稱壓扁的橢圓體那樣的黃豆狀形狀的接觸面積最大。
球形球體（介質）的接觸面積小。接觸面積大的球體被認為能夾住更多的粉碎對象（供圖：產綜研新聞稿）
為了驗證數量分析出的最佳形狀是否實際上能比球形更高效地進行壓碎，研究人員切削氧化鋁分別製作了10個球形和黃豆狀球體（OPTIPSE），在直徑10厘米、深12厘米的小型球磨機中進行了粉碎實驗。
用氧化鋁製作的球體。球形（左）和黃豆狀的OPTIPSE（供圖：產綜研新聞稿）
實驗中統一了球磨機的旋轉速度和時間等條件，分別用各自的球體粉碎了約80克的矽砂和石灰石。粉碎後收集粒徑90微米（微米為100萬分之一米）以下的微小粒子並測量了重量。結果顯示，OPTIPSE與球形時相比，微小粒子的重量比例增加了7～16%，由此判斷粉碎效率良好。
在直徑10厘米、深12厘米的瓷製球磨機（容量約900毫升）中進行粉碎實驗，顯示出粉碎效率的微小粒子重量比例增加了7～16%（供圖：產綜研新聞稿）
對球磨機內的情況進行模擬發現，與粉碎對象的接觸次數多，且產生了巨大的衝擊力。上田主任研究員表示：「雖然沒有壓扁到黃豆那種程度，但我們認為滾動時不會直線前進的不規則形狀與此有關。」
上田主任研究員表示，今後將驗證使用實際應用的鐵製作球體是否也能獲得同樣的效果等，目標是進行實際規模的驗證實驗。相關成果於2025年11月8日發表在國際學術期刊《Minerals Engineering》電子版上。
原文：JST Science Portal 編輯部
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Minerals Engineering
論文：Efficient ball mill media shape design using spherical harmonic functions
DOI：10.1016/j.mineng.2025.109912
