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超聲霧化法制備超細粉體

超聲霧化法制備超細粉體

編輯: 發布時間:2019-11-15

對于超細粉體來說,形貌和粒徑大小是影響其性能特征的重要因素。傳統工藝中,制備超細粉體往往采用溶膠-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、生產成本過高、污染嚴重、技術復雜等。

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




超聲霧化法制粉

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



超聲霧化法制備超細粉體的優勢

①霧化法可使溶質在短時間內析出,具有產物顆粒之間組成相同,粒子多為球,流動性好,易制粉成型等優點。


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

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

④產物性能優異??刂撇僮鳁l件極易制得各種具有不同形態和性能的微細粉體。由于利用了物料的熱分解,所以制備材料的反應溫度較低,與其他方法制備的材料相比,產物的表觀密度小,比表面積大,微粉的燒結性能好。

⑤可連續生產,產量較大,成本低廉。此法操作過程簡單,反應一次完成,并且可以連續進行。產物無需水洗過濾和粉碎研磨,避免不必要的污染,保證產物的純度。



超聲霧化法制備超細粉體的影響因素

超聲霧化法的影響因素包括前軀體和過程參數等。前驅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。粉體的成核和結晶兩個步驟都高度依賴于溫度和時間。而前驅體濃度、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和擴散速率。


前驅體濃度的影響:

隨前驅體濃度的增加而變大,粒徑分布也隨之增大。當濃度增加,小液滴的單位體積內的溶質增加,導致密度、表面張力、沸點變大,蒸發率變慢,較小的液滴會附在周圍的大液滴上,一起發生熱解形成團聚粉體。當前驅體的濃度較低時,小液滴表面比內部先形成核,液滴表面的溶劑揮發形成殼狀結構,而液滴內部的溶劑受熱繼續揮發,在內外氣壓的作用下,粉體出現破殼、空洞現象隨著濃度的增加,蒸發率變慢,破殼、空洞現象減少,球形納米粉體增多。當前驅體的濃度快達到飽和時,內外同時形成核,避免了空洞現象的出現。

前驅體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,前驅體分子間的力較大,粉末緊密結合,形成的粉體表面光滑。隨pH的增加,降低了成核數量,提高了晶體生長速率,粉體表面變得粗糙,粒徑減小。


熱解溫度的影響:

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


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,導致粉體的粒徑減小。當前驅體的濃度較低時,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,導致氣溶膠在腔體內的密度降低,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。當載氣速率較大時,熱解時間較短,液滴表面溶劑揮發形成殼狀,而在液滴內部的溶劑還不能完全揮發,球體內外的壓力差變大,在燒結階段就會形成空洞或不規則形狀。



超聲霧化新進展

目前,超聲霧化技術與傳統霧化技術相結合是超聲霧化技術發展的必然趨勢,而且形成了一系列復合型高效霧化制粉技術,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過流嘴時,通過渦流離心腔的導流作用,使流出的金屬液成空心錐結構,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。


恒載超聲霧化:該裝置采用等離子弧作為高溫熱源,并且借鑒旋轉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,與等離子槍內部電極之間形成氬弧等離子體,金屬棒料端面超聲換能器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。


超聲張力波—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合,克服了各自的局限性。裝置分兩步擊碎液態金屬,從而解決了熔體流量不能過大的問題。液態金屬首先導向由超聲頻率激發的管狀共振器的內壁,熔態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生非穩態沖擊波,這種壓力脈沖進一步擊碎張力波霧化的溶液,從而使最終獲得細微粉末。這種方法適合制備20μm以下的粉末。


當前,大功率高頻率超聲波的不斷發展,正推動著超聲霧化技術的不斷深入研究。同時,超細粉體研究也隨之更上一個臺階。