В последние годы во всем мире ускорилась разработка новых материалов. Исследования в области материалов движутся в направлении достижения экстремальных состояний и повышения производительности. Среди перспективных материалов особое внимание привлекают ультрадисперсные порошки.
Современные исследования ультрадисперсных порошков в основном сосредоточены на четырех аспектах: методах получения, микроструктуре, макроскопических свойствах и областях применения. Среди них технология получения является наиболее важным фактором.
Существует множество методов получения ультрадисперсных порошков. В зависимости от агрегатного состояния вещества их можно классифицировать на твердофазные, жидкофазные и газофазные методы. В данной статье представлены основные из них. приготовление ультратонкого порошка методы и последние достижения.
Методы твердофазного анализа
Твердофазная обработка — это традиционный метод производства порошков. Она характеризуется низкой себестоимостью, высокой производительностью и простотой процесса. С развитием высокоэнергетических технологий... шаровая мельница и объединенный струйная шлифовка и классификация, Этот метод по-прежнему широко используется в областях применения, где требуется сверхвысокая чистота и строгие требования. размер частицы Контроль не требуется. Твердофазные методы в основном используются для получения ультрадисперсных порошков хрупких материалов.
Механическое шлифование
Механическое измельчение уменьшает размер частиц за счет приложения механических сил. Твердые материалы деформируются и разрушаются под воздействием напряжения, в результате чего образуются более мелкие частицы.
К основным механизмам шлифования относятся: сжатие, сдвиг, удар и абразивное воздействие.
Предел помола зависит от множества факторов, таких как:
- Свойства материала
- Приложенное механическое напряжение
- метод измельчения
- Условия процесса
- Условия шлифовки
Типичное шлифовальное оборудование включает в себя: струйные мельницы, шаровые мельницы, мельницы с перемешиванием, мельницы с воздушным потоком и коллоидные мельницы.
Типичные рабочие диапазоны оборудования для сверхтонкого измельчения
| Тип оборудования | Размер порции (мм) | Размер изделия (мкм) | Применимая твердость | Режим помола |
|---|---|---|---|---|
| Высокоскоростной ударная мельница | < 8 | 3–74 | Средняя / мягкая | Сухой |
| Реактивная мельница | < 2 | 1–30 | Средняя / мягкая | Сухой |
| Вибрационная мельница | < 6 | 1–74 | Твёрдый / средний / мягкий | Сухой / влажный |
| Мельница с мешалкой | < 1 | 1–74 | Твёрдый / средний / мягкий | Сухой / влажный |
| Шаровая мельница | < 10 | 1–100 | Твёрдый / средний / мягкий | Сухой / влажный |
| Коллоидная мельница | < 0,2 | 1–20 | Средняя / мягкая | Влажный |
Преимущества:
- Большие производственные мощности
- Бюджетный
- Простой процесс
- Механический –химический Активация улучшает реакционную способность порошка.
Недостатки:
- Более низкая чистота
- Ограниченная тонкость
- Плохой контроль формы частиц.
Этот метод подходит для крупномасштабного промышленного производства, например, для таких целей, как: минеральная глубокая обработка.
Ультразвуковое измельчение
Ультразвуковое измельчение использует высокочастотную вибрацию для разрушения твердых частиц. Материал обычно диспергирован в жидкой среде, чаще всего в воде.
Ультразвуковой генератор передает энергию в жидкость. Когда накопленная внутри частиц энергия превышает их энергию связи, происходит разрушение.
Ультразвуковое измельчение эффективно только для частиц с рыхлой структурой. В основном оно используется для диспергирования агломерированных ультрадисперсных частиц в жидкостях. Поэтому его часто называют системой ультразвукового диспергирования, а не настоящим методом измельчения.
Метод термического разложения
Этот метод позволяет получать новые твердые фазы путем термического разложения твердых прекурсоров. Типичные реакции разложения включают твердую и газообразную фазы. Оборудование для термического разложения простое. Достаточно обычного резистивного нагрева. Процесс легко контролировать.
Однако этот метод, как правило, применим только к порошкам оксидов. Получаемые частицы часто бывают крупными или сильно агломерированными. Для получения ультрадисперсных порошков обычно требуется дополнительное измельчение.
Высокотемпературная твердотельная реакция
Этот метод начинается с определения состава и соотношения исходных материалов. В качестве реагентов обычно используются оксиды, карбонаты и гидроксиды. Материалы равномерно смешиваются и прессуются в компакты. Затем они подвергаются высокотемпературному обжигу для образования желаемой фазы. Спеченный продукт, наконец, измельчается до заданного размера частиц. Этот метод широко используется для получения сложных электронных керамических порошков.
К основным моментам, которые следует учитывать, относятся:
- Выбор исходных материалов оказывает существенное влияние на условия реакции и получаемые продукты.
- Последовательность реакций влияет на конечные свойства порошка.
Преимущества:
- Подходит для массового производства
- Относительно низкая стоимость
Недостатки:
- Снизить размер частиц до менее 0,5–1 мкм довольно сложно.
- Механическое измельчение может привести к появлению примесей.
Методы жидкофазного анализа
Жидкофазные методы обеспечивают гибкость процессов, простоту эксплуатации и точный контроль размера частиц. Они позволяют контролировать состав и легко осуществлять легирование. Смешивание может происходить на молекулярном или атомном уровне. Полученные порошки обладают высокой поверхностной активностью. Эти методы широко используются в лабораториях и промышленности для получения ультрадисперсных порошков оксидов металлов.
Метод осаждения
Осаждение — один из наиболее распространенных методов жидкофазного синтеза.
Растворимые соли реагируют в растворе, образуя нерастворимые соединения, такие как:
- Гидроксиды
- Карбонаты
- Сульфаты
- Оксалаты
Затем осадок разлагается путем нагревания или прямой обработки для получения конечного продукта.
К основным методам определения количества осадков относятся:
- Прямые осадки
- Совместное осаждение
- Однородные осадки
- Сложные осадки
- гидролиз осаждение
Преимущества:
- Простой процесс реакции
- Бюджетный
- Простота масштабирования в промышленном масштабе
- Подходит для монооксидов или композитных оксидов.
Недостатки:
- Сложная фильтрация
- Остаточные осаждающие агенты в качестве примесей
- Потеря продукта во время стирки
Гидротермальный метод
Гидротермальный метод работает в герметичной системе при высокой температуре и высоком давлении. Реакции происходят в воде, водных растворах или паре.
Этот метод позволяет получить порошки со следующими свойствами:
- Малый размер частиц
- Высокая чистота
- Хорошая дисперсия
- Узкое распределение размеров
- Контролируемая кристаллическая структура
- Минимальная агломерация
Это позволяет избежать проблем, связанных с фазовыми превращениями, разложением или испарением, которые наблюдаются при высоких температурах.
К распространенным гидротермальным методам относятся:
методы гидролиза, окисления, гидротермального осаждения, синтеза, дегидратации, разложения, кристаллизации, анодного окисления и дугового электрода.
Этот метод демонстрирует высокий потенциал развития.
Метод микроэмульсии (обратной мицеллы)
Микроэмульсии — это термодинамически стабильные системы, состоящие из воды, масла, поверхностно-активных веществ и со-поверхностно-активных веществ. Микроэмульсии типа «вода в масле» действуют как микрореакторы. Они ограничивают рост частиц на наномасштабе.
Поскольку реакция происходит в мельчайших ядрах воды, рост продуктов реакции ограничивается радиусом этих ядер. Следовательно, размер ядер воды напрямую определяет размер ультрадисперсных частиц порошка. Выбирая различные поверхностно-активные вещества и со-поверхностно-активные вещества, можно получить ядра воды разных размеров, что позволяет синтезировать ультрадисперсные порошки с различными размерами частиц.
Этот метод был использован для синтеза: наночастиц Fe₂O₃, наночастиц Al(OH)₃, наночастиц CdS и нанокомпозитов Fe–B.
Золь-гель метод
Золь-гель метод преобразует металлоорганические или неорганические прекурсоры в твердые вещества посредством:
раствор → золь → гель → термическая обработка.
В зависимости от механизмов гелеобразования, к ним относятся:
- Коллоидный золь
- Тип неорганического полимера
- Сложный тип
Этот метод дает следующий результат:
- Сферические частицы
- Узкое распределение размеров
- Минимальная агломерация
- Аморфные или нанокристаллические оксиды
Это также снижает температуру спекания и ускоряет кинетику уплотнения.
Метод испарения растворителя
Этот метод удаляет растворитель из раствора. Пересыщение вызывает осаждение растворенного вещества. Для поддержания однородности растворы диспергируют в мелкие капли. Обычно используются методы распыления.
Основные варианты включают:
- Сублимационная сушка
- Распылительная сушка
- Сушка горячим керосином
- Пиролиз распылением
Процесс распылительного пиролиза:
- Растворитель испаряется с поверхности капель.
- Капли уменьшаются в объеме.
- Растворенное вещество диффундирует к центру.
- Передача тепла из газовой фазы в капли
- Тепло передается внутри капель.
Преимущества:
- Производит порошки сферической формы
- Хорошая текучесть
- Подходит для сложных оксидов
- Высокая чистота
Недостатки:
- Применимо только к растворимым солям.
Методы газовой фазы
Методы, использующие газовую фазу, позволяют получать ультрадисперсные частицы непосредственно в газовой фазе.
Они делятся на следующие категории:
- Физические процессы (испарение-конденсация)
- Химические процессы (реакции в газовой фазе)
К методам нагрева относятся:
Резистивный нагрев, пламенный синтез, плазменный и лазерный нагрев.
Основные характеристики:
- Высокая чистота
- Узкое распределение размеров частиц
- Отличная дисперсия
- Очень малый размер частиц
Испарение-конденсация в газе низкого давления
Любой твердый материал может образовывать наночастицы посредством испарения и конденсации.
Различные источники тепла и атмосферы приводят к различным процессам.
К методам нагрева относятся:
Резистивный нагрев, дуговой разряд, плазменный нагрев, индукционный нагрев, лазерный нагрев и электронно-лучевой нагрев. Плазменные, индукционные и лазерные методы особенно перспективны для промышленного применения.
Химическое осаждение из паровой фазы (CVD)
В процессе химического осаждения из газовой фазы (CVD) в качестве прекурсоров используются летучие соединения металлов. Эти соединения разлагаются или вступают в реакцию в газовой фазе, образуя наночастицы.
Этот метод очень эффективен для материалов с высокой температурой плавления.
В зависимости от режима нагрева, метод CVD включает в себя:
- Термическое химическое осаждение из газовой фазы
- Плазменное усиление сердечно-сосудистых заболеваний
- Лазерное химическое осаждение из газовой фазы
Преимущества:
- Чрезвычайно высокая чистота
- Точный контроль процесса
- Управление интерфейсом на атомном уровне
- Гибкий состав и кристаллическая структура
Метод химического осаждения из газовой фазы (CVD) широко применяется в микроэлектронике, функциональных покрытиях и синтезе ультрадисперсных частиц.
Метод распыления
При распылении между электродами генерируется тлеющий разряд. Ионы бомбардируют материал мишени, выбивая атомы. Распыленные атомы охлаждаются и конденсируются или вступают в реакцию, образуя ультрадисперсные порошки.
Этот метод может дать следующие результаты:
- Порошки металлов с высокой температурой плавления
- Составные порошки
- Композитные порошки
Преимущества:
- Узкое распределение размеров частиц
Недостатки:
- Очень низкая урожайность
К другим методам относятся темплатный синтез, синтез с использованием паров металлов и конденсация в газовой фазе.
Заключение
Исследования в области получения ультрадисперсных порошков стремительно расширяются. Постоянно появляются новые технологии, а традиционные методы постоянно совершенствуются. На практике процессы выбираются или комбинируются в зависимости от требований к целевому порошку. Выбор материалов и оптимизация параметров дополнительно улучшают характеристики порошка. По сравнению с развитыми странами, китайская порошковая промышленность по-прежнему сталкивается с проблемами. Ключевые проблемы включают окисление, агломерацию и поглощение влаги. Решение этих проблем имеет важное значение для достижения крупномасштабного промышленного производства ультрадисперсных порошков.
Спасибо за прочтение. Надеюсь, моя статья вам поможет. Пожалуйста, оставьте комментарий ниже. Вы также можете связаться с представителем Zelda Online по любым вопросам.
— Опубликовано Эмили Чен