一般來說,粉體是由大量固體顆粒所構成的聚集體或者堆積體,組成粉體的最小單元稱為粉體顆粒,其粒徑通常小于1000μm。如圖1-1所示的粉體顆粒粒徑尺寸分布,微納粉體一般指粒徑小于10μm的粉體物料,通常又可分為微米粉體、亞微米粉體和納米粉體。粒徑在1~10μm范圍的粉體稱為微米粉體,粒徑在 0.1~1μm范圍的粉體稱為亞微米粉體,粒徑在1nm~0.1μm范圍的粉體稱為納米粉體。
圖1-1 粉體顆粒的粒徑尺寸分布
隨著顆粒尺寸減小,顆粒表面結構及活性發生改變,比表面積增大,表面分子排列、電子分布結構及晶體結構均發生變化,使得微納粉體顆粒具有表面效應、小尺寸效應、量子效應和宏觀量子隧道效應,從而使微納粉體具有一系列優異的光學性能、磁性能、力學性能、化學性能以及表面和界面性能。因此微納粉體具有化學反應速率快、溶解度大、溶解速率快、吸附性強和填充性好的特點,還擁有獨特的分散性與流變性能。
作為伴隨現代高技術和新材料產業發展起來的新興產業,微納粉體工業是繼 IT和信息產業之后發展較快的行業。自20世紀70年代以來,微納粉體已逐漸發展為許多國家的研究熱點。隨著對微納粉體獨特性質和加工技術研究的不斷深入,微納粉體在諸多現代工業和高新技術產業都獲得了廣泛應用,主要體現在新材料行業、微電子行業、輕化工行業、生物醫藥行業、食品行業以及國防軍事工業等領域,大大推進了相關領域的發展。
(1)新材料行業
在新材料行業,納米材料備受青睞。納米新材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺寸或由它們作為基本單元構成的新型材料,主要應用有納米陶瓷材料、納米半導體材料以及納米催化材料等。
傳統的陶瓷材料中晶粒不易滑動、材料質脆、燒結溫度高,納米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上運動。因此,納米陶瓷材料具有高強度、高韌性以及良好的延展性,這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形,然后做表面退火處理,由此制成的高性能陶瓷材料其表面保持常規陶瓷材料的硬度和化學穩定性,而內部仍具有納米材料高延展性的優點。
使用硅、砷化鎵等半導體材料制成的納米材料,具有許多優異性能。例如,納米半導體中的粒子隧道效應使某些半導體材料的電子輸運反常、電導率降低:熱導率也隨顆粒尺寸的減小而下降,甚至出現負值。這些特性在大規模集成電路器件以及光電器件等領域發揮重要的作用。
納米粒子是一種極好的催化劑,這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分數較大、表面的化學鍵狀態和電子態與顆粒內部不同以及表面原子配位不全,導致表面的活性位點增加,使它具備了作為催化劑的基本條件。鎳或銅鋅化合物的納米粒子對某些有機物的氫化反應是極好的催化劑,可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應溫度從600℃降低到室溫。
(2)微電子行業
超細材料對外部環境的敏感性大大提高,被認為是傳感元器件最理想的基礎材料。在微電子行業,微納粉體的典型應用主要體現在制備磁記錄材料、電子漿料和電子陶瓷材料。
采用微納粉體制備的磁記錄材料具有穩定性好、圖像清晰、信噪比高以及失真小等優點,其代表是超細針狀Fe304磁粉。超細磁粉制作的錄音帶和錄像帶,其記錄密度比普通磁帶高10倍。目前,磁記錄材料所用的磁性顆粒尺寸大致處于亞微米級與納米級之間。
作為微電子領域不可或缺的電極材料,電子漿料是未來微納粉體的重要應用之一。用于導電漿的導電性粉末有Au、Pt、Pd、Ag、Cu、Ni等,用于介電漿的粉末有BaTiO3、TiO2等,用于電阻漿的粉末有RuO2、MoO2、LaB6、C等
在電子陶瓷材料方面,通常是以BaTiO3,作為PTC熱敏電阻器和陶瓷電容器的主要原料。隨著工藝設備的不斷優化和PTC應用領域的不斷擴大以及陶瓷電容器需求量的持續增長,BaTiO3微粉的市場前景非常廣闊。此外,在顯像管器件中,顯像管用的Al203微粉的平均粒徑通常要求為1.5~5.5um;黑底石墨乳的粒徑(G-72B)要求小于1μm。
(3)輕化工行業
微納粉體由于粒度細、比表面積大、表面活性高等特性,因而具有很高的化學活性,被廣泛應用于精細化工產品、高效催化劑等領域。赤磷超細化后可制成高性能催化劑,利用其進行催化可使石油的裂解速度提高1~5倍。油漆、涂料等化工產品的固體成分經超細化后可大大提高產品的附著力。
在化妝品領域,著色劑和填充粉料大量應用于化妝品中的粉底、眼影及粉餅類產品,為了使這些粉料能均勻地分散于乳化體系中,可以使用少量的懸浮劑,以實現粉體的穩定分散,并同時具有良好的基色表現力和細膩潤滑的膚感。這要求粉體除了具備與乳化體系良好的親和性外,還必須具有足夠小的粒度。氣流粉碎機與物料接觸部分采用鏡面設計,易于清洗、消毒,系統的全密封性對物料無污染。產品粒度均勻,粒度分布窄,非常適用于色料和粉體填充劑的生產過程。
隨著化學工業的發展,超細非金屬礦物材料在化學工業應用領域扮演越來越重要的角色。采用濕化學方法制造的超細高純Al203粉體,因具有機械強度高、硬度大、高溫絕緣電阻高、耐化學腐蝕性和導熱性良好等優良性能,已被廣泛應用在化工行業的各個生產環節之中。此外,將微納粉體材料用于廢氣和廢水的處理有望成為未來環境保護發展的趨勢。
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作者:粉體圈
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