Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pembangunan bahan baharu telah dipercepatkan di seluruh dunia. Penyelidikan bahan sedang menuju ke arah keadaan ekstrem dan prestasi yang lebih tinggi. Antara bahan yang baru muncul, serbuk ultrahalus telah menarik perhatian yang ketara.
Kajian semasa mengenai serbuk ultrahalus tertumpu terutamanya pada empat aspek: kaedah penyediaan, mikrostruktur, sifat makroskopik dan aplikasi. Antaranya, teknologi penyediaan merupakan faktor yang paling kritikal.
Terdapat banyak kaedah untuk menghasilkan serbuk ultrahalus. Berdasarkan keadaan jirim yang terlibat, ia boleh dikelaskan kepada kaedah fasa pepejal, kaedah fasa cecair dan kaedah fasa gas. Artikel ini memperkenalkan perkara utama penyediaan serbuk ultrahalus teknik dan kemajuan terkini.
Kaedah Fasa Pepejal
Pemprosesan fasa pepejal merupakan kaedah pengeluaran serbuk tradisional. Ia mempunyai kos rendah, output yang besar dan proses yang mudah. Dengan pembangunan teknologi tenaga tinggi penggilingan bola dan digabungkan pengisaran jet dan pengelasan, kaedah ini masih digunakan secara meluas dalam aplikasi di mana ketulenan ultra tinggi dan ketat saiz Zarah kawalan tidak diperlukan. Kaedah fasa pepejal digunakan terutamanya untuk menghasilkan serbuk ultrahalus bahan rapuh.
Pengisaran Mekanikal
Pengisaran mekanikal mengurangkan saiz zarah melalui daya mekanikal yang dikenakan. Bahan pepejal berubah bentuk dan patah di bawah tekanan, menghasilkan zarah yang lebih halus.
Mekanisme pengisaran utama termasuk: mampatan, ricih, hentaman dan lelasan.
Had pengisaran bergantung kepada pelbagai faktor, seperti:
- Sifat bahan
- Tekanan mekanikal yang dikenakan
- Kaedah pengisaran
- Syarat proses
- Persekitaran pengisaran
Peralatan pengisaran biasa termasuk: kilang jet, kilang bebola, kilang kacau, kilang aliran udara dan kilang koloid.
Julat Operasi Lazim Peralatan Pengisaran Ultrahalus
| Jenis Peralatan | Saiz Suapan (mm) | Saiz Produk (μm) | Kekerasan yang berkenaan | Mod Pengisaran |
|---|---|---|---|---|
| Kelajuan tinggi kilang impak | < 8 | 3–74 | Sederhana / lembut | Kering |
| Kilang jet | < 2 | 1–30 | Sederhana / lembut | Kering |
| Kilang getaran | < 6 | 1–74 | Keras / sederhana / lembut | Kering / basah |
| Kilang kacau | < 1 | 1–74 | Keras / sederhana / lembut | Kering / basah |
| Kilang bola | < 10 | 1–100 | Keras / sederhana / lembut | Kering / basah |
| Kilang koloid | < 0.2 | 1–20 | Sederhana / lembut | basah |
Kelebihan:
- Kapasiti pengeluaran yang besar
- Kos rendah
- Proses mudah
- Mekanikal–kimia pengaktifan meningkatkan kereaktifan serbuk
Keburukan:
- Ketulenan yang lebih rendah
- Kehalusan terhad
- Kawalan bentuk zarah yang lemah
Kaedah ini sesuai untuk pengeluaran perindustrian berskala besar, seperti galian pemprosesan yang mendalam.
Penghancuran Ultrasonik
Penghancuran ultrasonik menggunakan getaran frekuensi tinggi untuk memecahkan zarah pepejal. Bahan ini biasanya tersebar dalam medium cecair, biasanya air.
Penjana ultrasonik memindahkan tenaga ke dalam cecair. Apabila tenaga terkumpul di dalam zarah melebihi tenaga pengikatannya, keretakan berlaku.
Pengisaran ultrasonik hanya berkesan untuk zarah berstruktur longgar. Ia digunakan terutamanya untuk menyebarkan zarah ultrahalus yang tergumpal dalam cecair. Oleh itu, ia sering dirujuk sebagai sistem penyebaran ultrasonik dan bukannya kaedah pengisaran sebenar.
Kaedah Penguraian Terma
Kaedah ini menghasilkan fasa pepejal baharu melalui penguraian terma bagi prekursor pepejal. Tindak balas penguraian biasa melibatkan fasa pepejal dan gas. Peralatan penguraian terma adalah mudah. Pemanasan rintangan konvensional sudah memadai. Proses ini mudah dikawal.
Walau bagaimanapun, kaedah ini secara amnya terhad kepada serbuk oksida. Zarah-zarah yang terhasil selalunya kasar atau banyak tergumpal. Pengisaran tambahan biasanya diperlukan untuk mendapatkan serbuk ultrahalus.
Tindak Balas Keadaan Pepejal Suhu Tinggi
Kaedah ini bermula dengan mereka bentuk komposisi dan nisbah bahan mentah. Bahan tindak balas biasa termasuk oksida, karbonat dan hidroksida. Bahan-bahan tersebut dicampur secara seragam dan ditekan menjadi padat. Kemudian, ia dikalsin pada suhu tinggi untuk membentuk fasa yang diingini. Produk yang disinter akhirnya dikisar kepada saiz zarah sasaran. Kaedah ini digunakan secara meluas untuk serbuk seramik elektronik yang kompleks.
Pertimbangan utama termasuk:
- Pemilihan bahan permulaan amat mempengaruhi keadaan dan produk tindak balas.
- Urutan tindak balas mempengaruhi sifat serbuk akhir.
Kelebihan:
- Sesuai untuk pengeluaran besar-besaran
- Kos yang agak rendah
Keburukan:
- Saiz zarah sukar dikurangkan di bawah 0.5–1 μm
- Pengisaran mekanikal boleh memperkenalkan bendasing
Kaedah Fasa Cecair
Kaedah fasa cecair menawarkan proses yang fleksibel, operasi yang mudah dan kawalan saiz zarah yang tepat. Ia membolehkan kawalan komposisi dan pendopan yang mudah. Pencampuran boleh berlaku pada peringkat molekul atau atom. Serbuk yang terhasil mempamerkan aktiviti permukaan yang tinggi. Kaedah ini digunakan secara meluas dalam makmal dan industri untuk menghasilkan serbuk ultrahalus oksida logam.
Kaedah Pemendakan
Pemendakan merupakan salah satu kaedah sintesis fasa cecair yang paling biasa.
Garam larut bertindak balas dalam larutan untuk membentuk sebatian yang tidak larut, seperti:
- Hidroksida
- Karbonat
- Sulfat
- Oksalat
Endapan tersebut kemudiannya diuraikan melalui pemanasan atau rawatan langsung untuk mendapatkan produk akhir.
Teknik pemendakan utama termasuk:
- Pemendakan langsung
- Pemendakan bersama
- Pemendakan homogen
- Pemendakan kompleks
- Pemendakan hidrolisis
Kelebihan:
- Proses tindak balas mudah
- Kos rendah
- Penskalaan perindustrian yang mudah
- Sesuai untuk oksida tunggal atau komposit
Keburukan:
- Penapisan yang sukar
- Agen pemendakan sisa sebagai bendasing
- Kehilangan produk semasa mencuci
Kaedah Hidroterma
Kaedah hidroterma beroperasi dalam sistem tertutup di bawah suhu dan tekanan tinggi. Tindak balas berlaku dalam air, larutan akueus atau wap.
Kaedah ini menghasilkan serbuk dengan:
- Saiz zarah kecil
- Kesucian yang tinggi
- Penyebaran yang baik
- Pengagihan saiz yang sempit
- Struktur kristal terkawal
- Aglomerasi minimum
Ia boleh mengelakkan masalah transformasi fasa, penguraian atau pengewapan yang dilihat pada suhu tinggi.
Teknik hidroterma biasa termasuk:
pengoksidaan hidrolisis, pemendakan hidroterma, sintesis, dehidrasi, penguraian, penghabluran, pengoksidaan anodik dan kaedah elektrod arka aktif.
Kaedah ini menunjukkan potensi pembangunan yang tinggi.
Kaedah Mikroemulsi (Misel Songsang)
Mikroemulsi ialah sistem yang stabil secara termodinamik yang terdiri daripada: air, minyak, surfaktan dan ko-surfaktan. Mikroemulsi tanpa/tanpa bertindak sebagai mikroreaktor. Ia menyekat pertumbuhan zarah pada skala nano.
Oleh kerana tindak balas berlaku dalam nukleus air yang kecil, pertumbuhan produk tindak balas dihadkan oleh jejari nukleus air. Oleh itu, saiz nukleus air secara langsung menentukan saiz zarah serbuk ultrahalus. Dengan memilih surfaktan dan ko-surfaktan yang berbeza, saiz nukleus air yang berbeza terbentuk, sekali gus membolehkan sintesis serbuk ultrahalus dengan saiz zarah yang berbeza.
Kaedah ini telah digunakan untuk mensintesis: komposit nano-Fe₂O₃, nano-Al(OH)₃, nano-CdS dan nano-Fe–B.
Kaedah Sol–Gel
Kaedah sol-gel menukarkan prekursor logam-organik atau bukan organik kepada pepejal melalui:
larutan → sol → gel → rawatan haba.
Berdasarkan mekanisme pengegelan, ia merangkumi:
- Jenis sol koloid
- Jenis polimer bukan organik
- Jenis kompleks
Kaedah ini menghasilkan:
- Zarah sfera
- Pengagihan saiz yang sempit
- Aglomerasi minimum
- Oksida amorfus atau nanokristalin
Ia juga menurunkan suhu pensinteran dan mempercepatkan kinetik pemadatan.
Kaedah Penyejatan Pelarut
Kaedah ini menyingkirkan pelarut daripada larutan. Ketepuan lampau menyebabkan pemendakan zat terlarut. Untuk mengekalkan keseragaman, larutan disebarkan menjadi titisan halus. Teknik semburan biasa digunakan.
Varian utama termasuk:
- Pengeringan beku
- Pengeringan semburan
- Pengeringan minyak tanah panas
- Pirolisis semburan
Proses pirolisis semburan:
- Pelarut meruap dari permukaan titisan
- Titisan mengecil dalam isipadu
- Zat terlarut meresap ke arah pusat
- Pemindahan haba dari fasa gas ke titisan
- Haba mengalirkan haba ke dalam titisan
Kelebihan:
- Menghasilkan serbuk sfera
- Kebolehaliran yang baik
- Sesuai untuk oksida kompleks
- Kesucian yang tinggi
Keburukan:
- Hanya terpakai kepada garam larut
Kaedah Fasa Gas
Kaedah fasa gas membentuk zarah ultrahalus secara langsung dalam fasa gas.
Mereka dibahagikan kepada:
- Proses fizikal (penyejatan–pemeluwapan)
- Proses kimia (tindak balas fasa gas)
Kaedah pemanasan termasuk:
pemanasan rintangan, sintesis nyalaan, plasma dan pemanasan laser.
Ciri-ciri utama:
- Kesucian yang tinggi
- Taburan saiz zarah yang sempit
- Penyerakan yang sangat baik
- Saiz zarah yang sangat kecil
Penyejatan–Kondensasi dalam Gas Tekanan Rendah
Mana-mana bahan pepejal boleh membentuk nanopartikel melalui penyejatan dan pemeluwapan.
Sumber pemanasan dan atmosfera yang berbeza membawa kepada pelbagai proses.
Kaedah pemanasan termasuk:
pemanasan rintangan, nyahcas arka, plasma, pemanasan aruhan, pemanasan laser dan pemanasan pancaran elektron. Kaedah plasma, aruhan dan laser amat menjanjikan untuk aplikasi perindustrian.
Pemendapan Wap Kimia (CVD)
CVD menggunakan sebatian logam meruap sebagai prekursor. Sebatian ini terurai atau bertindak balas dalam fasa gas untuk membentuk nanopartikel.
Ia sangat berkesan untuk bahan bertakat lebur tinggi.
Berdasarkan mod pemanasan, CVD merangkumi:
- CVD Terma
- CVD yang dipertingkatkan plasma
- CVD Laser
Kelebihan:
- Ketulenan yang sangat tinggi
- Kawalan proses yang tepat
- Kawalan antara muka peringkat atom
- Komposisi fleksibel dan struktur kristal
CVD digunakan secara meluas dalam mikroelektronik, salutan berfungsi dan sintesis zarah ultrahalus.
Kaedah Percikan
Dalam percikan, nyahcas cahaya dihasilkan antara elektrod. Ion mengebom bahan sasaran, mengeluarkan atom. Atom yang terpercikan menyejuk dan memeluwap atau bertindak balas untuk membentuk serbuk ultrahalus.
Kaedah ini boleh menghasilkan:
- Serbuk logam bertakat lebur tinggi
- Serbuk sebatian
- Serbuk komposit
Kelebihan:
- Taburan saiz zarah yang sempit
Keburukan:
- Hasil pengeluaran yang sangat rendah
Kaedah lain termasuk sintesis templat, sintesis wap logam, dan pemeluwapan fasa gas.
Kesimpulan
Penyelidikan mengenai penyediaan serbuk ultrahalus semakin meningkat dengan pesat. Teknologi baharu terus muncul, manakala kaedah tradisional sentiasa dinaik taraf. Dalam praktiknya, proses dipilih atau digabungkan berdasarkan keperluan serbuk sasaran. Pemilihan bahan dan pengoptimuman parameter meningkatkan lagi prestasi serbuk. Berbanding dengan negara maju, industri pembuatan serbuk China masih menghadapi cabaran. Isu utama termasuk pengoksidaan, aglomerasi dan penyerapan kelembapan. Menyelesaikan masalah ini adalah penting untuk mencapai pengeluaran perindustrian serbuk ultrahalus berskala besar.
"Terima kasih kerana membaca. Saya harap artikel saya membantu. Sila tinggalkan komen di bawah. Anda juga boleh menghubungi wakil pelanggan dalam talian Zelda untuk sebarang pertanyaan lanjut."
- Dihantar oleh Emily Chen