日本国立研究开发法人产业技术综合研究所（以下，产综研）明确了在粉碎装置“球磨机”中，用于粉碎的球体如果不使用传统的球形，而是使用像轻轻压扁的椭圆体那样的不规则形状，粉碎效率会提高约10%。如果能在工业现场验证其实用性，有望在矿石中提取有用矿物的选矿和水泥制造等领域，取代迄今为止使用的球形球体。
通过球谐函数和接触面积分析，设计出能在球磨机中高效夹住粉碎对象的形状（供图：产综研新闻稿）
球磨机是一种在旋转的圆筒内放入硬球和材料，通过冲击和摩擦对材料进行微粉化及混合的装置。虽然广泛用于矿石、陶瓷、颜料、化学原料等的粉碎，但旋转圆筒等输入的大部分能量都会作为热量和振动损失掉。为了提高粉碎效率，此前也有过将球体制成类似子弹形状等的提案。但是，也有报告称在再现实验中未能获得超过球体的结果，因此使用球形磨球的传统做法持续了100多年。
产综研的上田高生（资源工学）主任研究员认为，如果采用接触面积大的球体能夹住对象物进行粉碎，可以提高粉碎效率。研究团队利用相当于傅里叶级数三维版的“球谐函数”，制作了许多没有孔的三维物体。排除了有极端尖刺容易磨损等无法实用的形状。
针对剩下的5500个形状，分别进行了1万次随机旋转并测量接触部分的计算，得出了接触面积的平均值。比较各形状的平均值发现，类似轻微不对称压扁的椭圆体那样的黄豆状形状的接触面积最大。
球形球体（介质）的接触面积小。接触面积大的球体被认为能夹住更多的粉碎对象（供图：产综研新闻稿）
为了验证数值分析出的最佳形状是否实际上能比球形更高效地进行破碎，研究人员切削氧化铝分别制作了10个球形和黄豆状球体（OPTIPSE），在直径10厘米、深12厘米的小型球磨机中进行了粉碎实验。
用氧化铝制作的球体。球形（左）和黄豆状的OPTIPSE（供图：产综研新闻稿）
实验中统一了球磨机的旋转速度和时间等条件，分别用各自的球体粉碎了约80克的硅砂和石灰石。粉碎后收集粒径90微米（微米为100万分之一米）以下的微小粒子并测量了重量。结果显示，OPTIPSE与球形时相比，微小粒子的重量比例增加了7～16%，由此判断粉碎效率良好。
在直径10厘米、深12厘米的瓷制球磨机（容量约900毫升）中进行粉碎实验，显示出粉碎效率的微小粒子重量比例增加了7～16%（供图：产综研新闻稿）
对球磨机内的情况进行模拟发现，与粉碎对象的接触次数多，且产生了巨大的冲击力。上田主任研究员表示：“虽然没有压扁到黄豆那种程度，但我们认为滚动时不会直线前进的不规则形状与此有关。”
上田主任研究员表示，今后将验证使用实际应用的铁制作球体是否也能获得同样的效果等，目标是进行实际规模的验证实验。相关成果于2025年11月8日发表在国际学术期刊《Minerals Engineering》电子版上。
原文：JST Science Portal 编辑部
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Minerals Engineering
论文：Efficient ball mill media shape design using spherical harmonic functions
DOI：10.1016/j.mineng.2025.109912
