Nos últimos anos, o desenvolvimento de novos materiais acelerou em todo o mundo. A pesquisa de materiais está caminhando em direção a estados extremos e desempenho superior. Entre os materiais emergentes, os pós ultrafinos têm atraído considerável atenção.
A pesquisa atual sobre pós ultrafinos concentra-se principalmente em quatro aspectos: métodos de preparação, microestrutura, propriedades macroscópicas e aplicações. Dentre esses, a tecnologia de preparação é o fator mais crítico.
Existem muitos métodos para a produção de pós ultrafinos. Com base no estado da matéria envolvido, eles podem ser classificados em métodos de fase sólida, métodos de fase líquida e métodos de fase gasosa. Este artigo apresenta os principais métodos de produção de pós ultrafinos. preparação de pó ultrafino técnicas e progressos recentes.
Métodos de Fase Sólida
O processamento em fase sólida é um método tradicional de produção de pó. Caracteriza-se pelo baixo custo, alta produtividade e processos simples. Com o desenvolvimento de tecnologias de alta energia, essa tecnologia tem se tornado cada vez mais utilizada. moagem de bolas e combinado moagem e classificação por jato, Este método ainda é amplamente utilizado em aplicações que exigem altíssima pureza e rigor. tamanho da partícula Não são necessários controles. Os métodos de fase sólida são usados principalmente para produzir pós ultrafinos de materiais frágeis.
Retificação Mecânica
A moagem mecânica reduz o tamanho das partículas através da aplicação de forças mecânicas. Os materiais sólidos deformam-se e fraturam-se sob tensão, produzindo partículas mais finas.
Os principais mecanismos de moagem incluem: compressão, cisalhamento, impacto e abrasão.
O limite de moagem depende de vários fatores, tais como:
- Propriedades dos materiais
- Tensão mecânica aplicada
- Método de moagem
- Condições do processo
- Ambiente de moagem
Os equipamentos de moagem típicos incluem: moinhos de jato, moinhos de bolas, moinhos agitados, moinhos de fluxo de ar e moinhos coloidais.
Faixas operacionais típicas de equipamentos de moagem ultrafina
| Tipo de equipamento | Tamanho da alimentação (mm) | Tamanho do produto (μm) | Dureza aplicável | Modo de moagem |
|---|---|---|---|---|
| De alta velocidade moinho de impacto | < 8 | 3–74 | Médio/macio | Seco |
| Moinho a jato | < 2 | 1–30 | Médio/macio | Seco |
| Moinho vibratório | < 6 | 1–74 | Duro / médio / macio | Seco / molhado |
| moinho agitado | < 1 | 1–74 | Duro / médio / macio | Seco / molhado |
| Moinho de bolas | < 10 | 1–100 | Duro / médio / macio | Seco / molhado |
| Moinho coloidal | < 0,2 | 1–20 | Médio/macio | Molhado |
Vantagens:
- Grande capacidade de produção
- Baixo custo
- Processo simples
- Mecânico-químico A ativação melhora a reatividade do pó.
Desvantagens:
- Pureza inferior
- Finura limitada
- Controle deficiente da forma das partículas
Este método é adequado para produção industrial em larga escala, como por exemplo: mineral processamento profundo.
Pulverização ultrassônica
A pulverização ultrassônica utiliza vibração de alta frequência para quebrar partículas sólidas. O material geralmente é disperso em um meio líquido, mais comumente água.
Um gerador ultrassônico transfere energia para o líquido. Quando a energia acumulada dentro das partículas excede sua energia de ligação, ocorre a fratura.
A moagem ultrassônica só é eficaz para partículas com estrutura pouco densa. Ela é usada principalmente para dispersar partículas ultrafinas aglomeradas em líquidos. Portanto, é frequentemente chamada de sistema de dispersão ultrassônica em vez de um método de moagem propriamente dito.
Método de decomposição térmica
Este método produz novas fases sólidas através da decomposição térmica de precursores sólidos. As reações de decomposição típicas envolvem fases sólidas e gasosas. O equipamento de decomposição térmica é simples. O aquecimento por resistência convencional é suficiente. O processo é fácil de controlar.
No entanto, esse método geralmente se limita a pós de óxido. As partículas resultantes costumam ser grosseiras ou fortemente aglomeradas. Normalmente, é necessário moer as partículas novamente para obter pós ultrafinos.
Reação de estado sólido em alta temperatura
Este método começa com o planejamento da composição e proporção das matérias-primas. Os reagentes comuns incluem óxidos, carbonatos e hidróxidos. Os materiais são misturados uniformemente e prensados em compactos. Em seguida, são calcinados a alta temperatura para formar a fase desejada. O produto sinterizado é finalmente moído até atingir o tamanho de partícula alvo. Este método é amplamente utilizado para pós cerâmicos complexos para eletrônica.
As principais considerações incluem:
- A escolha das matérias-primas influencia fortemente as condições da reação e os produtos.
- A sequência de reações influencia as propriedades finais do pó.
Vantagens:
- Adequado para produção em massa.
- Custo relativamente baixo
Desvantagens:
- É difícil reduzir o tamanho das partículas para menos de 0,5–1 μm.
- A moagem mecânica pode introduzir impurezas.
Métodos em Fase Líquida
Os métodos em fase líquida oferecem processos flexíveis, operação simples e controle preciso do tamanho das partículas. Permitem o controle da composição e a fácil dopagem. A mistura pode ocorrer em nível molecular ou atômico. Os pós resultantes apresentam alta atividade superficial. Esses métodos são amplamente utilizados em laboratórios e na indústria para a produção de pós ultrafinos de óxidos metálicos.
Método de Precipitação
A precipitação é um dos métodos de síntese em fase líquida mais comuns.
Sais solúveis reagem em solução para formar compostos insolúveis, tais como:
- Hidróxidos
- Carbonatos
- Sulfatos
- Oxalatos
O precipitado é então decomposto por aquecimento ou tratamento direto para obtenção do produto final.
As principais técnicas de precipitação incluem:
- Precipitação direta
- Co-precipitação
- Precipitação homogênea
- Precipitação complexa
- Precipitação por hidrólise
Vantagens:
- Processo de reação simples
- Baixo custo
- Escala industrial fácil
- Adequado para óxidos simples ou compostos.
Desvantagens:
- Filtragem difícil
- Agentes precipitantes residuais como impurezas
- Perda de produto durante a lavagem
Método Hidrotermal
O método hidrotérmico opera em um sistema selado sob alta temperatura e alta pressão. As reações ocorrem em água, soluções aquosas ou vapor.
Este método produz pós com:
- Tamanho de partícula pequeno
- Alta pureza
- Boa dispersão
- Distribuição de tamanho estreita
- Estrutura cristalina controlada
- Aglomeração mínima
Isso pode evitar problemas de transformação de fase, decomposição ou volatilização observados em altas temperaturas.
As técnicas hidrotérmicas comuns incluem:
hidrólise-oxidação, precipitação hidrotérmica, síntese, desidratação, decomposição, cristalização, oxidação anódica e métodos de eletrodo ativo por arco.
Este método demonstra um forte potencial de desenvolvimento.
Método de microemulsão (micela reversa)
Microemulsões são sistemas termodinamicamente estáveis compostos por água, óleo, surfactantes e co-surfactantes. Microemulsões A/O atuam como microrreatores, restringindo o crescimento de partículas em nanoescala.
Como a reação ocorre em minúsculos núcleos de água, o crescimento dos produtos da reação é limitado pelo raio desses núcleos. Portanto, o tamanho dos núcleos de água determina diretamente o tamanho das partículas ultrafinas do pó. Ao selecionar diferentes surfactantes e co-surfactantes, formam-se núcleos de água de diferentes tamanhos, permitindo assim a síntese de pós ultrafinos com diferentes tamanhos de partículas.
Este método foi utilizado para sintetizar: nano-Fe₂O₃, nano-Al(OH)₃, nano-CdS e nanocompósitos de Fe–B.
Método Sol-Gel
O método sol-gel converte precursores organometálicos ou inorgânicos em sólidos através de:
solução → sol → gel → tratamento térmico.
Com base nos mecanismos de gelificação, inclui:
- Tipo sol coloidal
- Tipo de polímero inorgânico
- Tipo complexo
Este método produz:
- Partículas esféricas
- Distribuição de tamanho estreita
- Aglomeração mínima
- Óxidos amorfos ou nanocristalinos
Isso também reduz a temperatura de sinterização e acelera a cinética de densificação.
Método de evaporação do solvente
Este método remove o solvente de uma solução. A supersaturação causa a precipitação do soluto. Para manter a uniformidade, as soluções são dispersas em gotículas finas. Técnicas de pulverização são comumente utilizadas.
As principais variantes incluem:
- Liofilização
- Secagem por pulverização
- Secagem com querosene quente
- pirólise por pulverização
Processo de pirólise por pulverização:
- O solvente evapora das superfícies das gotículas.
- As gotículas diminuem de volume.
- O soluto difunde-se em direção ao centro.
- Transferência de calor da fase gasosa para as gotículas
- O calor se conduz dentro das gotículas.
Vantagens:
- Produz pós esféricos
- Boa fluidez
- Adequado para óxidos complexos
- Alta pureza
Desvantagens:
- Aplicável somente a sais solúveis.
Métodos em fase gasosa
Os métodos em fase gasosa formam partículas ultrafinas diretamente na fase gasosa.
Eles se dividem em:
- Processos físicos (evaporação-condensação)
- Processos químicos (reações em fase gasosa)
Os métodos de aquecimento incluem:
Aquecimento por resistência, síntese por chama, plasma e aquecimento a laser.
Principais características:
- Alta pureza
- Distribuição estreita do tamanho das partículas
- Excelente dispersão
- Tamanho de partícula muito pequeno
Evaporação-Condensação em Gás de Baixa Pressão
Qualquer material sólido pode formar nanopartículas por meio de evaporação e condensação.
Diferentes fontes de aquecimento e atmosferas levam a diversos processos.
Os métodos de aquecimento incluem:
Aquecimento por resistência, descarga de arco, plasma, aquecimento por indução, aquecimento a laser e aquecimento por feixe de elétrons. Os métodos de plasma, indução e laser são especialmente promissores para aplicações industriais.
Deposição Química de Vapor (CVD)
A deposição química de vapor (CVD) utiliza compostos metálicos voláteis como precursores. Esses compostos se decompõem ou reagem na fase gasosa para formar nanopartículas.
É altamente eficaz para materiais com ponto de fusão elevado.
Com base no modo de aquecimento, o CVD inclui:
- CVD térmico
- Doença cardiovascular aprimorada por plasma
- CVD a laser
Vantagens:
- Pureza extremamente elevada
- Controle preciso do processo
- Controle de interface em nível atômico
- Composição flexível e estrutura cristalina
A deposição química de vapor (CVD) é amplamente utilizada em microeletrônica, revestimentos funcionais e síntese de partículas ultrafinas.
Método de pulverização catódica
Na pulverização catódica, uma descarga luminosa é gerada entre eletrodos. Íons bombardeiam o material alvo, ejetando átomos. Os átomos pulverizados esfriam e se condensam ou reagem para formar pós ultrafinos.
Este método pode produzir:
- Pós metálicos com alto ponto de fusão
- pós compostos
- pós compósitos
Vantagens:
- Distribuição estreita do tamanho das partículas
Desvantagens:
- Rendimento de produção muito baixo
Outros métodos incluem síntese por molde, síntese por vapor metálico e condensação em fase gasosa.
Conclusão
A pesquisa sobre a preparação de pós ultrafinos está crescendo rapidamente. Novas tecnologias continuam a surgir, enquanto os métodos tradicionais são constantemente aprimorados. Na prática, os processos são selecionados ou combinados com base nos requisitos do pó desejado. A seleção de materiais e a otimização de parâmetros melhoram ainda mais o desempenho do pó. Comparada aos países desenvolvidos, a indústria de fabricação de pós da China ainda enfrenta desafios. Os principais problemas incluem oxidação, aglomeração e absorção de umidade. A solução desses problemas é essencial para alcançar a produção industrial em larga escala de pós ultrafinos.
Obrigado pela leitura. Espero que meu artigo tenha ajudado. Deixe um comentário abaixo. Você também pode entrar em contato com o suporte online da Zelda para quaisquer outras dúvidas.
— Publicado por Emily Chen