최근 몇 년 동안 전 세계적으로 신소재 개발이 가속화되고 있습니다. 소재 연구는 극한 상태와 고성능을 향해 나아가고 있으며, 이러한 신소재 중에서도 초미세 분말이 상당한 주목을 받고 있습니다.
초미세 분말에 대한 현재 연구는 주로 제조 방법, 미세 구조, 거시적 특성 및 응용 분야라는 네 가지 측면에 집중되어 있습니다. 그중에서도 제조 기술은 가장 중요한 요소입니다.
초미세 분말을 제조하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 관련된 물질의 상태에 따라 고체상 방법, 액체상 방법, 기체상 방법으로 분류할 수 있습니다. 본 논문에서는 주요 방법들을 소개합니다. 초미세 분말 제조 기술 및 최근 발전 상황.
고체상 방법
고체상 공정은 전통적인 분말 생산 방식입니다. 저렴한 비용, 대량 생산, 간단한 공정이 특징입니다. 고에너지 기술의 발전과 함께 볼 밀링 그리고 결합된 제트 연삭 및 분류, 이 방법은 초고순도 및 엄격한 요구 사항이 필요한 응용 분야에서 여전히 널리 사용되고 있습니다. 입자 크기 제어는 필요하지 않습니다. 고체상 합성법은 주로 취성 재료의 초미세 분말을 제조하는 데 사용됩니다.
기계 연삭
기계적 분쇄는 가해지는 기계적 힘을 통해 입자 크기를 줄입니다. 고체 물질은 응력을 받으면 변형되고 파괴되어 더 미세한 입자를 생성합니다.
주요 분쇄 메커니즘에는 압축, 전단, 충격 및 마모가 포함됩니다.
분쇄 한계는 다음과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다.
- 재료 특성
- 적용된 기계적 응력
- 분쇄 방법
- 공정 조건
- 연삭 환경
일반적인 분쇄 장비는 다음과 같습니다. 제트 밀, 볼 밀, 교반 밀, 공기 흐름 밀, 콜로이드 밀.
초미세 분쇄 장비의 일반적인 작동 범위
| 장비 유형 | 공급 크기(mm) | 제품 크기(μm) | 적용 가능한 경도 | 연삭 모드 |
|---|---|---|---|---|
| 고속 임팩트 밀 | < 8 | 3–74 | 중간/부드러움 | 마른 |
| 제트밀 | < 2 | 1~30 | 중간/부드러움 | 마른 |
| 진동밀 | < 6 | 1–74 | 단단함 / 중간 / 부드러움 | 건조/습윤 |
| 교반식 분쇄기 | < 1 | 1–74 | 단단함 / 중간 / 부드러움 | 건조/습윤 |
| 볼밀 | < 10 | 1~100 | 단단함 / 중간 / 부드러움 | 건조/습윤 |
| 콜로이드 밀 | < 0.2 | 1–20 | 중간/부드러움 | 젖은 |
장점:
- 대규모 생산 능력
- 저렴한 가격
- 간단한 절차
- 기계적인 –화학적인 활성화는 분말의 반응성을 향상시킵니다.
단점:
- 순도 저하
- 제한된 정밀도
- 입자 형상 제어 불량
이 방법은 대규모 산업 생산에 적합합니다. 광물 심층 처리.
초음파 분쇄
초음파 분쇄는 고주파 진동을 이용하여 고체 입자를 파쇄하는 방식입니다. 분쇄 대상 물질은 일반적으로 액체 매질, 가장 흔하게는 물에 분산되어 있습니다.
초음파 발생기는 액체에 에너지를 전달합니다. 입자 내부에 축적된 에너지가 입자 간 결합 에너지를 초과하면 파괴가 발생합니다.
초음파 분쇄는 구조가 느슨한 입자에만 효과적입니다. 주로 액체 속에 응집된 초미세 입자를 분산시키는 데 사용되므로, 진정한 분쇄 방법이라기보다는 초음파 분산 시스템이라고 부르는 경우가 많습니다.
열분해법
이 방법은 고체 전구체의 열분해를 통해 새로운 고체상을 생성합니다. 일반적인 분해 반응에는 고체상과 기체상이 모두 관여합니다. 열분해 장비는 간단하며, 일반적인 저항 가열로도 충분합니다. 또한, 공정 제어가 용이합니다.
하지만 이 방법은 일반적으로 산화물 분말에만 적용 가능합니다. 생성된 입자는 종종 거칠거나 심하게 응집되어 있습니다. 초미세 분말을 얻으려면 일반적으로 추가적인 분쇄가 필요합니다.
고온 고체상 반응
이 방법은 원료의 조성과 비율을 설계하는 것으로 시작합니다. 일반적인 반응물로는 산화물, 탄산염, 수산화물 등이 있습니다. 재료들을 균일하게 혼합한 후 압축하여 소형화합니다. 그런 다음 고온에서 소성하여 원하는 상을 형성합니다. 소결된 제품은 최종적으로 목표 입자 크기로 분쇄합니다. 이 방법은 복잡한 전자 세라믹 분말 제조에 널리 사용됩니다.
주요 고려 사항은 다음과 같습니다.
- 출발 물질의 선택은 반응 조건과 생성물에 큰 영향을 미칩니다.
- 반응 순서는 최종 분말의 특성에 영향을 미칩니다.
장점:
- 대량 생산에 적합
- 상대적으로 저렴한 비용
단점:
- 입자 크기를 0.5~1 μm 이하로 줄이는 것은 어렵습니다.
- 기계적 분쇄 과정에서 불순물이 유입될 수 있습니다.
액상 방법
액상 합성법은 유연한 공정, 간편한 조작, 정밀한 입자 크기 제어 등의 장점을 제공합니다. 또한, 조성 제어 및 손쉬운 도핑이 가능하며, 분자 또는 원자 수준에서의 혼합이 가능합니다. 이렇게 얻어진 분말은 높은 표면 활성을 나타냅니다. 이러한 액상 합성법은 금속 산화물 초미세 분말 생산을 위해 연구실 및 산업 현장에서 널리 사용되고 있습니다.
침전법
침전법은 가장 일반적인 액상 합성 방법 중 하나입니다.
용해성 염은 용액 내에서 반응하여 다음과 같은 불용성 화합물을 형성합니다.
- 수산화물
- 탄산염
- 황산염
- 옥살산염
그런 다음 침전물을 가열하거나 직접 처리하여 분해함으로써 최종 제품을 얻습니다.
주요 침전 기술은 다음과 같습니다.
- 직접 강수
- 공침
- 균일한 강수
- 복합 강수
- 가수분해 침전
장점:
- 간단한 반응 과정
- 저렴한 가격
- 손쉬운 산업 규모 확장
- 단일 산화물 또는 복합 산화물에 적합합니다.
단점:
- 여과가 어렵습니다
- 잔류 침전제는 불순물로 존재한다.
- 세탁 중 제품 손실
수열법
수열합성법은 고온 고압의 밀폐된 시스템에서 진행됩니다. 반응은 물, 수용액 또는 증기 중에서 일어납니다.
이 방법으로 생산되는 분말은 다음과 같은 특성을 지닙니다:
- 작은 입자 크기
- 고순도
- 우수한 분산성
- 좁은 크기 분포
- 제어된 결정 구조
- 최소 응집
고온에서 발생하는 상변화, 분해 또는 휘발 문제를 방지할 수 있습니다.
일반적인 수열 합성 기술은 다음과 같습니다.
가수분해 산화, 수열 침전, 합성, 탈수, 분해, 결정화, 양극 산화 및 아크 활성 전극법.
이 방법은 뛰어난 발전 가능성을 보여줍니다.
마이크로에멀젼(역마이셀) 방법
마이크로에멀젼은 물, 오일, 계면활성제 및 보조 계면활성제로 구성된 열역학적으로 안정한 시스템입니다. W/O 마이크로에멀젼은 마이크로 반응기 역할을 하며 나노 규모에서 입자 성장을 억제합니다.
이 반응은 미세한 물 분자핵에서 일어나기 때문에 반응 생성물의 성장은 물 분자핵의 반지름에 의해 제한됩니다. 따라서 물 분자핵의 크기가 초미세 분말 입자의 크기를 직접적으로 결정합니다. 서로 다른 계면활성제와 보조 계면활성제를 선택함으로써 서로 다른 크기의 물 분자핵을 형성할 수 있으며, 이를 통해 입자 크기가 다른 초미세 분말을 합성할 수 있습니다.
이 방법은 나노 Fe₂O₃, 나노 Al(OH)₃, 나노 CdS 및 나노 Fe–B 복합체를 합성하는 데 사용되었습니다.
졸-겔법
졸-겔법은 금속-유기 또는 무기 전구체를 다음과 같은 과정을 통해 고체로 변환합니다.
용액 → 졸 → 겔 → 열처리.
겔화 메커니즘에 따르면 다음과 같은 것들이 포함됩니다:
- 콜로이드 졸 유형
- 무기 고분자 유형
- 복합 유형
이 방법은 다음과 같은 결과를 생성합니다.
- 구형 입자
- 좁은 크기 분포
- 최소 응집
- 비정질 또는 나노결정질 산화물
또한 소결 온도를 낮추고 치밀화 속도를 가속화합니다.
용매 증발법
이 방법은 용액에서 용매를 제거합니다. 과포화 상태는 용질의 침전을 유발합니다. 균일성을 유지하기 위해 용액을 미세한 액적 형태로 분산시킵니다. 분무법이 일반적으로 사용됩니다.
주요 변형은 다음과 같습니다.
- 동결 건조
- 분무 건조
- 뜨거운 등유 건조
- 분무 열분해
분무 열분해 공정:
- 용매가 액체 방울 표면에서 증발합니다.
- 물방울의 부피가 줄어든다
- 용질이 중심부를 향해 확산됩니다
- 기체상에서 액적(액체)으로 열이 전달됩니다.
- 물방울 내부에서 열이 전달됩니다.
장점:
- 구형 분말을 생성합니다.
- 유동성이 좋음
- 복합 산화물에 적합함
- 고순도
단점:
- 용해성 염에만 적용 가능
기체상 방법
기체상 방법은 초미세 입자를 기체상에서 직접 형성합니다.
이들은 다음과 같이 나뉩니다:
- 물리적 과정 (증발-응축)
- 화학 공정 (기체상 반응)
가열 방법에는 다음이 포함됩니다.
저항 가열, 화염 합성, 플라즈마 및 레이저 가열.
주요 특징:
- 고순도
- 좁은 입자 크기 분포
- 우수한 분산성
- 매우 작은 입자 크기
저압 기체에서의 증발-응축
모든 고체 물질은 증발과 응축 과정을 통해 나노 입자를 형성할 수 있다.
가열 방식과 분위기가 다르면 다양한 과정이 일어납니다.
가열 방법에는 다음이 포함됩니다.
저항 가열, 아크 방전, 플라즈마, 유도 가열, 레이저 가열 및 전자빔 가열. 플라즈마, 유도 및 레이저 방식은 산업 응용 분야에서 특히 유망합니다.
화학 기상 증착(CVD)
CVD는 휘발성 금속 화합물을 전구체로 사용합니다. 이 화합물들은 기체상에서 분해되거나 반응하여 나노입자를 형성합니다.
이 방법은 융점이 높은 재료에 매우 효과적입니다.
가열 방식에 따라 CVD에는 다음이 포함됩니다.
- 열화학 기상 증착
- 플라즈마 강화 CVD
- 레이저 CVD
장점:
- 극도로 높은 순도
- 정밀한 공정 제어
- 원자 수준 인터페이스 제어
- 유연한 조성 및 결정 구조
CVD는 마이크로일렉트로닉스, 기능성 코팅 및 초미세 입자 합성 분야에서 널리 사용됩니다.
스퍼터링 방식
스퍼터링 공정에서는 전극 사이에 글로우 방전이 발생합니다. 이온이 표적 물질에 충돌하여 원자를 방출합니다. 스퍼터링된 원자는 냉각되어 응축되거나 반응하여 초미세 분말을 형성합니다.
이 방법은 다음과 같은 결과를 생성할 수 있습니다.
- 고융점 금속 분말
- 복합 분말
- 복합 분말
장점:
- 좁은 입자 크기 분포
단점:
- 생산 수율이 매우 낮음
다른 방법으로는 템플레이트 합성, 금속 증기 합성 및 기체상 응축이 있습니다.
결론
초미세 분말 제조에 대한 연구가 빠르게 증가하고 있습니다. 새로운 기술이 지속적으로 등장하고 있으며, 기존 방법 또한 끊임없이 개선되고 있습니다. 실제 공정에서는 목표 분말의 요구 사항에 따라 다양한 공정을 선택하거나 조합합니다. 재료 선택과 매개변수 최적화를 통해 분말 성능을 더욱 향상시킬 수 있습니다. 선진국과 비교했을 때, 중국의 분말 제조 산업은 여전히 여러 가지 과제에 직면해 있습니다. 주요 문제로는 산화, 응집, 수분 흡수 등이 있습니다. 이러한 문제들을 해결하는 것은 초미세 분말의 대규모 산업 생산을 달성하는 데 필수적입니다.
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— 게시자 에밀리 첸