In den letzten Jahren hat die Entwicklung neuer Materialien weltweit rasant zugenommen. Die Materialforschung konzentriert sich auf extreme Leistungszustände und höchste Performance. Unter den neuartigen Materialien haben ultrafeine Pulver besondere Aufmerksamkeit erregt.
Die aktuelle Forschung an ultrafeinen Pulvern konzentriert sich hauptsächlich auf vier Aspekte: Herstellungsverfahren, Mikrostruktur, makroskopische Eigenschaften und Anwendungen. Die Herstellungstechnologie ist dabei der entscheidendste Faktor.
Es gibt zahlreiche Verfahren zur Herstellung ultrafeiner Pulver. Je nach Aggregatzustand lassen sie sich in Festphasen-, Flüssigphasen- und Gasphasenverfahren unterteilen. Dieser Artikel stellt die wichtigsten Verfahren vor. Herstellung von ultrafeinem Pulver Techniken und aktuelle Fortschritte.
Festphasenmethoden
Die Festphasenverarbeitung ist ein traditionelles Verfahren zur Pulverherstellung. Sie zeichnet sich durch niedrige Kosten, hohe Ausbeute und einfache Prozesse aus. Mit der Entwicklung hochenergetischer Technologien… Kugelmahlen Und kombiniert Strahlschleifen und Klassifizierung, Diese Methode wird nach wie vor häufig in Anwendungen eingesetzt, die höchste Reinheit und strenge Anforderungen stellen. Partikelgröße Eine Kontrolle ist nicht erforderlich. Festphasenverfahren werden hauptsächlich zur Herstellung ultrafeiner Pulver aus spröden Materialien eingesetzt.
Mechanisches Schleifen
Mechanisches Mahlen reduziert die Partikelgröße durch die Anwendung mechanischer Kräfte. Feste Materialien verformen sich unter Belastung und brechen, wodurch feinere Partikel entstehen.
Zu den wichtigsten Schleifmechanismen gehören: Kompression, Scherung, Stoß und Abrieb.
Die Schleifgrenze hängt von mehreren Faktoren ab, wie zum Beispiel:
- Material Eigenschaften
- Angewandte mechanische Spannung
- Schleifverfahren
- Prozessbedingungen
- Schleifumgebung
Typische Schleifgeräte umfassen: Strahlmühlen, Kugelmühlen, Rührmühlen, Luftstrommühlen und Kolloidmühlen.
Typische Betriebsbereiche von Ultrafeinmahlanlagen
| Gerätetyp | Zuführungsgröße (mm) | Produktgröße (μm) | Anwendbare Härte | Mahlmodus |
|---|---|---|---|---|
| Hohe Geschwindigkeit Prallmühle | < 8 | 3–74 | Mittel / weich | Trocken |
| Strahlmühle | < 2 | 1–30 | Mittel / weich | Trocken |
| Schwingmühle | < 6 | 1–74 | Hart / mittel / weich | Trocken / nass |
| Rührwerk | < 1 | 1–74 | Hart / mittel / weich | Trocken / nass |
| Kugelmühle | < 10 | 1–100 | Hart / mittel / weich | Trocken / nass |
| Kolloidmühle | < 0,2 | 1–20 | Mittel / weich | Nass |
Vorteile:
- Große Produktionskapazität
- Niedrige Kosten
- Einfacher Prozess
- Mechanisch–chemisch Die Aktivierung verbessert die Pulverreaktivität
Nachteile:
- Geringere Reinheit
- Begrenzte Feinheit
- Schlechte Partikelformkontrolle
Dieses Verfahren eignet sich für die industrielle Großproduktion, wie zum Beispiel Mineral Tiefenverarbeitung.
Ultraschallpulverisierung
Bei der Ultraschallpulverisierung werden feste Partikel mithilfe hochfrequenter Vibrationen zerkleinert. Das Material wird üblicherweise in einem flüssigen Medium, meist Wasser, dispergiert.
Ein Ultraschallgenerator überträgt Energie in die Flüssigkeit. Sobald die in den Partikeln gespeicherte Energie deren Bindungsenergie übersteigt, kommt es zum Bruch.
Ultraschallmahlung ist nur für locker strukturierte Partikel effektiv. Sie wird hauptsächlich zur Dispergierung agglomerierter ultrafeiner Partikel in Flüssigkeiten eingesetzt. Daher wird sie oft eher als Ultraschalldispersionssystem denn als eigentliches Mahlverfahren bezeichnet.
Thermische Zersetzungsmethode
Dieses Verfahren erzeugt neue feste Phasen durch thermische Zersetzung fester Vorläufer. Typische Zersetzungsreaktionen umfassen feste und gasförmige Phasen. Die Ausrüstung für die thermische Zersetzung ist einfach. Eine herkömmliche Widerstandsheizung ist ausreichend. Der Prozess ist leicht zu steuern.
Dieses Verfahren ist jedoch im Allgemeinen auf Oxidpulver beschränkt. Die entstehenden Partikel sind oft grob oder stark agglomeriert. Zur Gewinnung ultrafeiner Pulver ist üblicherweise ein zusätzliches Mahlen erforderlich.
Hochtemperatur-Festkörperreaktion
Dieses Verfahren beginnt mit der Festlegung der Zusammensetzung und des Verhältnisses der Rohstoffe. Gängige Reaktanten sind Oxide, Carbonate und Hydroxide. Die Materialien werden homogen vermischt und zu Presslingen verpresst. Anschließend werden sie bei hoher Temperatur kalziniert, um die gewünschte Phase zu bilden. Das Sinterprodukt wird abschließend auf die Zielpartikelgröße vermahlen. Dieses Verfahren findet breite Anwendung bei komplexen elektronischen Keramikpulvern.
Wichtige Überlegungen sind:
- Die Wahl der Ausgangsmaterialien beeinflusst die Reaktionsbedingungen und die Produkte maßgeblich.
- Die Reaktionssequenz beeinflusst die endgültigen Pulvereigenschaften.
Vorteile:
- Geeignet für die Massenproduktion
- Relativ niedrige Kosten
Nachteile:
- Die Partikelgröße lässt sich nur schwer unter 0,5–1 μm reduzieren.
- Mechanisches Schleifen kann Verunreinigungen einbringen.
Flüssigphasenverfahren
Flüssigphasenverfahren bieten flexible Prozesse, einfache Handhabung und präzise Partikelgrößenkontrolle. Sie ermöglichen die Kontrolle der Zusammensetzung und einfaches Dotieren. Die Mischung kann auf molekularer oder atomarer Ebene erfolgen. Die resultierenden Pulver weisen eine hohe Oberflächenaktivität auf. Diese Verfahren werden in Laboren und der Industrie häufig zur Herstellung ultrafeiner Metalloxidpulver eingesetzt.
Niederschlagsmethode
Die Fällung ist eine der gebräuchlichsten Methoden der Flüssigphasensynthese.
Lösliche Salze reagieren in Lösung und bilden unlösliche Verbindungen, wie zum Beispiel:
- Hydroxide
- Carbonate
- Sulfate
- Oxalate
Der Niederschlag wird anschließend durch Erhitzen oder direkte Behandlung zersetzt, um das Endprodukt zu erhalten.
Zu den wichtigsten Niederschlagsmethoden gehören:
- Direkter Niederschlag
- Kopräzipitation
- Homogener Niederschlag
- Komplexe Niederschlagsmenge
- Hydrolyse-Fällung
Vorteile:
- Einfacher Reaktionsprozess
- Niedrige Kosten
- Einfache industrielle Skalierung
- Geeignet für einzelne oder zusammengesetzte Oxide
Nachteile:
- Schwierige Filtration
- Restliche Fällungsmittel als Verunreinigungen
- Produktverlust beim Waschen
Hydrothermale Methode
Die hydrothermale Methode arbeitet in einem geschlossenen System unter hoher Temperatur und hohem Druck. Die Reaktionen finden in Wasser, wässrigen Lösungen oder Wasserdampf statt.
Mit diesem Verfahren werden Pulver mit folgenden Eigenschaften hergestellt:
- Kleine Partikelgröße
- Hohe Reinheit
- Gute Dispersion
- Enge Größenverteilung
- Kontrollierte Kristallstruktur
- Minimale Agglomeration
Dadurch lassen sich Phasenumwandlungs-, Zersetzungs- oder Verflüchtigungsprobleme, die bei hohen Temperaturen auftreten, vermeiden.
Gängige hydrothermale Verfahren sind:
Hydrolyse-Oxidation, hydrothermale Fällung, Synthese, Dehydratisierung, Zersetzung, Kristallisation, anodische Oxidation und Lichtbogen-aktive Elektrodenmethoden.
Diese Methode birgt ein hohes Entwicklungspotenzial.
Mikroemulsionsmethode (Umgekehrte Mizellenmethode)
Mikroemulsionen sind thermodynamisch stabile Systeme aus Wasser, Öl, Tensiden und Co-Tensiden. W/O-Mikroemulsionen wirken als Mikroreaktoren und begrenzen das Partikelwachstum auf die Nanoskala.
Da die Reaktion in winzigen Wasserkernen stattfindet, ist das Wachstum der Reaktionsprodukte durch den Radius dieser Wasserkerne begrenzt. Daher bestimmt die Größe der Wasserkerne direkt die Größe der ultrafeinen Pulverpartikel. Durch die Auswahl verschiedener Tenside und Co-Tenside lassen sich Wasserkerne unterschiedlicher Größe erzeugen, wodurch die Synthese ultrafeiner Pulver mit verschiedenen Partikelgrößen ermöglicht wird.
Mit dieser Methode wurden folgende Materialien synthetisiert: Nano-Fe₂O₃, Nano-Al(OH)₃, Nano-CdS und Nano-Fe–B-Komposite.
Sol-Gel-Methode
Das Sol-Gel-Verfahren wandelt metallorganische oder anorganische Vorläufer in Feststoffe um durch:
Lösung → Sol → Gel → Wärmebehandlung.
Basierend auf den Gelierungsmechanismen umfasst es:
- Kolloidaler Sol-Typ
- Anorganischer Polymertyp
- Komplexer Typ
Diese Methode erzeugt:
- sphärische Partikel
- Enge Größenverteilung
- Minimale Agglomeration
- Amorphe oder nanokristalline Oxide
Es senkt außerdem die Sintertemperatur und beschleunigt die Verdichtungskinetik.
Lösungsmittelverdampfungsmethode
Bei diesem Verfahren wird das Lösungsmittel aus einer Lösung entfernt. Übersättigung führt zur Ausfällung des gelösten Stoffes. Um eine gleichmäßige Verteilung zu gewährleisten, werden die Lösungen in feine Tröpfchen zerstäubt. Sprühverfahren werden häufig angewendet.
Zu den Hauptvarianten gehören:
- Gefriertrocknung
- Sprühtrocknung
- Heißes Kerosintrocknen
- Sprühpyrolyse
Sprühpyrolyseverfahren:
- Lösungsmittel verdunstet von den Tropfenoberflächen
- Tropfen schrumpfen im Volumen
- Der gelöste Stoff diffundiert zum Zentrum hin.
- Wärmeübertragung von der Gasphase auf Tröpfchen
- Wärme wird im Inneren von Tröpfchen geleitet
Vorteile:
- Produziert kugelförmige Pulver
- Gute Fließfähigkeit
- Geeignet für komplexe Oxide
- Hohe Reinheit
Nachteile:
- Gilt nur für lösliche Salze
Gasphasenmethoden
Bei Gasphasenverfahren werden ultrafeine Partikel direkt in der Gasphase erzeugt.
Sie sind unterteilt in:
- Physikalische Prozesse (Verdampfung–Kondensation)
- Chemische Prozesse (Gasphasenreaktionen)
Zu den Heizmethoden gehören:
Widerstandserwärmung, Flammensynthese, Plasma- und Lasererwärmung.
Hauptmerkmale:
- Hohe Reinheit
- Enge Partikelgrößenverteilung
- Hervorragende Dispersion
- Sehr kleine Partikelgröße
Verdampfung-Kondensation in Niederdruckgas
Durch Verdampfung und Kondensation können aus jedem festen Material Nanopartikel entstehen.
Unterschiedliche Wärmequellen und Atmosphären führen zu unterschiedlichen Prozessen.
Zu den Heizmethoden gehören:
Widerstandserwärmung, Lichtbogenentladung, Plasmaerwärmung, Induktionserwärmung, Lasererwärmung und Elektronenstrahlerwärmung. Plasma-, Induktions- und Laserverfahren sind besonders vielversprechend für industrielle Anwendungen.
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Bei der CVD werden flüchtige Metallverbindungen als Vorläufer verwendet. Diese Verbindungen zersetzen sich oder reagieren in der Gasphase zu Nanopartikeln.
Es ist hochwirksam bei Materialien mit hohem Schmelzpunkt.
Je nach Heizmodus umfasst CVD Folgendes:
- Thermische CVD
- Plasmaverstärkte CVD
- Laser CVD
Vorteile:
- Extrem hohe Reinheit
- Präzise Prozesssteuerung
- Schnittstellensteuerung auf atomarer Ebene
- Flexible Zusammensetzung und Kristallstruktur
CVD findet breite Anwendung in der Mikroelektronik, bei Funktionsbeschichtungen und der Synthese ultrafeiner Partikel.
Sputterverfahren
Beim Sputtern wird zwischen Elektroden eine Glimmentladung erzeugt. Ionen bombardieren das Zielmaterial und lösen Atome heraus. Die gesputterten Atome kühlen ab und kondensieren oder reagieren zu ultrafeinen Pulvern.
Mit dieser Methode lassen sich folgende Ergebnisse erzielen:
- Hochschmelzende Metallpulver
- Verbundpulver
- Kompositpulver
Vorteile:
- Enge Partikelgrößenverteilung
Nachteile:
- Sehr geringe Produktionsausbeute
Zu den weiteren Methoden gehören die Templatsynthese, die Metalldampfsynthese und die Gasphasenkondensation.
Abschluss
Die Forschung zur Herstellung ultrafeiner Pulver nimmt rasant zu. Ständig entstehen neue Technologien, während traditionelle Methoden kontinuierlich verbessert werden. In der Praxis werden Prozesse je nach den gewünschten Pulveranforderungen ausgewählt oder kombiniert. Die Materialauswahl und Parameteroptimierung verbessern die Pulvereigenschaften zusätzlich. Im Vergleich zu Industrieländern steht die chinesische Pulverindustrie jedoch weiterhin vor Herausforderungen. Zu den Hauptproblemen zählen Oxidation, Agglomeration und Feuchtigkeitsaufnahme. Die Lösung dieser Probleme ist unerlässlich für die industrielle Großproduktion ultrafeiner Pulver.
Vielen Dank fürs Lesen. Ich hoffe, mein Artikel war hilfreich. Hinterlassen Sie gerne einen Kommentar. Bei weiteren Fragen können Sie sich auch an den Online-Kundendienst von Zelda wenden.
— Gepostet von Emily Chen