纳米粉体也称为超微粒子,是指一类介于固体和分子之间的、具有极小粒径(1~100nm) 的亚稳态中间物质。它可分为金属、半导体、高分子、陶瓷超细粉末等。纳米粉体难以用传统的机械方法製得,现常用方法包括物理或化学製备方法。化学製备方法又可分为气相化学法和液相化学法(湿化学法)。
纳米材料,又称粉体,是纳米科学技术的基础,正引起世界观各国的广泛的关注。 现代材料和物理学家所称的纳米材料是指固体颗粒小到纳米尺度的超微粒子(也称之为纳米粉)和晶粒尺寸小到纳米量极的固体和薄膜。
基本介绍
- 中文名:纳米粉体
- 尺寸:纳米量级
定义
当前定义纳米材料尺寸範围为0.1-100纳米。粒径小于100纳米以后,粒子表面的原子数与其体内数目可比,例如5纳米微粒,表面原子比例占百分之四十,比表面积达成180平方米/克,导致纳米材料出现不同于传统固体材料的小尺寸,表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化,产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特能。例如纳米铁具有磁性、原不导电的材料变成导电、特殊的远红外线辐射、强紫外反射、强催化作用、强吸附性等。因此纳米材料科学及工业套用已成为国内外跨新世纪研究开发热点,并开拓发展成为高技术产业,在电子、化工、机械、生物医学等工业领域内,具有日益广泛发展的套用前景。
形貌控制
纳米粉体形貌与粒度控制
1.纳米粉末形貌要求举例
对微纳粉末的粒度和形貌的要求因用途而异。三氧化铁α、β、γ三种晶型。其中水煤气转化反应、丁烷脱氢反应催化剂用三氧化铁要求为α晶型,而磁记录介质用超细三氧化铁磁粉要求为γ晶型,粒度小于0.3pm、形状是长径比大于8的针状。另外颜料用α-Fe2O3
最好是棒状、盘状、薄板状。
A12O3有α、γ、θ、η等八种晶型,催化剂及载体用的氧化铝应为η-A12O3或γ-A12O3,而α-A12O3是重要的陶瓷材料。氧化铝的水合物主要有三种三水合物和两种一水合物,阻燃材料用要求是三水合物,并且粒度细,有合理级配、透明性好、粒子形状为片状、细棱状。
用作镍氢电池材料的球形氢氧化亚镍粉末则要求其粒度有一定的分布宽度,以便小粒子可以填充在大粒子的空隙之间,提高电极的能量密度;而作为製备电子工业用的氧化镍粉末的煅烧前驱体,则要求粒度在亚微米且分布儘可能狭窄。
表2.1还列出了一些工业产品对颗粒形状的要求,纳米粉在套用上都有这种特殊要求。
对微纳粉末的粒度和形貌的要求因用途而异。三氧化铁α、β、γ三种晶型。其中水煤气转化反应、丁烷脱氢反应催化剂用三氧化铁要求为α晶型,而磁记录介质用超细三氧化铁磁粉要求为γ晶型,粒度小于0.3pm、形状是长径比大于8的针状。另外颜料用α-Fe2O3
最好是棒状、盘状、薄板状。
A12O3有α、γ、θ、η等八种晶型,催化剂及载体用的氧化铝应为η-A12O3或γ-A12O3,而α-A12O3是重要的陶瓷材料。氧化铝的水合物主要有三种三水合物和两种一水合物,阻燃材料用要求是三水合物,并且粒度细,有合理级配、透明性好、粒子形状为片状、细棱状。
用作镍氢电池材料的球形氢氧化亚镍粉末则要求其粒度有一定的分布宽度,以便小粒子可以填充在大粒子的空隙之间,提高电极的能量密度;而作为製备电子工业用的氧化镍粉末的煅烧前驱体,则要求粒度在亚微米且分布儘可能狭窄。
表2.1还列出了一些工业产品对颗粒形状的要求,纳米粉在套用上都有这种特殊要求。
2.形貌与粒度控制的複杂性
在超细粉末製备过程中,对粒度和形貌加以控制是相当困难的,这主要是由于製备过程本身的複杂性造成的。液相沉澱是最普遍採用的湿法制粉方法之一,它以其制粉质量优良、方法简便、成本低、容易扩大生产等优点得到广泛的套用。该法的沉澱反应是湿法制粉中非常关键的步骤之一,对最终粉末粒子的粒度和形貌等具有决定性的影响。
沉澱粒子粒度和形貌控制的物理模型也是非常複杂的。产品与过程之间存在着耦合互动关係,在实际套用过程中必须充分利用体系的边界条件、限制条件或者某些特殊条件对其中的某些项进行简化,才能比较方便、合理地计算求解和讨论,而这个求解过程本身就是十分烦琐的。
因此,粉末颗粒的形貌与粒度控制是一个複杂的过程。
3.形貌与粒度控制的意义
粉末的粒度及其分布是最基本的形态特徵,它基本上决定了粉末的整体和表面特性。除此而外,粉末的结构形貌特徵还包括粉末的形状、化学组成、内外表面积、体积和表面缺陷等,它们一起决定粉末的综合性能。因此,最近几年,粉末结构形貌与粒度控制正逐渐成为粉体研究的一个重要内容。
在大多数粉体材料的製备过程中都有粒度和形貌等方面的特殊要求。不同套用领域对功能粉体材料形貌与粒度的多样性要求,为粉体材料製备技术发展提出了新的课题,即在其製备与加工中颗粒形貌与粒度的控制。因此,在微纳粉末製备过程中,根据其套用需要进行粉末结构、形貌控制就具有十分重要的意义。
在功能粉体材料的製备与加工过程中,颗粒形貌与粒度控制往往有赖于颗粒形成机理的解析。颗粒形成机理的揭示,是粉末形貌与粒度控制的基础。颗粒形成的机理见图3.1。
在湿法化学沉澱过程中,粉末颗粒的生成经历了成核、生长、团聚等过程。
在超细粉末製备过程中,对粒度和形貌加以控制是相当困难的,这主要是由于製备过程本身的複杂性造成的。液相沉澱是最普遍採用的湿法制粉方法之一,它以其制粉质量优良、方法简便、成本低、容易扩大生产等优点得到广泛的套用。该法的沉澱反应是湿法制粉中非常关键的步骤之一,对最终粉末粒子的粒度和形貌等具有决定性的影响。
沉澱粒子粒度和形貌控制的物理模型也是非常複杂的。产品与过程之间存在着耦合互动关係,在实际套用过程中必须充分利用体系的边界条件、限制条件或者某些特殊条件对其中的某些项进行简化,才能比较方便、合理地计算求解和讨论,而这个求解过程本身就是十分烦琐的。
因此,粉末颗粒的形貌与粒度控制是一个複杂的过程。
3.形貌与粒度控制的意义
粉末的粒度及其分布是最基本的形态特徵,它基本上决定了粉末的整体和表面特性。除此而外,粉末的结构形貌特徵还包括粉末的形状、化学组成、内外表面积、体积和表面缺陷等,它们一起决定粉末的综合性能。因此,最近几年,粉末结构形貌与粒度控制正逐渐成为粉体研究的一个重要内容。
在大多数粉体材料的製备过程中都有粒度和形貌等方面的特殊要求。不同套用领域对功能粉体材料形貌与粒度的多样性要求,为粉体材料製备技术发展提出了新的课题,即在其製备与加工中颗粒形貌与粒度的控制。因此,在微纳粉末製备过程中,根据其套用需要进行粉末结构、形貌控制就具有十分重要的意义。
在功能粉体材料的製备与加工过程中,颗粒形貌与粒度控制往往有赖于颗粒形成机理的解析。颗粒形成机理的揭示,是粉末形貌与粒度控制的基础。颗粒形成的机理见图3.1。
在湿法化学沉澱过程中,粉末颗粒的生成经历了成核、生长、团聚等过程。