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1、單擊此處編輯母版標題樣式,*,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,粉末材料合成與加工新技術(shù),1 粉末材料及超細粉末材料的特性及應用,2 粉末材料制備技術(shù)概述,3 粉末材料的物理制備方法,4 粉末材料的化學制備方法,5 粉末材料的結(jié)構(gòu)特征,1粉末材料的分類,粉末材料：具有一定粒度的顆粒材料統(tǒng)稱為粉末材料。,按粒度大小可分為：粗粉、細粉、微粉、超微粉、納米粉末,超微粉ultrafine powder;或superfine powder：粒度小于3m的粉體,亞微米粉末：1m particle size 0.1m,納米粉末：0.1m particle size 0.001m,目前
2、，有關(guān)粉末材料的制備與研究主要集中在亞微米及納米粉末材料方面。,一、粉末材料的分類、特性及應用,2粉末材料的合成與加工技術(shù)主要研究,粉體的制備技術(shù),分級技術(shù),別離技術(shù),枯燥技術(shù)、輸送及混合均化技術(shù),外表改性、復合技術(shù)等,3超細粉末材料的特性,當粉末材料的粒度處于亞微米及納米狀態(tài)時，其尺度介于原子、分子與粒狀材料之間，有人稱之為“第四狀態(tài)。,由于粉末的細化，其外表分子排列、電子分布結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)均發(fā)生大的變化，從而顯示出獨特的理化性能，如：外表效應、小尺寸效應、量子效應、宏觀隧道效應等。,3.1 微米及亞微米粉末的特性 與塊體和顆粒材料相比，主要性能變化表現(xiàn)在：比外表積增大，外表能大，外表活性高
3、 當兩種微米或亞微米粉末材料復合時可產(chǎn)生熔點 下降或功能強化效應3.2 納米粉末材料的特性 納米材料與塊體材料的物理化學性質(zhì)有明顯的差異 從結(jié)構(gòu)上看：納米顆粒不同于原子又不同于結(jié)晶體，它可以 是單晶、也可能是非晶態(tài) 外表結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，晶體材料的結(jié)構(gòu)周期性不再存在，表 面振動模式占主導地位，外表原子運動更加劇烈。,納米粉末材料和由之構(gòu)成的納米固體具有三個方面的特性效應：小尺寸效應；外表與界面效應；量子尺寸效應 小尺寸效應 當材料的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，材料中周期性的邊界條件將會打破，由此造成聲、光、電磁、熱力學等性質(zhì)呈現(xiàn)新的特
4、征。例如：納米金2nm 結(jié)構(gòu)：單晶、多晶、孿晶 熔點由1337K600K 納米強磁材料Fe-Co合金 當晶粒尺度與單磁疇臨界尺寸相當時，矯頑力甚高,外表與界面效應 顆粒尺寸減小造成外表積增大和外表原子比例增大，同時缺少近鄰配位的原子比例大大提高，外表電子的自旋構(gòu)像和電子能譜亦會相應變化，這會大大增加材料的化學活性。呈現(xiàn)新的理化性質(zhì)。例如：10nm粉體比外表積：90m2/g；5nm粉體比外表積：180m2/g；2nm粉體比外表積：450m2/g；,量子尺寸效應 顆粒尺寸的減小引起材料能帶結(jié)構(gòu)的變化，價帶和導帶之間的能隙有增大的趨勢，從而引起發(fā)光帶的波長減小藍移，blue shift。當粒子尺寸下
5、降到最低值時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級現(xiàn)象。量子尺寸效應會造成磁、光、聲、熱、電性能的變化。例如：納米金屬呈現(xiàn)電絕緣性 納米金屬不再具有金屬光澤 惰性金屬呈現(xiàn)極大催化性 納米金屬材料強度成倍增加等,4超細粉體材料的應用,超細粉體材料和納米材料由于其獨特的物理化學性質(zhì)，其應用范圍十分廣泛，并帶動傳統(tǒng)材料的更新?lián)Q代。,航空、航天、國防工業(yè)中的應用 利用超細粉末獨特的波吸收特性，可制造隱身材料 超硬復合材料：防彈材料 利用其高化學特性制造新一代炸藥，固體推進劑，提高火箭功率 高性能功能材料,化學工業(yè)領(lǐng)域 納米催化劑，新一代建材涂料,生物醫(yī)藥領(lǐng)域 超細藥物：吸收快、療效高 粉末藥品針
6、劑化 納米中藥 納米化保健品,新型功能材料 特殊的磁、光、電、性質(zhì)，能夠開發(fā)出一大批新型功能材料。-納米磁性材料表現(xiàn)出巨磁電阻效應，可生產(chǎn)高密度磁盤，存儲器，傳感器等 高性能新一代結(jié)構(gòu)材料 超細化和納米化為結(jié)構(gòu)材料的應用展開了新的前景。例如：NanO-Al2O3+NanO-SiC NanO+Al2O3-SiC 力學性質(zhì)：1540MPa 納米非晶合金Al8Ni10Ce3 室溫張力強度：1.6GPa 300時張力強度：1.0GPa高于最好合金的20倍 據(jù)預測：納米材料結(jié)構(gòu)器件市場容量：6375美元 納米薄膜器件市場容量：340億美元 納米復合材料及其它復合材料：5457億美元,二、粉末材料的制備技
7、術(shù)概述,1粉末材料制備技術(shù)開展概況 16世紀前：傳統(tǒng)落后的碾磨技術(shù),19世紀：機械破碎和研磨技術(shù)開展,20世紀初：機械粉磨技術(shù)改新，提出新的研磨方式：噴射磨、振動磨等,20世紀中后期：超細粉碎技術(shù)及超細粉末制備技術(shù)開展 機械粉碎設(shè)備及相關(guān)技術(shù)：氣流粉碎機、高效攪拌球磨機、,旋轉(zhuǎn)碾碎機、冷凍粉碎機，一般僅能獲得微米或亞微米粉末物理的,通過化學的或物理化學的制備技術(shù)：蒸發(fā)凝聚、濕化學法、噴霧法、,氣相法等，可獲得微米、亞微米和納米粉末,2與粉末制備技術(shù)相關(guān)的技術(shù)的開展 分級技術(shù) 為獲得粒徑分布合理的粉末材料，要求對粉末材料進行分級處理葉輪分級機、渦流分級機、喋式分級機等 外表改性技術(shù) 微細粉末巨大
8、的外表積造成材料極易團聚，為解決這些問題，開展了超細粉末的外表改性技術(shù)。超細粉末的復合技術(shù) 為制備高性能的復合材料，必須制備出原位復合的粉末，克服超細粉 末外表易污染的問題。主要技術(shù)手段有：化學法、物理化學法、機械化學法 超細粉末材料的評價技術(shù),3粉末材料的制備方法及分類,按材料制備手段的性質(zhì)可分為：物理法與化學法 按粒徑大小分類可分為微米粉體制備、亞微米粉體制備和納米粉體制備。,粉碎法是借助各種外力使固體塊體粉碎成為微粉的。,構(gòu)筑法是通過固體塊體物理狀態(tài)的變化來使物體粒度細化。,工業(yè)界對超微細粉制備工藝的要求主要包括：產(chǎn)品粒度細而且均勻穩(wěn)定、粒度分布要窄 產(chǎn)品純度高，無污染 能耗低、產(chǎn)量高、
9、產(chǎn)出率高、生產(chǎn)本錢低 工藝簡單連續(xù)，自動化程度高，生產(chǎn)平安可靠,三、粉末材料的物理制備方法,3-1、機械粉碎法,粉碎法一般只能制備微米級的粉體，但目前，通過技術(shù)改進，高效球磨技術(shù)已成功地制備出了納米粉體材料。,3-2、輥壓法,通過擠壓和剪切使物體破碎，僅能生產(chǎn)微米級的粉體。,3-3、球磨粉碎技術(shù) 振動球磨、離心球磨、離心滾動磨等，通過沖擊、研磨而破碎,3-4、氣流粉碎法氣流磨機 破碎原理：在高速氣流的作用下，物料通過本身顆粒之間的撞擊，氣流對物料的沖擊剪切作用以及物料與其它部件的沖擊、摩擦、剪切而使物料粉碎。氣流磨種類包括：圓盤氣流磨、循環(huán)式氣流磨、對撞式氣流磨、流化床氣流磨、靶式氣流磨、超音
10、速氣流磨。氣流粉碎的主要特點：產(chǎn)品粒度細小均勻5m 產(chǎn)品污染小 可粉碎低熔點和熱敏性物料 可實現(xiàn)無菌操作 實現(xiàn)制粉包覆聯(lián)合操作等,幾種典型的氣流破碎法簡介 1、圓盤式氣流粉碎機,一定角度的入射流形成旋轉(zhuǎn)渦流帶動粒子運動而粉碎，在離心作用下分級排出，高速氣體經(jīng)熱膨脹而降低工作溫度。,2、靶式氣流磨,高速氣流帶動物料撞擊在靶板上而破碎。,3-5、液流粉碎法,高壓液體通過噴射器加速形成高速射流，帶動其中的固體顆粒高速運動，然后與靶板成對向運動的另一股射流形成高速碰撞，由于強烈的撞擊能而使固體細化。,主要特點是可實現(xiàn)固液混合物的原位細化，形成超微細懸浮性，高度分散的復合液體，特別適合制備各種超細有機物
11、乳化液?？芍苽湮⒚住單⒚咨踔良{米化的固液混合材料。,3-6、高壓膨脹法 根本原理：將被破碎的材料在液體中加壓至50-60MPa的高壓，然后突然卸壓至常壓狀態(tài)，這種驟然的壓力變化造成極大的沖擊應力而破壞材料結(jié)構(gòu)到達細化的目的。,主要應用于大分子材料、纖維材料、蛋白質(zhì),類材料的細化，新鮮食品和保健品生產(chǎn)。,3-7、蒸發(fā)凝聚法 氣體中的蒸發(fā)凝聚是最典型的物理法制備工藝。在真空或惰性氣體或反響性氣體中加熱物料形成等離子體或氣體，聚冷后形成微細粉體。,特點：特別適合制備液相法和固相法難以直接合成的非氧化物超細粉和納米粉，分散性好，純度高。,四、粉末材料的化學制備方法,4.1 溶液反響法,根本原理：采用
12、液相之間的化學反響形成前驅(qū)體，經(jīng)后處理后獲得超細粉體材料。主要優(yōu)點：化學成分易控制，形狀尺寸也較易控制，可制備高純粉末材料。,主要包括：沉淀法、溶膠凝膠法、微乳液法、水熱法等。,沉淀法,把沉淀劑參加到金屬鹽溶液中進行沉淀，再將沉淀物過濾，加熱分解即得所需粉料。,當溶液中A+、B-離子的離子濃度積A+、B-超過其溶度積時，A+與B-便開始,結(jié)合，進而形成晶核，生產(chǎn)成晶粒，在重力作用下沉降形成沉淀物。,粒徑大小取決于形核速度與晶粒生長速度。,沉淀法可分為：共沉淀法、化合物沉淀法、均勻沉淀法等工藝,共沉淀法,使混溶于某溶液中的所有離子完全沉淀的方法稱為共沉淀法,沉淀劑主要使用：氫氧化物、碳酸鹽、硫酸
13、鹽、草酸鹽等，,共沉淀法中,PH,值的控制非常重要。,一個重要的問題是如何保證所有的金屬離子的同時沉淀。因為不同金屬離子其沉淀條件是不同的。因此造成成分不均勻性。特別是微量摻加物的均勻性難以保證。,化合物沉淀法,利用溶液中金屬離子形成具有固定配比的化學計量化合物而沉淀的方法。,優(yōu)點：可以保證組分的均勻性，特別是微量組分的均勻性，但其摻加量有限制,均勻沉淀法,不使用外加沉淀劑，而是使溶液內(nèi)部生成沉淀劑，,消除沉淀劑局部濃度不均勻的問題。,例如：(,NH,2,),2,CO+3H,2,O 2NH,4,OH+CO,2,2溶膠凝膠法Sol-Gel法溶膠凝膠技術(shù)是指金屬有機或無機化合物經(jīng)過溶液、溶膠、凝膠
14、而固化，再經(jīng)熱處理而成氧化物或其它化合物固體的方法。主要有三種類型：傳統(tǒng)膠體、無機聚合物、絡(luò)合物,主要特點是：通過低溫化學手段在小尺寸范圍內(nèi)剪裁和控制材料的顯微結(jié)構(gòu)，均勻性手段到達亞微米級、納米級、分子水平。,沉淀法的主要缺點包括：,沉淀物呈凝膠狀很難水洗和過濾,沉淀劑易引入雜質(zhì)，而NH4OH、(NH4)2CO3易形成絡(luò)合物而溶解,沉淀過程中會出現(xiàn)別離,水洗時，局部沉淀物再溶解,溶劑蒸發(fā)法，消除沉淀法的缺點,要求,4-2、溶劑蒸發(fā)法,溶滴盡量小,蒸發(fā)速度盡量快,消除液滴內(nèi)組分偏析,一般選擇噴霧法,溶劑蒸發(fā)法的優(yōu)點：粉末成分與原溶液中固態(tài)溶質(zhì)成分相同 可合成多組分復雜粉體 粉末呈球形，流動性好,
15、蒸發(fā)的工藝可選擇：冷凍枯燥、噴霧枯燥、熱油枯燥、熱分解及熱反響,冷凍枯燥法,將金屬鹽水溶液噴灑到低溫有機液體上，使溶滴迅速冷凍，然后在低溫,降壓條件下升華、脫水，再通過分解制得粉料。,優(yōu)點：粉料成分均勻，反響性和燒結(jié)性好，如：摻Li的NiO電極制備工藝。,噴霧枯燥法,將液滴霧化噴射成細小的液滴進入熱風中，使之快速枯燥，而成為粉體。,噴霧熱分解法,將金屬溶液噴入高溫氣氛中，立即引起溶劑的蒸發(fā)和金屬鹽的熱分解，從而,直接合成金屬氧化物粉料Spray Prolysis,SP,其主要優(yōu)點是：,枯燥和分解一步完成，可連續(xù)操作，生產(chǎn)能力強,產(chǎn)品純度高，分散性好，粒度可控,可制備多組分復雜粉體,(1)氣相反
16、響制備粉末的根本原理和特點,以揮發(fā)性金屬鹵化物和氧化物或有機金屬化合物等蒸氣為原料，進行氣相熱分,解和其它化學反響來合成粉末的方法。,根據(jù)熱分解采用的熱源的不同，可以分為：,化學火焰法、等離子體法、火花法、激光法等。,單一化合物的熱分解,A氣 B固+C氣,例：CH3Si+Cl3 SiC+3HCl,通過兩種氣相間的化學反響來合成指定的產(chǎn)品,A氣+B氣 C固+D氣,例：SiCl4+O2 SiO2+2Cl2,SiCl4+4NH3 Si3N4+12HCl,4.3 氣相反響法Chemical Vapor Deposition CVD,主要特點包括：產(chǎn)物純度高,生成物分散性好，無團聚,可獲得粒徑理想的粉體,可制備液相法難以制備的粉體，如氧化物、,碳化物、硅化物、硼化物等非氧化物粉體,在CVD中，固相粒子的形態(tài)隨反響體系種類、析出條件不同而變化，在固體,外表析出物可以是薄膜，晶須、晶粒，在氣體中那么形成顆粒材料.,CVD中粉體材料的形成條件：,粒子的形成決定于形核和核的長大,粒子形核必須具備高的過飽和度和大的反響平衡常數(shù)；,粒子的長大那么決定于成核數(shù)量和金屬源濃度,通過控制反響溫度，反響氣體濃度可控
粉末材料合成與加工新技術(shù)
