超聲霧化法制備超細(xì)粉體

發(fā)布時間 | 2019-09-20 17:45 分類 | 粉體加工技術(shù) 點擊量 | 5439

干燥

導(dǎo)讀：對于超細(xì)粉體來說，形貌和粒徑大小是影響其性能特征的重要因素。傳統(tǒng)工藝中，制備超細(xì)粉體往往采用溶膠－凝膠、水熱法、固相法等方法，但這些方法都存在同樣的缺陷，如晶粒的大小和晶體的形貌無...

對于超細(xì)粉體來說，形貌和粒徑大小是影響其性能特征的重要因素。傳統(tǒng)工藝中，制備超細(xì)粉體往往采用溶膠－凝膠、水熱法、固相法等方法，但這些方法都存在同樣的缺陷，如晶粒的大小和晶體的形貌無法控制、粒徑分布大、生產(chǎn)成本過高、污染嚴(yán)重、技術(shù)復(fù)雜等。

為了解決這一系列的問題，超聲波技術(shù)便被引用到了材料合成中，超聲霧化技術(shù)便是其中一顆冉冉升起的新星。

超聲霧化法制粉

超聲霧化技術(shù)是利用超聲能量將金屬或合金液體在氣相中破碎成細(xì)小霧滴 ,霧化后的小液滴又稱為氣溶膠；利用載氣將小液滴運輸?shù)椒磻?yīng)腔內(nèi)，在高溫條件下進行熱解反應(yīng)，最后霧滴冷卻凝固成金屬粉末，通過收集器收集粉體。

超聲霧化法制備的金屬粉末形貌

超聲霧化法制備超細(xì)粉體的優(yōu)勢

①霧化法可使溶質(zhì)在短時間內(nèi)析出,具有產(chǎn)物顆粒之間組成相同,粒子多為球, 流動性好,易制粉成型等優(yōu)點。

②所得粒子微細(xì)、組成均勻。因干燥時間短,整個過程迅速完成,每一顆多組分微細(xì)液滴在反應(yīng)過程中來不及發(fā)生偏析,從而獲得組成均勻的超微粒子。

③與產(chǎn)物粒子組成可控。因起始原料在溶液狀態(tài)下均勻混合,故可精確地控制所合成化合物或功能材料的最終組成。

④產(chǎn)物性能優(yōu)異。控制操作條件極易制得各種具有不同形態(tài)和性能的微細(xì)粉體。由于利用了物料的熱分解,所以制備材料的反應(yīng)溫度較低，與其他方法制備的材料相比,產(chǎn)物的表觀密度小,比表面積大,微粉的燒結(jié)性能好。

⑤可連續(xù)生產(chǎn),產(chǎn)量較大,成本低廉。此法操作過程簡單,反應(yīng)一次完成,并且可以連續(xù)進行。產(chǎn)物無需水洗過濾和粉碎研磨,避免不必要的污染,保證產(chǎn)物的純度。

超聲霧化法制備超細(xì)粉體的影響因素

超聲霧化法的影響因素包括前軀體和過程參數(shù)等。前驅(qū)體溶液中除了表面張力、密度和粘度等對粉體有影響外，前驅(qū)體溶液的濃度、pH和來源對粉體的大小、形貌及其性能也有著重要的影響。在制備過程中，熱解溫度是最重要的影響因素，超聲波頻率和載氣速率的影響也不可忽視。粉體的成核和結(jié)晶兩個步驟都高度依賴于溫度和時間。而前驅(qū)體濃度、氣溶膠液滴大小、溫度、氣體流量以及相對濕度等決定了蒸發(fā)和擴散速率。

前驅(qū)體濃度的影響：

隨前驅(qū)體濃度的增加而變大，粒徑分布也隨之增大。當(dāng)濃度增加，小液滴的單位體積內(nèi)的溶質(zhì)增加，導(dǎo)致密度、表面張力、沸點變大，蒸發(fā)率變慢，較小的液滴會附在周圍的大液滴上，一起發(fā)生熱解形成團聚粉體。當(dāng)前驅(qū)體的濃度較低時，小液滴表面比內(nèi)部先形成核，液滴表面的溶劑揮發(fā)形成殼狀結(jié)構(gòu)，而液滴內(nèi)部的溶劑受熱繼續(xù)揮發(fā)，在內(nèi)外氣壓的作用下，粉體出現(xiàn)破殼、空洞現(xiàn)象隨著濃度的增加，蒸發(fā)率變慢，破殼、空洞現(xiàn)象減少，球形納米粉體增多。當(dāng)前驅(qū)體的濃度快達(dá)到飽和時，內(nèi)外同時形成核，避免了空洞現(xiàn)象的出現(xiàn)。

前驅(qū)體pH值的影響：

前軀體的pH對粉末的形貌和粒徑有一定的影響。pH較低時，前驅(qū)體分子間的力較大，粉末緊密結(jié)合，形成的粉體表面光滑。隨pH的增加，降低了成核數(shù)量，提高了晶體生長速率，粉體表面變得粗糙，粒徑減小。

超聲霧化法合成不同pH下 NiO@GDC的掃描電鏡圖（a）pH=2 （b）pH=4 （c）pH=6

顆粒隨pH的增大粒徑變小，粒徑分布逐漸變大,粉體表面由光滑逐漸變得粗糙

熱解溫度的影響：

從氣溶膠到粉體經(jīng)歷蒸發(fā)階段、反應(yīng)過程、致密階段3個過程，當(dāng)溫度較低時因沒有達(dá)到熱解溫度，液滴只發(fā)生溶劑蒸發(fā)；隨著溫度的增加，開始產(chǎn)生熱解反應(yīng)；最后通過溫度控制晶粒大小。粒徑分布受蒸發(fā)階段的影響最大。隨溫度的增加，蒸發(fā)率升高，溶質(zhì)達(dá)到飽和時間減少，表面溶劑揮發(fā)大于里面溶劑的揮發(fā)速率，使溶質(zhì)快速形成殼狀結(jié)構(gòu)，由于殼內(nèi)外壓力差導(dǎo)致顆粒出現(xiàn)空心或者破殼的可能性較大，溫度越高破殼情況出現(xiàn)越多。熱解溫度較低時，前驅(qū)體未能全部發(fā)生熱解反應(yīng)，粉體的結(jié)晶度差，表面光滑，粒徑分布較窄；熱解溫度過高時，蒸發(fā)速率變大，粉體晶粒變大，表面粗糙度增加，容易發(fā)生團聚。

不同熱解溫度下ZrO?顆粒形貌的掃描電鏡圖 (a)=150℃ (b)=300℃ (c)=500℃ (d)=700℃

超聲頻率的影響:

超聲波的頻率決定氣溶膠的大小。隨著頻率的增加，氣溶膠的粒徑逐漸減小，導(dǎo)致粉體的粒徑減小。當(dāng)前驅(qū)體的濃度較低時，超聲波的頻率對粒度分布具有更大的影響。

載氣速率的影響：

載氣速率決定氣溶膠的熱解時間。載氣速率較低時，導(dǎo)致氣溶膠在腔體內(nèi)的密度降低，從而減少氣溶膠的碰撞和二次凝聚，使形成粉體的粒徑減小，粉體粒徑分布比較均勻。當(dāng)載氣速率較大時，熱解時間較短，液滴表面溶劑揮發(fā)形成殼狀，而在液滴內(nèi)部的溶劑還不能完全揮發(fā)，球體內(nèi)外的壓力差變大，在燒結(jié)階段就會形成空洞或不規(guī)則形狀。

超聲霧化新進展

目前，超聲霧化技術(shù)與傳統(tǒng)霧化技術(shù)相結(jié)合是超聲霧化技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，而且形成了一系列復(fù)合型高效霧化制粉技術(shù)，主要有：離心-超聲霧化、超聲波駐波霧化、超聲張力波—超聲氣霧化雙重超聲霧化等。

離心—超聲霧化：熔體以一定流量經(jīng)過流嘴時，通過渦流離心腔的導(dǎo)流作用，使流出的金屬液成空心錐結(jié)構(gòu)，其螺旋形的流動軌跡加快了金屬液在振動面上的鋪展，促進了液體沿周向的鋪展和薄液膜的形成，提高了金屬液在整個震動面鋪展的均勻性。

離心—超聲霧化原理示意圖

恒載超聲霧化：該裝置采用等離子弧作為高溫?zé)嵩矗⑶医梃b旋轉(zhuǎn)電極離心霧化法的物料加熱方式，將待制粉末金屬棒料作為一個第高子用極，如故地交旅超L生聚能器上，在高壓作用下，與等離子槍內(nèi)部電極之間形成氬弧等離子體，金屬棒料端面超聲換能器一在高溫等離子轟擊下逐層融化。然后融化的金屬液被超聲振動所霧化。

超聲霧化制取金屬粉未系統(tǒng)框圖

超聲張力波一超聲氣霧化雙重超聲霧化：該方法將兩種超聲霧化方法有機結(jié)合，克服了各自的局限性。裝置分兩步擊碎液態(tài)金屬，從而解決了熔體流量不能過大的問題。液態(tài)金屬首先導(dǎo)向由超聲頻率激發(fā)的管狀共振器的內(nèi)壁，熔態(tài)金屬潤濕這種振動基體，通過張力波霧化被擊碎。同時在進入同一管中的惰性氣體產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)沖擊波，這種壓力脈沖進一步擊碎張力波霧化的溶液，從而使最終獲得細(xì)微粉末。這種方法適合制備20μm以下的粉末。