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材料设计学结业论文 专业：材料科学与工程 学号：0917020113 姓名：胡亚骏 指导老师：蒋亚清 何辉 超声技术在纳米材料制备中的应用 摘要：本文对超声技术在纳米材料制备中的应用与研究进展作了比较全面的综述。着重介绍了与超声有关的纳米材料制备方法，包括超声雾化-热分解法、金属有机物超声热分解法、化学沉淀法和声电化学法，并就这些方法中声化作用的机理、特点和影响因素进行了讨论。 关键词：超声纳米材料 声化学 声电化学 空化效应 超细粉体材料和纳米材料的制备是近年来材料科学的一个研究热点，它们在分子催化剂、高技术陶瓷、医药、感光材料、半导体材料以及日化产品等方面都有重要的用途。超细粉体材料的制备方法有气相法和液相法（如水热法、共沉淀法、乳浊液法以及溶胶-凝胶法等），其中液相化学法具有更强的技术竞争优势，因为与该方法相关的工业过程控制与设备的放大技术较为成熟。为了得到窄分布的超细沉淀颗粒，就要求强化传质过程，使反应物系尽量实现微观或介观均匀混合，沉淀反应几乎同时完成，晶体的生长和颗粒的团聚得到有效的控制。为此，可以采用微波技术、激光技术、爆轰技术、超重力技术以及超声技术等来部分实现上述要求。功率超声的空化作用和传统搅拌技术相比更容易实现介观均匀混合，消除局部浓度不匀，提高反应速度，刺激新相的形成，对团聚体还可以起到剪切作用。超声波的这些特点决定了它在超细粉体材料制备中的独特作用，可以期望它将是一种具有很强竞争力的新方法。 微波技术需要极性介质，电化学过程要求溶液具有导电性，而超声技术的应用对体系的性质没有特殊要求，它只需要传输能量的液体介质就足够了，因此它对各种反应介质有更强的通用性。将超声技术应用于化学领域形成了一门新的边缘学科———声化学。近年来，超声技术在新材料合成、化学反应和传递过程的强化以及废水处理等方面的研究十分活跃，本文拟对超声技术在超细粉体和纳米材料制备方面的研究进展作一综述。 1 超声波作用原理 超声波是由一系列疏密相间的纵波构成的，并通过液体介质向四周传播。当超声波能量足够高时，就会产生“超声空化”现象。空化气泡的寿命约0.1!s，它在爆炸时可释放出巨大的能量，并产生速度约110m·s- 1、具有强烈冲击力的微射流，使碰撞密度高达1.5kg·cm- 2。空化气泡在爆炸的瞬间产生约4000K 和100MPa 的局部高温高压环境，冷却速度可达109K·s- 1。这些条件足以使有机物在空化气泡内发生化学键断裂、水相燃烧或热分解，并能促进非均相界面间的扰动和相界面更新，从而加速界面间的传质和传热过程。化学反应和物理过程的超声强化作用主要是由于液体的超声空化产生的能量效应和机械效应引起的。功率超声波的频率范围为20 ~ 100kHz，声化学研究使用的超声波频率范围为200kHz ~ 2MHz，其中功率超声主要利用了超声波的能量特性而声化学则同时利用了超声波的频率特性。在纳米材料的制备中多采用功率超声，其中，有的利用了空化过程的高温分解作用，有的利用了超声波的分散作用（如超声雾化），有的利用了超声波的机械扰动对沉淀形成过程的动力学影响，以及超声波的剪切破碎机理对颗粒尺寸的控制作用。实际上，到底哪一种机制在起主导作用取决于纳米材料的制备途径以及溶剂和反应体系的性质。 2 超声波在纳米材料制备中的应用 2.1超声雾化热分解法 超声雾化利用了超声波的高能分散机制。将超细粉末目标物的前驱体溶解于特定溶剂中配成一定浓度的母液，然后经过超声雾化器产生微米级的雾滴并被载气带入高温反应器中发生热分解，从而可得到均匀粒径的超细粉体材料，材料颗粒的大小可以通过母液浓度的调整得到方便地控制。MOe 等将硝酸镧和硝酸铝的混合水溶液进行超声雾化，并在YSZ 基体材料表面热分解制得了固体燃料电池的阳极La1.8Ai0.2O3。在几种可能的制备方法中，该法制备的阳极催化活性最好，并考察了母液浓度、温度以及超声功率等操作条件对催化剂持有量和颗粒尺寸等特性的影响。YSZ 基体上阳极催化剂颗粒越小对固体燃料电池中甲烷的耦合氧化越有利，颗粒尺寸可以通过改变操作条件来控制。日本报道了采用超声喷雾-高温分解方法制备ZnS 和CGS 超细颗粒的方法。使用的母液为Zn（NO3）2或CG（NO3）2与（NH22）的混合水溶液，当母液的起始浓度变化时，可以得到亚微米到微米级的颗粒。实验发现反应炉的温度分布会影响颗粒的性质，而且制备颗粒的平均直径与溶液中金属硝酸盐浓度的1/3 次方呈正比。 除了对均相母液进行超声雾化-高温分解制备超细颗粒方法外，Ohshima 等还采用锐钛型TiO2的Zn（NO3）2 悬浮液经超声雾化-高温分解方法制得了能遮挡200 ~ 370nm 紫外线的ZnO-TiO2复合超细颗粒。颗粒的直径在0.36 ~ 0.5!m 之间，它们是由直