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走进微观世界1:微纳粉体材料的特点及应用
2021年11月01日 发布 分类:粉体入门 点击量:228
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一般来说,粉体是由大量固体颗粒所构成的聚集体或者堆积体,组成粉体的最小单元称为粉体颗粒,其粒径通常小于1000μm。如图1-1所示的粉体颗粒粒径尺寸分布,微纳粉体一般指粒径小于10μm的粉体物料,通常又可分为微米粉体、亚微米粉体和纳米粉体。粒径在1~10μm范围的粉体称为微米粉体,粒径在 0.1~1μm范围的粉体称为亚微米粉体,粒径在1nm~0.1μm范围的粉体称为纳米粉体。

 

1-1 粉体颗粒的粒径尺寸分布

随着颗粒尺寸减小,颗粒表面结构及活性发生改变,比表面积增大,表面分子排列、电子分布结构及晶体结构均发生变化,使得微纳粉体颗粒具有表面效应、小尺寸效应、子效应和宏观量子隧道效应,从而使微纳粉体具有一系列优异的光学性能、磁性能、力学性能、化学性能以及表面和界面性能。因此微纳粉体具有化学反应速率快、溶解度大、溶解速率快、吸附性强和填充性好的特点,还拥有独特的分散性与流变性能。

作为伴随现代高技术和新材料产业发展起来的新兴产业,微纳粉体工业是继 IT和信息产业之后发展较快的行业。自20世纪70年代以来,微纳粉体已逐渐发展为许多国家的研究热点。随着对微纳粉体独特性质和加工技术研究的不断深入,微纳粉体在诸多现代工业和高新技术产业都获得了广泛应用,主要体现在新材料行业、微电子行业、轻化工行业、生物医药行业、食品行业以及国防军事业等领域,大大推进了相关领域的发展。

1)新材料行业

在新材料行业,纳米材料备受青睐。纳米新材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸或由它们作为基本单元构成的新型材料,主要应用有纳米陶瓷材料、纳米半导体材料以及纳米催化材料等。

传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动、材料质脆、烧结温度高,纳米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上运动。因此,纳米陶瓷材料具有高强度、高韧性以及良好的延展性,这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形,然后做表面退火处理,由此制成的高性能陶瓷材料其表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学稳定性,而内部仍具有纳米材料高延展性的优点。

使用硅、砷化镓等半导体材料制成的纳米材料,具有许多优异性能。例如,纳米半导体中的粒子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、电导率降低:热导率也随颗粒尺寸的减小而下降,甚至出现负值。这些特性在大规模集成电路器件以及光电器件等领域发挥重要的作用。

纳米粒子是一种极好的催化剂,这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同以及表面原子配位不全,导致表面的活性位点增加,使它具备了作为催化剂的基本条件。镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂,可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应温度从600℃降低到室温。

2)微电子行业

超细材料对外部环境的敏感性大大提高,被认为是传感元器件最理想的基础材料。在微电子行业,微纳粉体的典型应用主要体现在制备磁记录材料、电子浆料和电子陶瓷材料。

采用微纳粉体制备的磁记录材料具有稳定性好、图像清晰、信噪比高以及失真小等优点,其代表是超细针状Fe304磁粉。超细磁粉制作的录音带和录像带,其记录密度比普通磁带高10倍。目前,磁记录材料所用的磁性颗粒尺寸大致处于亚微米级与纳米级之间。

作为微电子领域不可或缺的电极材料,电子浆料是未来微纳粉体的重要应用之一。用于导电浆的导电性粉末有Au、Pt、Pd、Ag、Cu、Ni等,用于介电浆的粉末有BaTiO3TiO2等,用于电阻浆的粉末有RuO2MoO2LaB6C等

在电子陶瓷材料方面,通常是以BaTiO3,作为PTC热敏电阻器和陶瓷电容器的主要原料。随着工艺设备的不断优化和PTC应用领域的不断扩大以及陶瓷电容器需求量的持续增长,BaTiO3微粉的市场前景非常广阔。此外,在显像管器件中,显像管用的Al203微粉的平均粒径通常要求为1.5~5.5um;黑底石墨乳的粒径(G-72B)要求小于1μm。

3)轻化工行业

微纳粉体由于粒度细、比表面积大、表面活性高等特性,因而具有很高的化学活性,被广泛应用于精细化工产品、高效催化剂等领域。赤磷超细化后可制成高性能催化剂,利用其进行催化可使石油的裂解速度提高1~5倍。油漆、涂料等化工产品的固体成分经超细化后可大大提高产品的附着力。

在化妆品领域,着色剂和填充粉料大量应用于化妆品中的粉底、眼影及粉饼类产品,为了使这些粉料能均匀地分散于乳化体系中,可以使用少量的悬浮剂,以实现粉体的稳定分散,并同时具有良好的基色表现力和细腻润滑的肤感。这要求粉体除了具备与乳化体系良好的亲和性外,还必须具有足够小的粒度。气流粉碎机与物料接触部分采用镜面设计,易于清洗、消毒,系统的全密封性对物料无污染。产品粒度均匀,粒度分布窄,非常适用于色料和粉体填充剂的生产过程。

随着化学工业的发展,超细非金属矿物材料在化学工业应用领域扮演越来越重要的角色。采用湿化学方法制造的超细高纯Al203粉体,因具有机械强度高、硬度大、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良性能,已被广泛应用在化工行业的各个生产环节之中。此外,将微纳粉体材料用于废气和废水的处理有望成为未来环境保护发展的趋势。


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