超声波制备粉体_超声波法制备纳米粉
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超声波化学法制备无机粉体的研究进展
李金换,王国文
(陕西科技大学材料科学与工程学院, 咸阳710021)摘要随着科技的发展, 合成无机粉体的新方法层出不穷。近年来,超声化学方法 合成无机材料得到了飞速的发展, 引起了科学界越来越多的关注。本文从超声化学 的基本原理和特点出发, 简要介绍了近年来超声化学法在无机粉体合成中的研究进 展。在化学方法的基础之上结合超声波的特色, 在有机溶剂和微乳液中制备无机粉 体, 能更好地控制粒子的尺寸和形貌。关键词超声化学;空化;无机粉体化泡崩溃时, 极短时间内在空化泡周围的极小空间 中, 将产生瞬间的高温(5 000K)和高压(1 800atm)及超过1010K/s 的冷却速度, 并伴随强烈的冲击波和 时速达400km 的射流及放电发光作用。由上所述, 超声空化伴随的物理效应归纳为4 种:(1)机械效应(体系中的冲击波、冲击流和微射流);(2)热效应(体 系中的高温、高压和整体的升温);(3)光效应(声致 发光);(4)活化效应(产生自由基)。液体声空化的过 程是集中声场能量并迅速释放的过程。这就为在一 般条件下不可能或难以实现的化学反应提供了一种 非常特殊的物理环境, 足以使有机物、无机物在空化 气泡内发生化学键断裂、水相燃烧和热分解条件, 促 进非均相界面之间搅动和相界面的更新, 加速了界 面间的传质和传热过程完成, 使很多采用传统方法 难以进行的反应得以顺利进行。
一般认为, 声化学反应过程可能发生在三个不 同的区域中:(1)流体空化泡中;(2)在空化泡与液 体的气(汽)液界面上;(3)发生在空化冲击波传播 的流体里。
超声的频率也比较低, 一般小于1MHz,而声强 则要求较高, 一般大于(5W/cm2)。影响声化学反应的 声学参数很多, 主要包括超声频率、超声强度与声功 率、超声辐照时间、超声波形、声场的性质及形状等。其他影响参数包括温度、大气压强、反应液体等[4,5]。超声波化学法在制备无机粉体中的应用
超声空化作用产生的高温和在固体颗粒表面产 生的大量微小气泡也大大降低了微小晶粒的比表面 自由能, 抑制了晶核的聚集与长大。另外超声空化产 生的冲击波和微射流对颗粒的剪切与破碎作用也有 效地破坏了晶核或微粒间的团聚, 控制了颗粒的尺 寸。因此, 超声波化学法在制备无机粉体中得到了广 泛的应用。
2.1 超声共沉淀法制备无机纳米粉体
共沉淀工艺法是典型的液相湿化学方法, 是指 在溶液中由反应物相互作用同时形成沉淀的方法。而超声波-共沉淀法制备无机粉体是基于化学共沉 淀法, 其主要过程是利用金属盐溶液与沉淀剂反应, 制取相应盐的凝胶沉淀, 在共沉淀的过程中采用超 声波辐照辅助反应, 然后将洗净的凝胶沉淀经过热 处理之后而转化为超细的无机纳米粉体。超声辐射 通过影响沉淀晶核形成与生长的动力学过程及微粒 间的相互作用, 有效地防止与控制了沉淀反应过程中 形成的微小颗粒的长大与团聚, 从而获得粒径细小、分散程度高的前驱物沉淀颗粒。
郑少华[6]、王平等以ZrOCl2·8H2O 和MgO、乙醇 和盐酸等作为原料, 采用超声波-共沉淀法制备出
ZrO2-MgO 超细粉。实验结果表明: 用超声波辐照制备 合成出来的MgO 稳定ZrO2 超细粉, 结晶温度低, 粉
料的分散性好, 不易团聚。
陈雪梅[7]、陈彩凤等将超声辐射应用于以硫酸铝 铵和碳酸氢铵为原料的沉淀法制备了Al2O3 纳米粉 体。实验结果表明: 超声辐射由于其自身的空化作用 不仅细化了前驱体颗粒、抑制了其间的团聚, 而且延 缓了其向凝胶的转变过程, 从而有效地细化α-Al2O3 颗粒, 但过高的频率却易导致颗粒间的进一步聚合。
Nina Perkas[8]等以HAuCl4 为原料, 将其溶解于 盐酸水溶液中, 加入二氧化钛粉体, 在95%氩气和 5%氢气的混合气氛中, 在超声波的辐照下进行一定
时间的热处理制备出金诱导的和结。实验结果表明, 可以在较低的温度下制备出方石英相的SiO2 晶体和 锐钛矿相的TiO2 晶体。
2.2 超声溶胶-凝胶法制备无机金属氧化物粉体 溶胶-凝胶工艺是60 年代发展起来的一种材料
制备方法, 其基本过程是: 一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某种溶剂中与水发生反应, 经 过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化, 再经过干燥、煅烧、烧结等后处理工序, 最后制得所需的材料。在溶胶-凝 胶过程中引入一定强度和时间的超声波, 可以促进或 改变水解、缩聚、成核及晶体生长过程。龚晓钟[9]、汤皎宁以乙酸锌水溶液和草酸无水乙 醇溶液为原料, 又以乙酸锌和柠檬酸无水乙醇溶液为 原料, 用溶胶-凝胶法以超声振荡方式制备出粒径为
37.0nm 左右的六方晶型。制得的ZnO 微粒与用一般 溶胶-凝胶法制备的颗粒比较, 发现前者颗粒均匀, 粒 径较小, 比表面积大。
国伟林[10]等利用钛酸四丁酯为原料, 在超声波辐 照下直接制备出粒径为5nm×9nm、单分散性良好的 锐钛矿型长柱状纳米Ti02。还利用TiCl4 为原料, 制备 出粒径为 3nm×9nm 的金红石型纳米Ti0 2, 颗粒形状 为长柱状, 且粒子之间相互取向连生形成羽状枝蔓 晶。
2.3 超声悬浮液法制备无机复合粉体
作为结构材料的陶瓷粉体例如Al2O3, SiC 等, 由
于单组分的材料难以满足多种性能的要求, 特别是它
李金换等: 超声波化学法制备无机粉体的研究进展学术研究9 的韧性不够好, 使用受到限制, 长期以来, 科学家们 对此进行了大量的研究工作, 通过各种途径改善材 料的断裂韧性。通过复合, 集不同组分的优点于一 身, 或者不同组分的协同作用, 以获取高韧性的陶瓷 复合材料。这是当前的一大研究课题, 在二元或多元 粉体的复合过程中, 如何使各组分均匀化分散是一 个关键问题。
多相悬浮分散法是一种相悬浮液分散法, 是一 种有效的降低粉体团聚、使复合粉体各组分充分混 合的方法。但是研究表明, 料浆中颗粒之间的硬团聚 无法用传统的机械搅拌和球磨方式来消除, 而超声 振荡可以达到更好的分散效果。
用超声波来均匀分散复合粉体时, 必须充分考 虑到过度超声引起的团聚现象。Xiao-feng Qiu[11] , Jun-Jie Zhu 等在利用超声化学法制备Bi2Se3 纳米
粉体时, 发现过度的超声波作用反而会引起颗粒的 团聚。可见, 要利用超声振荡来得到均匀分散的无机 复合粉体, 必须把超声处理的条件, 如强度、功率、作 用时间等控制在适当的范围。否则, 可能会产生适得 其反的效果。
D.N.Srivastava[12] , V.G.Pol 用超声波来均匀
分散复合悬浮液, 发现随着超声波分散时间的延长, 复合悬浮液的粘度显著降低, 颗粒分散程度得到提 高, 所得到的粉料平均粒径为4～6nm。
Kurikka[13]等采用超声悬浮技术, 以硅烷和二氧
化钛还有戊烷、庚烷为原料, 制备出硅烷包裹的二氧 化钛粒子。将采用离心分离技术干燥后制得的样品 和未经超声辐射的样品进行对比发现, 超声辐射之 后的微粒平均颗粒粒径比前者小几十个纳米, 而且 颗粒团聚程度低, 性能良好。但是颗粒粒度分布范围 比较窄。结束语 超声化学法是将物理方法与化学方法有机结合 起来的一种方便、有效、安全的技术, 已发展成为一 种材料合成、处理的重要方法, 引起了人们极大的兴 趣和高度重视。超声波在材料合成中有着极大的潜 力, 特别是一些目前我们采用激光、紫外线照射和 热、电作用无法实现的目标, 通过超声波方法却能达 到, 尤其是纳米材料的制备方面。超声波化学法可以 利用超声能量来加速和控制物质的化学反应, 能提 高反应产率和引发新的化学反应, 具有反应速度快、条件温和、反应效率高的优点。
关于声化学的实验室研究报道很多, 然而大规模 的工业应用很少。尽管不合适的超声频率和温度会导 致颗粒的团聚, 恰当的条件还有待于我们去发现和探 索, 但是我们应该充满信心, 预计随着声化学研究领 域的不断扩大和深入, 随着超声化学机理和设备的进 一步完善和发展, 其工业化程度必将进一步得到提 高, 其必将为社会和人类创造更多的财富。
参考文献
[1] 卢小琳, 国伟林, 王西奎.超声化学法制备无机纳米材料的研究
进展.中国粉体技术[J],2004, 1: 44～48 [2] 王俊中, 胡源, 陈祖耀.超声化学制备纳米材料的研究进展.稀
有金属材料与工程[J], 2003, 8: 585～590 [3] 肖锋, 叶建东, 王迎军.超声技术在无机材料合成与制备中的应用.硅酸盐学报[J],2002, 5: 615～619 [4] 邬建辉, 张传福, 吴琳琳等.超声波在粉体材料制备中的应用.有色金属[J] ,2001, 3: 81～83 [5] 林书玉.功率超声技术的研究现状及其最新进展.陕西师范大
学学报[J],2001, 1: 101～106 [6] 郑少华, 王平, 王介强等.超声波-共沉淀法制备ZrO-MgO 超细
粉.中国粉体技术[J],2004, 3: 17～20 [7] 陈雪梅,陈彩凤.超声化学法制备Al2O3 纳米粉体.中国有色金
属学报[J], 2003 , 13 : 122～126 [8] Nina Perkas, Vilas G.Pol, Swati V.Pol.Gold-Induced Crystallization of SiO2 and TiO2 Powders American Chemical Society [J], 2003,5,302～306 [9] 龚晓钟, 汤皎宁.超声辐射溶胶-凝胶法制备活性ZnO 其表征.热加工工艺[J] ,2004, 2: 1～6 [10] 国伟林, 杨中喜, 王西奎等.纳米二氧化钛的超声化学法合成.硅酸盐学报[J] ,2004, 8: 1 008～1 011 [11] Xiaofeng Qiu, Junjie Zhu , Lin Pu.Size-controllable sonochemical synthesis of thermoelectricmaterial of Bi2Se3 Nanocrystals, Inorganic Chemistry Communication[J] , 2004 ,7 : 319～321 [12] D.N.Srivastava , V.G.Pol , O.Palchik.Preparation of stable porous nickel and cobalt oxides using simple inorganic precursor, instead of alkalizes by a sonochemical technique.Ultrasonic Sonochemistry[ J] ,2005 , 12: 205～212 [13] Kurikka V.P.M.Shafi, Abraham Ulman.Sonochemical Preparation of Silane-Coated Titania.Particles Langmuir[J], 2001, 17: 1 726～1 730 [14] 朱俊杰.超声化学法合成金属硫族半导体纳米材料.微纳电子
技术[J] ,2002, 12: 21～27 [15] D.N.Srivastava , N.Perkas , G.A.Seisenbaeva , Y.Koltypin , etc.Preparation of porous cobalt and nickel oxides from correspondingalkoxides using a sonochemical technique and its applicationas a catalyst in the oxidation of hydrocarbons Ultrasonics Sonochemistry [J] 2003 ,10 : 1～9 [16] O.Kru¨ger a, Th.-L.Schulze b, D.Peters Sonochemical treatment of natural ground water at different high frequencies: preliminary results Ultrasonics Sonochemistry[J],1999 , 6 : 123～128 [17] J.L.Capelo , C.Maduro, A.M.Mota, Evaluation of focused ultrasound and ozonolysis as sample treatment for direct determination of mercury by FI-CV-AAS.Optimization of parameters by full factorial design.UltrasonicsSonochemistry[J] ,2006, 13: 98～106 江苏陶瓷Jiangsu Ceramics 2007 年4 月第40 卷第2 期
(下转第15 页)10 composite ceramic material [J].J.Chin.Ceram.Soc.,2000,28(6): 538~544.[22] Deng Jianxin and Ai Xing.Wear resistance of Al2O3/TiB2 ceramic cutting tools in sliding wear tests and in machining procees [J].Journal of Materials Proceing Technology, 1997, 72(2):249~ 255 [23] Chonghai Xu.Effects of particle size and matrix grain size and volume fraction of particles on the toughening of ceramic composite by thermal residual stre [J].Ceramics International,2005(31): 537~542 [24] 李建保等.陶瓷材料的显微结构设计与自补强韧化组元的生成机理.材料导报[J], 2001, 15(4): 16~19 [25] 刘彤等.长柱状晶高韧性氧化铝陶瓷的制备与性能研究.材料
工程[J], 2001(8): 14~16 [26] 黄勇等.陶瓷强韧化新纪元--仿生结构设计.材料导报[J], 2000, 14(8): 8~10 [27] 高濂, 李蔚著.纳米陶瓷[M].北京:化学工业出版社, 2001 [28] Chih-Peng Lin, Shaw-Bing Wen, Ting-Tai Lee.Preparation of nanometersized α-alumina powders by calcining an emulsion of boehmite and oleiacid[J].J Am Ceram Soc, 2002, 85(1):129~133 [29] Zhong jun Li, Xun Feng, Hongguang Yao.Ultrafine alumina powders derived from ammonium aluminum carbonate hydroxide [J].J Mater Sci, 2004(39):2 267~2 269.[30] Ji-guang Li, Xudong Sun.Synthesis and sintering behavior of a nanocrystalline α-alumina powders[J].Acta mater, 2000(48):3 103~ 3 112.[31] Zeng W, Gao L, Guo J.Sintering kinetics of α-Al2O3 powder[J].Ceramics International, 1999(25):723~729 [32] Chen I, Wang X.Sintering dense nanocrystalline ceramics without stage grain growth[J].Nature, 2000, 404(3):168~171.[33] Niihara K.New design concepts of structural ceramic-ceramic
