对于超细粉体来说，形貌和粒径大小是影响其性能特征的重要因素。传统工艺中，制备超细粉体往往采用溶胶－凝胶、水热法、固相法等方法，但这些方法都存在同样的缺陷，如晶粒的大小和晶体的形貌无法控制、粒径分布大、生产成本过高、污染严重、技术复杂等。

为了解决这一系列的问题，超声波技术便被引用到了材料合成中，超声雾化技术便是其中一颗冉冉升起的新星。

超声雾化法制粉  

超声雾化技术是利用超声能量将金属或合金液体在气相中破碎成细小雾滴 ,雾化后的小液滴又称为气溶胶；利用载气将小液滴运输到反应腔内，在高温条件下进行热解反应，最后雾滴冷却凝固成金属粉末，通过收集器收集粉体。

超声雾化法制备的金属粉末形貌  

超声雾化法制备超细粉体的优势  

①雾化法可使溶质在短时间内析出,具有产物颗粒之间组成相同,粒子多为球, 流动性好,易制粉成型等优点。

②所得粒子微细、组成均匀。因干燥时间短,整个过程迅速完成,每一颗多组分微细液滴在反应过程中来不及发生偏析,从而获得组成均匀的超微粒子。

③与产物粒子组成可控。因起始原料在溶液状态下均匀混合,故可精确地控制所合成化合物或功能材料的最终组成。

④产物性能优异。控制操作条件极易制得各种具有不同形态和性能的微细粉体。由于利用了物料的热分解,所以制备材料的反应温度较低，与其他方法制备的材料相比,产物的表观密度小,比表面积大,微粉的烧结性能好。

⑤可连续生产,产量较大,成本低廉。此法操作过程简单,反应一次完成,并且可以连续进行。产物无需水洗过滤和粉碎研磨,避免不必要的污染,保证产物的纯度。

超声雾化法制备超细粉体的影响因素  

超声雾化法的影响因素包括前躯体和过程参数等。前驱体溶液中除了表面张力、密度和粘度等对粉体有影响外，前驱体溶液的浓度、pH和来源对粉体的大小、形貌及其性能也有着重要的影响。在制备过程中，热解温度是最重要的影响因素，超声波频率和载气速率的影响也不可忽视。粉体的成核和结晶两个步骤都高度依赖于温度和时间。而前驱体浓度、气溶胶液滴大小、温度、气体流量以及相对湿度等决定了蒸发和扩散速率。

前驱体浓度的影响：

随前驱体浓度的增加而变大，粒径分布也随之增大。当浓度增加，小液滴的单位体积内的溶质增加，导致密度、表面张力、沸点变大，蒸发率变慢，较小的液滴会附在周围的大液滴上，一起发生热解形成团聚粉体。当前驱体的浓度较低时，小液滴表面比内部先形成核，液滴表面的溶剂挥发形成壳状结构，而液滴内部的溶剂受热继续挥发，在内外气压的作用下，粉体出现破壳、空洞现象随着浓度的增加，蒸发率变慢，破壳、空洞现象减少，球形纳米粉体增多。当前驱体的浓度快达到饱和时，内外同时形成核，避免了空洞现象的出现。

前驱体pH值的影响：

前躯体的pH对粉末的形貌和粒径有一定的影响。pH较低时，前驱体分子间的力较大，粉末紧密结合，形成的粉体表面光滑。随pH的增加，降低了成核数量，提高了晶体生长速率，粉体表面变得粗糙，粒径减小。

超声雾化法合成不同pH下 NiO@GDC的扫描电镜图 （a）pH=2 （b）pH=4 （c）pH=6  

颗粒随pH的增大粒径变小，粒径分布逐渐变大,粉体表面由光滑逐渐变得粗糙  

热解温度的影响：

从气溶胶到粉体经历蒸发阶段、反应过程、致密阶段3个过程，当温度较低时因没有达到热解温度，液滴只发生溶剂蒸发；随着温度的增加，开始产生热解反应；最后通过温度控制晶粒大小。粒径分布受蒸发阶段的影响最大。随温度的增加，蒸发率升高，溶质达到饱和时间减少，表面溶剂挥发大于里面溶剂的挥发速率，使溶质快速形成壳状结构，由于壳内外压力差导致颗粒出现空心或者破壳的可 能性较大，温度越高破壳情况出现越多。热解温度较低时，前驱体未能全部发生热解反应，粉体的结晶度差，表面光滑，粒径分布较窄；热解温度过高时，蒸发速率变大，粉体晶粒变大，表面粗糙度增加，容易发生团聚。

不同热解温度下ZrO₂颗粒形貌的扫描电镜图 (a)=150℃ (b)=300℃ (c)=500℃ (d)=700℃  

超声频率的影响:

超声波的频率决定气溶胶的大小。随着频率的增加，气溶胶的粒径逐渐减小，导致粉体的粒径减小。当前驱体的浓度较低时，超声波的频率对粒度分布具有更大的影响。

载气速率的影响：

载气速率决定气溶胶的热解时间。载气速率较低时，导致气溶胶在腔体内的密度降低，从而减少气溶胶的碰撞和二次凝聚，使形成粉体的粒径减小，粉体粒径分布比较均匀。当载气速率较大时，热解时间较短，液滴表面溶剂挥发形成壳状，而在液滴内部的溶剂还不能完全挥发，球体内外的压力差变大，在烧结阶段就会形成空洞或不规则形状。

超声雾化新进展  

目前，超声雾化技术与传统雾化技术相结合是超声雾化技术发展的必然趋势，而且形成了一系列复合型高效雾化制粉技术，主要有：离心-超声雾化、超声波驻波雾化、超声张力波—超声气雾化双重超声雾化等。

离心—超声雾化：熔体以一定流量经过流嘴时，通过涡流离心腔的导流作用，使流出的金属液成空心锥结构，其螺旋形的流动轨迹加快了金属液在振动面上的铺展，促进了液体沿周向的铺展和薄液膜的形成，提高了金属液在整个震动面铺展的均匀性。

离心—超声雾化原理示意图  

恒载超声雾化：该装置采用等离子弧作为高温热源，并且借鉴旋转电极离心雾化法的物料加热方式，将待制粉末金属棒料作为一个第高子用极，如故地交旅超L生聚能器上，在高压作用下，与等离子枪内部电极之间形成氩弧等离子体，金属棒料端面超声换能器一在高温等离子轰击下逐层融化。然后融化的金属液被超声振动所雾化。

超声雾化制取金属粉未系统框图  

超声张力波一超声气雾化双重超声雾化：该方法将两种超声雾化方法有机结合，克服了各自的局限性。装置分两步击碎液态金属，从而解决了熔体流量不能过大的问题。液态金属首先导向由超声频率激发的管状共振器的内壁，熔态金属润湿这种振动基体，通过张力波雾化被击碎。同时在进入同一管中的惰性气体产生非稳态冲击波，这种压力脉冲进一步击碎张力波雾化的溶液，从而使最终获得细微粉末。这种方法适合制备20μm以下的粉末。

双重超声雾化装置简图  

当前，大功率高频率超声波的不断发展，正推动着超声雾化技术的不断深入研究。同时，超细粉体研究也随之更上一个台阶。

粉体圈 作者：朱朱