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1、第第6章章 粉体合成与制备粉体合成与制备粉体合成与制备课件61 机械粉磨法机械粉磨法611 普通机械粉磨法及其原理 粉体合成与制备课件61 机械粉磨法机械粉磨法612 其其它它机机械械粉粉磨方法磨方法粉体合成与制备课件62 固相合成法621 固相反应法粉体合成与制备课件62 固相合成法621 固相反应法固相反应法粉体合成与制备课件62 固相合成法621 固相反应法固相反应法粉体合成与制备课件62 固相合成法621 固相反应法固相反应法粉体合成与制备课件62 固相合成法621 固相反应法固相反应法粉体合成与制备课件62 固相合成法622 固相热分解法粉体合成与制备课件62 固相合成法623 固态
2、置换法Solid-State Metathetic Route粉体合成与制备课件62 固相合成法624 自蔓延高温合成法Self-Propagating High-Temperature Synthesis，简称SHS6241 基本原理粉体合成与制备课件62 固相合成法624 自蔓延高温合成法6242 应用实例(1)TiC的合成 将一般纯度的钛粉和碳粉等原料按比例混合均匀，然后置于燃烧反应釜中通电点火燃烧。整个过程只需要数秒或数分钟，需要提供少许能量，可以在空气中进行。传统的TiC合成方法周期长、能耗大、设备投资大，SHS工艺则与之形成鲜明的对照。用此法合成的TiC粉体收率高达98%，并且因燃
3、烧温度极高(Ti+C为3277K，Ti+2B为2999K)，原料中许多杂质可挥发掉，产品纯度高于传统方法合成的粉料。粉体合成与制备课件62 固相合成法624 自蔓延高温合成法6242 应用实例粉体合成与制备课件62 固相合成法624 自蔓延高温合成法6242 应用实例粉体合成与制备课件62 固相合成法625机械合金化法机械合金化法Mechanochemical Synthesis 粉体合成与制备课件63 气相法气相法631 气气相相化化学学反反应法应法粉体合成与制备课件63 气相法气相法631 气相化学反应法气相化学反应法粉体合成与制备课件63 气相法气相法631 气相化学反应法气相化学反应法
4、粉体合成与制备课件63 气相法气相法631 气相化学反应法气相化学反应法粉体合成与制备课件63 气相法气相法631 气相化学反应法气相化学反应法粉体合成与制备课件63 气相法气相法631 气相气相化学反应法化学反应法粉体合成与制备课件63 气相法气相法632 激光诱导化学气相沉积法激光诱导化学气相沉积法Laser Induced Chemical Vapor Deposition，简称简称LICVD 粉体合成与制备课件63 气相法气相法632 激激光光诱诱导导化化学气相沉积法学气相沉积法粉体合成与制备课件63 气相法气相法632 激激光光诱诱导导化化学气相沉积法学气相沉积法粉体合成与制备课件6
5、3 气相法气相法633等离子体法等离子体法粉体合成与制备课件63 气相法气相法634 化学蒸发凝聚法化学蒸发凝聚法粉体合成与制备课件63 气相法气相法635 物物理理气气相相沉沉积法积法6351 低低压压气气体体蒸发法蒸发法粉体合成与制备课件63 气相法气相法635 物物理理气气相相沉沉积法积法6351 低低压压气气体体蒸发法蒸发法6352 溅射法溅射法粉体合成与制备课件63 气相法气相法635 物物理理气气相相沉沉积法积法6351 低低压压气气体体蒸发法蒸发法6352 溅射法溅射法6353 通通电电加加热热蒸发法蒸发法粉体合成与制备课件64 液相法液相法641 沉淀法沉淀法6411 基本原理
6、基本原理沉淀法是在原料溶液中加入适当的沉淀剂，使得原料溶液沉淀法是在原料溶液中加入适当的沉淀剂，使得原料溶液中的阳离子形成各种形式的沉淀物的方法。沉淀颗粒的大中的阳离子形成各种形式的沉淀物的方法。沉淀颗粒的大小和形状可由反应条件来控制，然后再经过滤、洗涤、干小和形状可由反应条件来控制，然后再经过滤、洗涤、干燥，有时还需经过加热分解等工艺过程而得到陶瓷粉体。燥，有时还需经过加热分解等工艺过程而得到陶瓷粉体。沉淀法又可分为直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。沉淀法又可分为直接沉淀法、共沉淀法和均匀沉淀法。直接沉淀法是使溶液中的某一种金属阳离子发生化学反应直接沉淀法是使溶液中的某一种金属阳离子发生化学
7、反应而形成沉淀物，其优点是可以制备高纯度的氧化物粉体。而形成沉淀物，其优点是可以制备高纯度的氧化物粉体。 粉体合成与制备课件64 液相法液相法641 沉淀法沉淀法6411 基本原理基本原理化化学学共共沉沉淀淀法法一一般般是是把把化化学学原原料料以以溶溶液液状状态态混混合合，并并向向溶溶液液中中加加入入适适当当的的沉沉淀淀剂剂，使使溶溶液液中中已已经经混混合合均均匀匀的的各各个个组组分分按按化化学学计计量量比比共共同同沉沉淀淀出出来来，或或者者在在溶溶液液中中先先反反应应沉沉淀淀出出一一种种中中间间产产物物，再再把把它它煅煅烧烧分分解解。由由于于反反应应在在液液相相中中，可可以以均均匀匀进进行行
8、，获获得得在在微微观观线线度度中中按按化化学学计计量量比比混混合合的的产产物物。共共沉沉淀淀法法是是制制备备含含有有两两种种或或两两种种以以上上金金属属元元素素的的复复合氧化物粉体的重要方法。合氧化物粉体的重要方法。粉体合成与制备课件64 液相法液相法641 沉淀法沉淀法6411 基本原理基本原理草草酸酸盐盐法法是是以以草草酸酸溶溶液液作作为为沉沉淀淀剂剂，制制得得含含有有所所需需金金属属阳阳离离子子的的复复盐盐沉沉淀淀产产物物。下下面面以以合合成成Ba0.6Sr0.4TiO3为为例例说说明明其其基基本本原原理理，其其主主要要步步骤骤如下。如下。粉体合成与制备课件64 液相法液相法641 沉淀
9、法沉淀法6411 基本原理基本原理前驱体合成反应前驱体合成反应0.6BaCl2+0.4SrCl2+TiCl4+2H2C2O4+5H2O Ba0.6Sr0.4TiO(C2O4)2 4H2O+6HCl热处理沉淀产物而获得粉体的反应热处理沉淀产物而获得粉体的反应Ba0.6Sr0.4TiO(C2O4)2 4H2O Ba0.6Sr0.4TiO(C2O4)2+4H2O Ba0.6Sr0.4TiO(C2O4)2 Ba0.6Sr0.4CO3+TiO2+2CO +CO2 Ba0.6Sr0.4CO3+TiO2 Ba0.6Sr0.4TiO3 +CO2 粉体合成与制备课件64 液相法液相法641 沉淀法沉淀法6411
10、 基本原理基本原理草草酸酸盐盐共共沉沉淀淀法法的的主主要要优优点点在在于于：易易于于提提纯纯；产产物物中中金金属属阳阳离离子子组组成成明明确确可可靠靠；易易于于制制成成含含两两种种以以上上金金属属的的复复盐盐产产物物，并并可可在在不不很很高高的的温温度度下下分分解解沉沉淀淀物物。主主要要缺缺点点是是：水水中中溶溶解解度度不不大大；成成本本比比铵铵盐盐法法高高；碳碳易易进进入入分分解解产产物物中中形形成成非非氧氧化化气气氛氛而而使使粉粉料料呈呈灰灰色色；高高温温烧烧结结成成瓷瓷时时碳碳燃燃烧烧易易产产生气孔。生气孔。粉体合成与制备课件64 液相法液相法641 沉淀法沉淀法6411 基本原理基本原
11、理铵铵盐盐法法是是采采用用氨氨水水、碳碳酸酸氢氢铵铵或或碳碳酸酸铵铵，使使得得原原料料溶溶液液中中的的金金属属离离子子成成为为碳碳酸酸盐盐或或氢氢氧氧化化物物沉沉淀淀出出来来。下下面面以以制制备备钛钛酸酸钡钡(BaTiO3)粉粉体体和和钛钛酸酸铅铅(PbTiO3)粉体为例叙述。粉体为例叙述。 粉体合成与制备课件64 液相法液相法641 沉淀法沉淀法6411 基本原理基本原理粉体合成与制备课件64 液相法液相法641 沉淀法沉淀法6412 共沉淀技术实例共沉淀技术实例粉体合成与制备课件64 液相法液相法641 沉淀法沉淀法6412 共沉淀技术实例共沉淀技术实例粉体合成与制备课件64 液相法液相法
12、641 沉淀法沉淀法6412 共共沉沉淀淀技技术实例术实例粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法6422 Sol-gel工艺的原料制备工艺的原料制备粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法6422 Sol-gel工艺的原料制备工艺的原料制备金属和醇反应金属和醇反应金属氢氧化物或氧化
13、物与醇盐反应金属氢氧化物或氧化物与醇盐反应金属卤化物与醇盐反应金属卤化物与醇盐反应 金属卤化物与醇盐反应制备金属铵盐与醇反应醇交换法粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法6423 Sol-gel工艺在合成陶瓷超微细粉中的应用工艺在合成陶瓷超微细粉中的应用粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法6423 Sol-gel工艺在合成陶瓷超微细粉中的应用工艺在合成陶瓷超微细粉中的应用粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法6424 Sol-gel工艺制备陶瓷超微细粉评价工艺制备陶瓷超微细粉评价(1)可在较低的合成及烧结温度
14、下得到所需产物，即Sol-gel粉末合成以及烧结温度比传统粉末低。(2)高度化学均匀性。将含有不同金属离子的溶液混合后，可达到化学均匀，这同传统使用的粉末混合物的均匀度比较，提高数倍。(3)高化学纯度。 Sol-gel一般采用可溶性金属化合物作为原料，因此可以通过蒸发及再结晶等方法纯化原料，从而保证产品纯度。借助对原料进行蒸馏和再结晶可以大大提高纯度，从而能制得纯度高的超微细粉。(4)因合成温度较低，所得产物粒度分布均匀且细小。(5)从溶液反应开始，易于加工成型，可以制备各种形状的材料，如薄膜、纤维等。(6)操作简单，而不需要昂贵设备。粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶
15、法凝胶法6425 Sol-gel方法应用实例方法应用实例粉体合成与制备课件64 液相法液相法642 溶胶溶胶-凝胶法凝胶法6425 Sol-gel方法应用实例方法应用实例粉体合成与制备课件64 液相法液相法64. 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理微乳液是由油(通常为碳氢化合物)、水、表面活性剂(有时存在助表面活性剂)组成的透明的、各向同性、低粘度的热力学稳定体系。微乳液法是指将混合金属盐和一定的沉淀剂形成微乳状液，在较小的微区内控制胶粒成核和生长，热处理得到超细粒子，制得的粒子单分散性好。该方法是将前驱体溶液在另一液相中分散成球形液滴，通过化学反应使每个液滴中的前驱体形成固相沉淀
16、。由于反应是在微小的球形液滴中进行的，所生成的沉淀也被局限在液滴中，因而团聚成一个微小的球形体。为了使前驱体溶液分散在另一液相中，两个液相应该互不相溶。通常前驱体液相为水溶液，而其周围是一种水不能溶人的油相。为使两相稳定存在，需要加入表面活性剂，它处在油水的界面，使分散在油相中的水相液滴稳定，形成所谓油包水型乳化液。整个工艺过程如图6-22所示。图6.22 微乳液方法工艺流程粉体合成与制备课件64 液相法液相法64. 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理(1)反胶团或W/O型微乳液的结构、组成及特征参数 反胶团是指表面活性剂溶解在有机溶剂中，当其浓度超过CMC(临界胶束浓度)后，形成
17、亲水极性头朝内、疏水链朝外的液体颗粒结构(如图6-23)。反胶团内核可增溶水分子，形成水核。颗粒直径小于10nm时，称为反胶团，颗粒直径介于10200nm时，称为W/O型微乳液(以下简称微乳液)。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理反胶团或微乳液有一个重要的参数，即水核半径R，R与体系中H2O和表面活性剂的溶度及表面活性剂的种类有关。令=H2O/表面活性剂，则在一定范围内，R随增大而增大。另外，水核半径也随表面活性剂种类不同而不同。有人以侧：=10作为反胶团和微乳液的分界线， 10时微乳液，其界限也不十分严格。粉体合成与制备课件64 液相法液
18、相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理用于制备超细颗粒的反胶团或微乳液体系一般由四个组分用于制备超细颗粒的反胶团或微乳液体系一般由四个组分组成：表面活性剂，助表面活性剂，有机溶剂，组成：表面活性剂，助表面活性剂，有机溶剂，H2O。最。最常用的表面活性剂常用的表面活性剂AOT二二(2乙基己基乙基己基)磺基琥珀酸钠磺基琥珀酸钠，它不需借助表面活性剂存在即可形成反胶团或微乳液。阴它不需借助表面活性剂存在即可形成反胶团或微乳液。阴离子表面活性剂如离子表面活性剂如SDS(十二烷基磺酸钠十二烷基磺酸钠)、DBS(十二烷基十二烷基苯磺酸钠苯磺酸钠)，阳离子表面活性剂如，阳离子表面活性剂如C
19、TAB(十六烷基三甲基十六烷基三甲基溴化铵溴化铵)，以及非离子表面活性剂如，以及非离子表面活性剂如Triton X系列系列(聚氧乙聚氧乙烯醚类烯醚类)等也可用来形成反胶团或微乳液，作为制备超细等也可用来形成反胶团或微乳液，作为制备超细颗粒的反应介质。形成反胶团或微乳液常用非极性溶剂，颗粒的反应介质。形成反胶团或微乳液常用非极性溶剂，如烷烃或环烷烃。如烷烃或环烷烃。 粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理(2)反胶团或微乳液中超细颗粒的形成机理反胶团或微乳液中超细颗粒的形成机理 反胶团或微乳反胶团或微乳液是热力学稳定体系，其水核是一个液是热力学稳
20、定体系，其水核是一个“微型反应器微型反应器”，这，这个个“微型反应器微型反应器”拥有很大的界面，在其中可以增溶各种拥有很大的界面，在其中可以增溶各种不同的化合物，是非常好的化学反应介质。反胶团或微乳不同的化合物，是非常好的化学反应介质。反胶团或微乳液的水核尺度是由增溶水的量决定，随增溶水的量增溶而液的水核尺度是由增溶水的量决定，随增溶水的量增溶而增大。因此，在水核内进行化学反应制备超细颗粒时，由增大。因此，在水核内进行化学反应制备超细颗粒时，由于反应物被限制在水核内，最终得到的颗粒粒径将受水核于反应物被限制在水核内，最终得到的颗粒粒径将受水核大小的控制。大小的控制。粉体合成与制备课件64 液相
21、法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理很多实验方法被用来研究水核内超细颗粒的形成很多实验方法被用来研究水核内超细颗粒的形成机理，如机理，如X射线衍射法射线衍射法(XRD)、紫外、紫外可见光光度可见光光度法法(UV-VIS)、透射电子显微镜、透射电子显微镜(TEM)、动态激光、动态激光光栅摄光栅摄(DLS)等。水核内超细颗粒的形成机理大等。水核内超细颗粒的形成机理大致可分为以下四种情况。致可分为以下四种情况。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理超细颗粒的制备是通过混合两个分别增溶有反应物的反超细颗粒的制备是通过混合两个分别
22、增溶有反应物的反胶团或微乳液来实现的。在这种情况下，含有反应物胶团或微乳液来实现的。在这种情况下，含有反应物A、B的反应胶团或微乳液混合后，由于胶团颗粒的碰撞，发的反应胶团或微乳液混合后，由于胶团颗粒的碰撞，发生了水核内物质的相互交换或物质传递，应起化学反应。生了水核内物质的相互交换或物质传递，应起化学反应。化学反应就在水核内进行化学反应就在水核内进行(成核或生长成核或生长)。由于水核半径是。由于水核半径是固定的，不同水核的晶核或粒子之间的物质交换受阻，在固定的，不同水核的晶核或粒子之间的物质交换受阻，在其中生成粒子尺寸就得到控制。这样，水核的大小控制超其中生成粒子尺寸就得到控制。这样，水核的
23、大小控制超细颗粒的最终粒径。细颗粒的最终粒径。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理将反应物的一种增溶在水核内，另一种以溶液的形式与将反应物的一种增溶在水核内，另一种以溶液的形式与前者混合，水相反应物穿过微乳界面进入水核内部，与另前者混合，水相反应物穿过微乳界面进入水核内部，与另一反应物作用，产生晶核并长大。产物粒子的最终粒径是一反应物作用，产生晶核并长大。产物粒子的最终粒径是由水核尺寸决定的。超细颗粒形成后，体系分为两相，反由水核尺寸决定的。超细颗粒形成后，体系分为两相，反胶团或微乳液相含有生成的粒子，进一步分离，可得到预胶团或微乳液相含有生
24、成的粒子，进一步分离，可得到预期的超细颗粒。许多氧化物或氢氧化物胶体粒子的制备是期的超细颗粒。许多氧化物或氢氧化物胶体粒子的制备是基于这种反应机理。用基于这种反应机理。用NaOH与与DBS甲苯甲苯-H2O微乳液中微乳液中的的FeCl3反应制备反应制备Fe2O3超微粉末，得到了球形的、但分散超微粉末，得到了球形的、但分散的超细的超细Fe2O3胶体粒子，其半径在胶体粒子，其半径在1.5 nm左右。左右。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理一种反应物增溶在反胶团或微乳液的水核内，一种反应物增溶在反胶团或微乳液的水核内，另一种反应物为其它。将气体通人
25、液相中充分混另一种反应物为其它。将气体通人液相中充分混合，使二者发生反应，可以得到超细颗粒。合，使二者发生反应，可以得到超细颗粒。MATSON等用超细临界流体等用超细临界流体-反胶团法在反胶团法在AOT-丙丙烷烷-H2O体系中制备体系中制备Al(OH)3胶体粒子时，采用快胶体粒子时，采用快速注入干燥氨气速注入干燥氨气(NH3)的方法得到球形、均分散的的方法得到球形、均分散的超细超细Al(OH)3粒子。粒子。 粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理还有一种超细颗粒的制备机理为：一种反应还有一种超细颗粒的制备机理为：一种反应物为固体，另一种反应物增
26、溶于微乳液中，将物为固体，另一种反应物增溶于微乳液中，将二者混合，发生反应，也可以制备超细分散颗二者混合，发生反应，也可以制备超细分散颗粒。粒。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理(3)影响反胶团或微乳液法制备超细颗粒的因素影响反胶团或微乳液法制备超细颗粒的因素 反胶团反胶团或微乳液用来作为合成超细颗粒的介质，是因为它能提或微乳液用来作为合成超细颗粒的介质，是因为它能提供一个特定的水核，水溶性反应物在水核中发生反应可供一个特定的水核，水溶性反应物在水核中发生反应可以得到所要制备的超细颗粒。影响超细颗粒制备的因素以得到所要制备的超细颗粒。影响超
27、细颗粒制备的因素主要有以下几个方面。主要有以下几个方面。反胶团或微乳液组成的影响反胶团或微乳液组成的影响 超细颗粒的粒径与反胶超细颗粒的粒径与反胶团或微乳液的水核半径密切相关，水核半径是由团或微乳液的水核半径密切相关，水核半径是由 H2O/表面活性剂表面活性剂决定的。胶团组成的变化将导致水决定的。胶团组成的变化将导致水核的增大或减小，水核的大小直接决定了超细颗粒的尺核的增大或减小，水核的大小直接决定了超细颗粒的尺寸。一般来说，超细颗粒的直径要比水核直径稍大，这寸。一般来说，超细颗粒的直径要比水核直径稍大，这可能是由于胶团间的快速的物质交换导致不同水核内沉可能是由于胶团间的快速的物质交换导致不同
28、水核内沉淀物的聚集所致。淀物的聚集所致。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理反应物浓度的影响反应物浓度的影响 适当调节反应物的浓度，适当调节反应物的浓度，可使制取的粒子大小受到控制。例如，在可使制取的粒子大小受到控制。例如，在AOT-异辛烷异辛烷-H2O反胶团体系中制备反胶团体系中制备CdS胶体颗粒时，胶体颗粒时，发现超细粒子的粒径受发现超细粒子的粒径受x=Cd2+/S2-的影响，的影响，当反应物之一过量，生成较小的当反应物之一过量，生成较小的CdS粒子。这粒子。这是由于反应物之一过剩时，结晶过程比等量反是由于反应物之一过剩时，结晶过程比等量
29、反应要快，生成的超细颗粒粒径也就偏小。应要快，生成的超细颗粒粒径也就偏小。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理反胶团或微乳液滴界面膜的影响反胶团或微乳液滴界面膜的影响 选择合适的表面活选择合适的表面活性剂是进行超细颗粒合成的第一步。为了保证形成的反性剂是进行超细颗粒合成的第一步。为了保证形成的反胶团或微乳液颗粒在反应过程中不发生进一步聚集，选胶团或微乳液颗粒在反应过程中不发生进一步聚集，选择的表面活性剂成膜性能要合适，否则在反胶团或微乳择的表面活性剂成膜性能要合适，否则在反胶团或微乳液颗粒碰撞时表面活性剂所形成的界面膜易被打开，导液颗粒碰撞时
30、表面活性剂所形成的界面膜易被打开，导致不同水核内的固体核或超细颗粒之间的物质交换，这致不同水核内的固体核或超细颗粒之间的物质交换，这样就难以控制超细颗粒的最终粒径。合适的表面活性剂样就难以控制超细颗粒的最终粒径。合适的表面活性剂应在超细颗粒一旦形成就吸附在粒子的表面，对生成的应在超细颗粒一旦形成就吸附在粒子的表面，对生成的颗粒起稳定和保护作用，防止粒子的进一步生长。颗粒起稳定和保护作用，防止粒子的进一步生长。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 (1)制备制备Fe2O3纳米粉体纳米粉体 取一定量的金属盐溶液，
31、如取一定量的金属盐溶液，如Fe3+溶液，在表面活性剂溶液，在表面活性剂(如十二烷基苯磺酸钠或硬脂酸如十二烷基苯磺酸钠或硬脂酸钠钠)的存在下，加入有机溶剂，形成微乳液，再通过加的存在下，加入有机溶剂，形成微乳液，再通过加入沉淀剂或其它反应试剂，生成微粒相，分散于有机相入沉淀剂或其它反应试剂，生成微粒相，分散于有机相中，除去其中的水分，即得到中，除去其中的水分，即得到Fe2O3微粒的有机溶胶，微粒的有机溶胶，再加热到再加热到400 C以除去表面活性剂，就可得到以除去表面活性剂，就可得到Fe2O3纳纳米微粒米微粒粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理
32、6432 微乳液法实例微乳液法实例 (2)制备制备ZrO2纳米粉体纳米粉体 以氧氯化锆和氯化钇的以氧氯化锆和氯化钇的水溶液为水相，煤油为油相，水溶液为水相，煤油为油相，Span-80为表面为表面活性剂，通过超声分散制成乳化液，再用同样活性剂，通过超声分散制成乳化液，再用同样的方法制成氨水的乳化液，二者相混，生成的方法制成氨水的乳化液，二者相混，生成Zr(OH)4/Y(OH)3球形团聚微粒，离心分离后再球形团聚微粒，离心分离后再用丙酮充分洗涤，经干燥和煅烧，最后获得含用丙酮充分洗涤，经干燥和煅烧，最后获得含钇的四方氧化锆球形颗粒微粉。钇的四方氧化锆球形颗粒微粉。粉体合成与制备课件64 液相法液相
33、法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法水热法水热法(Hydrothermal Process)，又称热液法，是指在密封压力容器中，又称热液法，是指在密封压力容器中，以水以水(或其它溶剂或其它溶剂)作为溶媒作为溶媒(也可以是固相成分之一也可以是固相成分之一)，在高温，在高温(100 C)、高压高压(9.81MPa)的条件下，研究、加工材料的方法。水热法的水热过程是的条件下，研究、加工材料的方法。水热法的水热过程是指在高温、高压下在水、水溶液或蒸气等流体中所进行有关化学反应的总指在高温、高压下在水、水溶液或蒸气等流体中所进行有
34、关化学反应的总称。水热条件能加速离子反应和促进水解反应。在常温常压下一些从热力称。水热条件能加速离子反应和促进水解反应。在常温常压下一些从热力学分析看可以进行的反应，往往因反应速度极慢，以至于在实际上没有价学分析看可以进行的反应，往往因反应速度极慢，以至于在实际上没有价值。但水热条件下却可能使反应得以实现。水热条件下，水可作为一种化值。但水热条件下却可能使反应得以实现。水热条件下，水可作为一种化学组分起作用并参与反应，既是溶剂又是膨化促进剂，同时还可以作为压学组分起作用并参与反应，既是溶剂又是膨化促进剂，同时还可以作为压力传递介质。该方法通过加速渗析反应和控制其过程的物理化学因素，实力传递介质
35、。该方法通过加速渗析反应和控制其过程的物理化学因素，实现无机化合的形成和改性，既可制备单组分微小单晶体，又可制备双组分现无机化合的形成和改性，既可制备单组分微小单晶体，又可制备双组分或多组分的特殊化合物粉末，克服某些高温制备不可克服的晶形转变、分或多组分的特殊化合物粉末，克服某些高温制备不可克服的晶形转变、分解、挥发等，其粉体具有粒度细解、挥发等，其粉体具有粒度细(纳米级纳米级)、纯度高、分散性好、均匀、分、纯度高、分散性好、均匀、分布窄、无团聚、晶形好、形状可控、利于环境净化等优点。布窄、无团聚、晶形好、形状可控、利于环境净化等优点。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳
36、液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理水热法制备超细粉体的化学反应过程是在流体参与的高压容器中进行，采用水溶液水热法制备超细粉体的化学反应过程是在流体参与的高压容器中进行，采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，使密封容器中一定填充度的溶媒膨胀，充满作为反应介质，通过对反应容器加热，使密封容器中一定填充度的溶媒膨胀，充满整个容器，从而产生很高的压力，外加压式高压釜则通过管道输入高压流体产生高整个容器，从而产生很高的压力，外加压式高压釜则通过管道输入高压流体产生高压，从而创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不
37、溶的物质溶解并且重结压，从而创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶。水热合成法的原理是在高温、高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的晶。水热合成法的原理是在高温、高压下一些氢氧化物在水中的溶解度大于对应的氧化物在水中的溶解度，于是氢氧化物溶入水中的同时析出氧化物。作为反应物的氧化物在水中的溶解度，于是氢氧化物溶入水中的同时析出氧化物。作为反应物的氢氧化物可以是预先制备好再施加高温高压，也可以通过化学反应氢氧化物可以是预先制备好再施加高温高压，也可以通过化学反应(如水解反应如水解反应)在在高温、高压下即时产生。为使反应较快和较充分地进行，通常还需在高压釜中加入高温
38、、高压下即时产生。为使反应较快和较充分地进行，通常还需在高压釜中加入各种矿化剂。水热法一般以氧化物或氢氧化物作为前驱体，它们在加热过程中的溶各种矿化剂。水热法一般以氧化物或氢氧化物作为前驱体，它们在加热过程中的溶解度随温度升高而增加，最终导致溶液过饱和并逐步形成更稳定的氧化物新相。反解度随温度升高而增加，最终导致溶液过饱和并逐步形成更稳定的氧化物新相。反应过程的驱动力是最后可溶的前驱物或中间产物与稳定氧化物之间的溶解度差。水应过程的驱动力是最后可溶的前驱物或中间产物与稳定氧化物之间的溶解度差。水热法最大的特点在于反应是在高温高压流体中进行，因而溶媒的性质和高压反应装热法最大的特点在于反应是在高
39、温高压流体中进行，因而溶媒的性质和高压反应装置的研究非常重要。置的研究非常重要。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理相对于其它制粉方法，水热法具有如下特点：相对于其它制粉方法，水热法具有如下特点：水热法水热法可直接得到结晶良好的粉体，无需作高温灼烧处理和球可直接得到结晶良好的粉体，无需作高温灼烧处理和球磨；磨；水热法制粉工艺具有能耗低、污染小、产量较高、水热法制粉工艺具有能耗低、污染小、产量较高、投资较少等特点，而且制备出的粉体具有高纯、超细、投资较少等特点
40、，而且制备出的粉体具有高纯、超细、自由流动、粒径分布窄、颗粒团聚程度轻、晶体发育完自由流动、粒径分布窄、颗粒团聚程度轻、晶体发育完整并具有良好的烧结活性等许多优异性能。整并具有良好的烧结活性等许多优异性能。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学(1)高温高压下纯水的相分析高温高压下纯水的相分析 水是水热法合成的主要溶水是水热法合成的主要溶剂。反应是在一个封闭的体系剂。反应是在一个封闭的体系 (高压釜高压釜)内进行的，因内进
41、行的，因此温度、压力及装满度之间的关系对水热合成具有重要此温度、压力及装满度之间的关系对水热合成具有重要的意义。装满度是指液体的体积占整个容器有效体积的的意义。装满度是指液体的体积占整个容器有效体积的百分比。百分比。 粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学图6-24为纯水的相图。曲线OA称为水的饱和蒸气压曲线或称蒸发线，它表明水气两相平衡时蒸气压与温度的关系。OB称为冰的饱和蒸气压曲线或称升华线。OC称为冰的熔化线，它表明
42、压力与熔点的关系。由这三条曲线把相图分成三个区。I称为气相区，II为液相区，III为固相区。水热合成时，为提高反应速度，一般反应都在较高的温度区间进行，所以关心的主要是I区和II区。图6.24 纯水相图粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学OA线表明，随着温度的提高，水的饱和蒸气压也不断提高。但是蒸气压不能无限向上延伸，只能到374C、压力为21.7MPa(大气压)的A点为止，这里A点为临界点。其含义是温度高于374C时，
43、压力无论多大，蒸气也不会变为水，也就是说在温度高压374C时，液相完全消失，只有气相存在。在临界点处水的密度为0.32g/mL。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学水的比热容随温度的升高而增加。当高压釜的装满度高于某一临界值时，随温度的提高，气相液相的界面迅速提高，直至容器全部为液相所充满(在临界温度以下)，但是当装满度小于这一临界值时，随着温度的提高，液面最初会缓慢上升，当温度继续提高到某一值时，由于水的汽化，液面下降
44、，直至临界温度，液相完全消失。这一临界值就称为临界装满度。对纯水而言，临界装满度为32%。但是在实际水热体系中，由于系统中存在溶质以及溶剂不是纯水，这些关系会不同，只能作为参考。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学(2)A-H2O及A-B-H2O相分析 在A-H2O体系中，A为室温下微溶或不溶于水的化合物。但是在高温高压下，A能够被水溶解并产生再结晶，从而得到晶体材料。即使在临界温度和压力下，水单独也不是好的溶剂，A的溶
45、解度非常有限，因此晶体生长速度非常慢，甚至无法生长。为了增加A在水中的溶解度，提高结晶速度，往往要加入一定量的矿化剂B，这种系统称为A-B-H2O系统。例如，当B为0.5mol/L的NaOH或Na2CO3时，SiO2的溶解度提高数十倍，因此它们一般被用来生长人工水晶或人工沸石等矿物。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学当利用水热法进行陶瓷粉体合成时，A-B-H2O体系中的A在多数情况下是几种固体甚至液体的混合液，例如在制
46、备BaTiO3时，A可能是TiO2(固)+Ba(OH)28H2O溶液)。这时的Ba(OH)28H2O既是矿化剂B，又参与化学反应形成新的物质，因此与传统的矿化剂有显著不同。一般说来，增加矿化剂的浓度能提高晶体的生长速率。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学水热法合成超细粉体的主要驱动力是氧化物在各种不同状态下溶解度的不同，例如普通的氧化物粉体(有较高的晶体缺陷密度)、无定形氧化物粉体、氢氧化物粉体等在溶剂中的溶解度一般比
47、高结晶度、低缺陷密度的粉体的溶解度大。在水热反应的升温升压过程中，前者的溶解度不断增加，当达到一定浓度时，就会沉淀出后者。因此，水热法合成超细粉体的过程实质就是一个溶解再结晶的过程。遗憾的是，目前各种不同的溶解度数据非常有限，因此一般都采用尝试法进行粉体的合成。 粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜水热法最大的特点在于反应发生在高温高压流体中，因而溶剂的性质和高压反应装置十分重要。水热法的必备装置是
48、高压反应器高压釜。除了应具有通用的耐高温性能外，必须不与水和系统介质发生化学作用。高压釜按压力来源可分内加压式和外加压式。内加压是靠釜内一定填充度的溶媒在高温时膨胀产生压力，而外加压式则靠高压泵将气体或液体打入高压釜产生压力。高压釜按操作方式可分为间歇式和连续式。间歇式是在冷却减压后得到产物，而连续式可不必完全冷却减压，反应过程是连续循环的。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜间歇式和连续式水热反应
49、装置分别示于图625和图626。图6.25 间歇式高压釜示意图1-紧固螺帽；2-密封锥；3-釜腔；4-内衬；5-搅拌球；6-热电偶孔图6.26 连续水热反应装置示意图1-水箱；2-蓄水器；3-加压泵；4-反应器；5-预热器；6-加热器；7-热交换器；8-压力控制阀；9-供气设备粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜粉体制备常用间歇式高压釜，高压釜材料的选用情况对于温度、压力、耐腐蚀和水热反应时间的限制
50、起决定作用。高压釜的寿命、可靠程度依赖于高压釜设计、选用材料成分和性质、使用温度和压力以及使用频率等。高压釜常用的材料是低碳钢、不锈钢和Stellite合金。为了防止内封流体对釜腔的污染，一般高压釜还对不同的溶媒加相应的防腐内衬，如A12O3衬、Pt衬，Teflon衬等。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜6444 不同途径的水热过程不同途径的水热过程水热过程制备纳米陶瓷粉体有许多不同的途径，它们主
51、要有：水热沉淀、水热结晶、水热合成、水热分解和水热机械化学反应。(1)水热沉淀 水热沉淀(Hydrothermal Precipitation)是水热法中最常用的方法。制粉过程通过在高压釜中的可溶性盐或化合物与加入的各种沉淀剂反应，形成不溶性氧化物和含氧盐的沉淀。用水热沉淀法已制出的粉体有简单氧化物，如ZrO2、SiO2、Cr2O3、CrO2、Fe2O3、MnO2、MoO3、TiO2和A12O3等；混合氧化物，如ZrO2-SiO2、UO2-ThO2及复合氧化物BaFel2O19、BaZrO3和CaSiO3等。操作方式可以是间歇的，也可以是连续的。制粉过程可以在氧化、还原或惰性气氛中进行。粉体合
52、成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜6444 不同途径的水热过程不同途径的水热过程例如，制备3Y-PSZ粉体。用ZrOCl28H2O、YCl36H2O和CO(NH2)2作为前驱体，制备工艺如图6-27。在220C、7MPa下处理5h，可以得到结晶完好、粒径为11.6nm的3Y-PSZ粉体3(摩尔)Y2O3)。将温度从160C升到220C，粒径从15.0nm降到11.6nm，而表面积保持在110m2/g左右
53、，与温度关系不大。这样的粉末含有亚稳立方相ZrO2和少量单斜ZrO2，水热条件下单斜相的含量随温度升高而降低。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜6444 不同途径的水热过程不同途径的水热过程 (2)水热结晶 水热结晶法(Hydrothermal Crystallization)是以非晶态氢氧化物、氧化物或水凝胶作为前驱物，在水热条件下结晶成新的氧化物晶粒。这种方法，可以避免沉淀煅烧和溶胶凝胶法制得
54、的无定形纳米粉体的团聚，而且也可作为用这两种方法或其它方法制备的粉体解团聚的后续处理的重要步骤。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜6444 不同途径的水热过程不同途径的水热过程以制备ZrO2粉体为例进行说明，用含有3mol/L NH4OH的ZrCl4溶液制备的非晶态水合氧化锆，经处理后作为前驱物，8%(质量)KF溶液，30%(质量)NaOH和LiCl、KBr作为矿化剂，在200600C和100MP
55、a下处理24h.水热处理后的非晶体结晶成单斜ZrO2和四方ZrO2。 TEM观察表明，形成的单斜ZrO2颗粒均匀，为非团聚微晶，粒径20nm。用水热结晶法制出的微粒是相互独立的单粒微晶，不同于在空气中非晶态水合氧化锆沉淀的团聚颗粒。单斜ZrO2粒径随处理温度从200C到500C变化而稍有增大，300C时，单斜ZrO2晶体在NaOH溶液中长到40nm粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜6444 不同途
56、径的水热过程不同途径的水热过程 (3)水热合成 水热合成(Hydrothermal Synthesis)是将两种或两种以上成分的氧化物、氢氧化物、含氧盐或其它化合物在水热条件下处理，重新生成一种或多种氧化和含氧盐的方法。将水热法制备的ZrO2 3mol%Y2O3掺杂细粒单晶分散于(NH4)2HPO4水溶液中，使羟基磷酸钙Ca10(PO4)6(OH)2，HAP与3Y-ZrO2质量比为8020，再加入Ca(NO3)2水溶液使pH为10，得到白色沉淀物。在200C处理后得到的HAP和3Y-ZrO2经XRD和TEM分析，均匀的混合物中，HAP单晶体长90nm(长径比约3.2)，3Y-ZrO2单晶体长1
57、0nm.粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜6444 不同途径的水热过程不同途径的水热过程 (4)水热分解 水热分解(Hydrothermal Decomposition)是将氢氧化物或含氧盐溶于酸或碱溶液中，水热条件下分解，形成氧化物粉体，或氧化物在酸或碱溶液中再分散为细粉的过程。将一定比例的Zr(NO3)4溶液(0.25mol)和浓硝酸混合，置于聚四氟乙烯高压容器内，在150C加热12h后冷却至
58、室温，即获得白色ZrO2纳米级粉末。用水和丙酮洗涤后干燥，TEM和XRD分析表明，粉末平均尺寸5nm，粒径分布范围窄，属单相单斜ZrO2。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜6444 不同途径的水热过程不同途径的水热过程 (5)水热机械化学反应 水热机械化学反应(Hydrothermal Mechanochemical Reaction)是一种在水热条件下，通过安装在高压釜上的搅拌棒搅动放置于高压釜
59、中的球体和溶媒，并同时实现化学反应生成微粉粒子的方法。借助机械搅拌可以防止生成的微晶过分长大。粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜6444 不同途径的水热过程不同途径的水热过程以制备铁酸钡纳米粉体为例，装置如图6.28。按Ba(OH)2和FeCl3比值为l8的比例，在NaOH溶液中，于200C、2MPa下处理24h。球的数量是200700个，最大搅拌速度107r/min。最后的产物是BaO6Fe2O
60、3和BaOFe2O3。随着球的数量增加和搅拌速度加快，BaOFe2O3可增加到3%(质量)。形成的铁酸钡是六方板状的，平均粒径40nm，厚度10nm，这比不经搅拌的铁酸钡粉末(粒径170nm，厚度10nm)小得多。图6.28 水热机械化学反应装置示意粉体合成与制备课件64 液相法液相法64 3 微乳液法微乳液法6431 基本原理基本原理6432 微乳液法实例微乳液法实例 644 水热法水热法6441 水热法原理水热法原理6442 水热反应热力学水热反应热力学6443 高压釜高压釜6444 不同途径的水热过程不同途径的水热过程进一步研究不同溶媒、pH值、P-T关系、不同生成物等与机械搅拌效率和质
61、量的关系，将使水热机械化学反应成为很有潜力的纳米陶瓷粉体制备方法。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法6.4.5低温燃烧合成低温燃烧合成低温燃烧合成方法低温燃烧合成方法(Low-Temperature Combustion Synthesis，简称，简称LCS)是相对于自蔓延高温合成是相对于自蔓延高温合成(SHS)而提出的。而提出的。SHS的缺点是工艺可控性较差，此外，由于的缺点是工艺可控性较差，此外，由于燃烧温度较高，合成的粉体粒度较粗。低温燃烧合成在燃烧温度较高，合成的粉体粒度较粗。低温燃烧合成在一定程度上弥补了一定程度上弥补了SHS的不
62、足。的不足。LCS的特点是点火温度的特点是点火温度低低(300500 C)，燃烧火焰温度较低，燃烧火焰温度较低(10001600 C)，能简便、快捷地得到氧化物或复合氧化物超细粉体。能简便、快捷地得到氧化物或复合氧化物超细粉体。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原理基本原理低温燃烧合成所用的氧化剂低温燃烧合成所用的氧化剂燃料混合物具有放热特性，如不加燃料混合物具有放热特性，如不加以控制常会发生爆炸。硝酸盐以控制常会发生爆炸。硝酸盐尿素或硝酸盐尿素或硝酸盐肼类有机燃料肼类有机燃料如如四甲基三嗪四甲基
63、三嗪TFTA，C4H16N6O2；马来先肼；马来先肼MH，C4H4N2O2；卡巴；卡巴肼肼CH，CO(N2H3)2等等混合物的燃烧，通常是非爆炸式的氧化还原混合物的燃烧，通常是非爆炸式的氧化还原放热反应。这些燃料的共同特点是含有元素氮，在较低的温度分放热反应。这些燃料的共同特点是含有元素氮，在较低的温度分解解(如尿素在如尿素在198)，产生可燃气体。另外，硝酸盐也含有氮，可，产生可燃气体。另外，硝酸盐也含有氮，可溶于水溶于水(这样就可以通过溶液获得良好的组分均匀性这样就可以通过溶液获得良好的组分均匀性)，在摄氏几，在摄氏几百度就可以熔化。因此百度就可以熔化。因此LCS多采用硝酸盐多采用硝酸盐尿
64、素或肼类燃料体系尿素或肼类燃料体系为原料。配料时使用硝酸盐的水合物更好些，可以降低混合物体为原料。配料时使用硝酸盐的水合物更好些，可以降低混合物体系的可爆性，而结晶水的存在不影响体系化学计量比的计算。系的可爆性，而结晶水的存在不影响体系化学计量比的计算。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原理基本原理氧化剂氧化剂(金属盐金属盐)与燃料的配比，根据推进剂化学中的热化学理论与燃料的配比，根据推进剂化学中的热化学理论进行计算，主要是计算原料的总还原价和氧化价，以这两个数据进行计算，主要是计算原料的总还原价
65、和氧化价，以这两个数据作为氧化剂和燃料的化学计量配比系数。化学计量平衡比为整数作为氧化剂和燃料的化学计量配比系数。化学计量平衡比为整数时，燃烧反应释放的能量最大。根据推进剂化学理论，燃烧产物时，燃烧反应释放的能量最大。根据推进剂化学理论，燃烧产物一般是一般是CO2、H2O和和N2，因此元素，因此元素C、H的化合价是的化合价是+4价和价和+1价，价，为还原剂；元素为还原剂；元素O的化合价是的化合价是-2价，为氧化剂；而价，为氧化剂；而N是是0价的中性价的中性元素。当把这一概念推广到燃烧产物为氧化物的情况时元素。当把这一概念推广到燃烧产物为氧化物的情况时(如燃烧产如燃烧产物物CaO、Al2O3、Z
66、rO2等等)，则，则Ca2+、Al3+、Zr4+等就可以认为是等就可以认为是+2，+3和和+4价的还原剂。价的还原剂。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原理基本原理以合成以合成ZrO2为例，采用为例，采用ZrO(NO3)22H2O和尿素和尿素CO(NH2)2为原料，则为原料，则ZrO(NO3)22H2O的总化合价为的总化合价为+4+(-2)+0 2+(-2) 6=-10，属氧化剂，属氧化剂，结晶水不影响硝酸盐的总化学价的计算；结晶水不影响硝酸盐的总化学价的计算；CO(NH2)2的总化合价为的总化合
67、价为+4+(-2)+0 2+(+1) 4=+6，为还原剂。燃烧反应时，为还原剂。燃烧反应时，ZrO(NO3)22H2O和和CO(NH2)2的化学计量摩尔比为的化学计量摩尔比为6 10。多组分配料时亦然。以合成铝酸。多组分配料时亦然。以合成铝酸钙为例钙为例(CaOAl2O3，简写为，简写为CA)。合成。合成CA时，需时，需Al(NO3)39H2O(简写简写为为AN)与与Ca(NO3)24H2O(简写为简写为CN)的摩尔比为的摩尔比为2 l，而，而2mol AN和和1mol CN的总化合价分别为的总化合价分别为-30和和-10；如有以尿素为燃料；如有以尿素为燃料(还原剂还原剂)，则，则原料中总还原
68、价为原料中总还原价为+6，总氧化价为，总氧化价为-30+(-10)=-40。所以氧化剂和尿素的。所以氧化剂和尿素的摩尔比为摩尔比为6 40，即，即n(AN) n(CN)：nCO(NH2)2=6(2 1) 40=2 1 6.67。实际上，对于同化合价金属离子的硝酸盐，燃料与硝酸盐的化学计量摩尔实际上，对于同化合价金属离子的硝酸盐，燃料与硝酸盐的化学计量摩尔比是一定的，例如，二价金属离子比是一定的，例如，二价金属离子(如如Mg2+、Ca2+、Ni2+等等)硝酸盐与尿素硝酸盐与尿素的化学计量摩尔比为的化学计量摩尔比为1 1.67；三价金属离子；三价金属离子(如如Al3+、Y3+、Fe3+等等)硝酸硝
69、酸盐与尿素的化学计量摩尔比为盐与尿素的化学计量摩尔比为l 2 5。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原理基本原理当氧化还原混合燃料含量超过上述的化学计量比时，称当氧化还原混合燃料含量超过上述的化学计量比时，称为富燃料体系；当燃料低于化学计量比时为贫燃料体系。为富燃料体系；当燃料低于化学计量比时为贫燃料体系。但不同的混合物体系实际的化学计量比是很难确定的，但不同的混合物体系实际的化学计量比是很难确定的，因为准确的化学计量比取决于准确的反应产物信息，而因为准确的化学计量比取决于准确的反应产物信息，而反
70、应产物很大程度上取决于反应产物很大程度上取决于C、N、H、O等的最终存在等的最终存在状态。例如，可以假设状态。例如，可以假设N最终为最终为N2，而实际上还可能存，而实际上还可能存在在NO2，NO或以一般形式或以一般形式NxOy存在。存在。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原理基本原理一般燃烧总反应式均按生成氧化物及其化合物、一般燃烧总反应式均按生成氧化物及其化合物、N2、H2O和和CO2来表示，如来表示，如:4ZrO(NO3)2(l)+5CH6N4O(l) 4ZrO2(s)+5CO2(g)+5H2
71、O(g)+14N2(g)l0Pb(NO3)2(l)+10TiO(NO3)2(l)+7C4H16N6O2(I) 10PbTiO3(s)+28CO2(g)+56H2O(g)+41N2(g)式中，式中，l，g，s分别表示液、气、固态。分别表示液、气、固态。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原理基本原理6452 低温燃烧合成粉体的工艺影响因素低温燃烧合成粉体的工艺影响因素LCS的特点是点火温度低，一般在硝酸盐和燃料的分解的特点是点火温度低，一般在硝酸盐和燃料的分解温度附近，燃烧过程受控于加热速率，化学计量
72、比以及温度附近，燃烧过程受控于加热速率，化学计量比以及燃烧物质量和容器的容积，例如在合成燃烧物质量和容器的容积，例如在合成Al2O3时，加热时，加热速率低于速率低于100 C/min时只能得到无定形的时只能得到无定形的Al2O3；富燃；富燃料体系产物中会有夹杂碳；当硝酸铝低于料体系产物中会有夹杂碳；当硝酸铝低于5g时在时在300mL容器中不能点火，而在容器中不能点火，而在100mL容器中却能够点容器中却能够点燃，质量体积比是燃烧合成中气相化学反应放热的重燃，质量体积比是燃烧合成中气相化学反应放热的重要影响因素。要影响因素。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.
73、4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原理基本原理6452 低温燃烧合成粉体的工艺影响因素低温燃烧合成粉体的工艺影响因素LCS工艺中，燃烧火焰温度也是影响粉末合成的重要因素，火焰工艺中，燃烧火焰温度也是影响粉末合成的重要因素，火焰温度影响燃烧产物的化合形态和粒度等，燃烧火焰温度高则合成温度影响燃烧产物的化合形态和粒度等，燃烧火焰温度高则合成的粉末粒度较粗，一般来说的粉末粒度较粗，一般来说LCS技术中燃烧反应最高温度取决于技术中燃烧反应最高温度取决于燃料特性，如硝酸盐与尿素的燃烧火焰温度在燃料特性，如硝酸盐与尿素的燃烧火焰温度在1600 C左右，而尿左右，而尿素的衍生物卡巴
74、肼素的衍生物卡巴肼(含含N，于较低的温度，于较低的温度300 C分解分解)与硝酸盐燃与硝酸盐燃烧的火焰温度则在烧的火焰温度则在1000 C左右；硝酸盐的种类也影响火焰温度，左右；硝酸盐的种类也影响火焰温度，如硝酸锆与卡巴肼燃烧的火焰温度为如硝酸锆与卡巴肼燃烧的火焰温度为1400 C左右，而硝酸氧锆与左右，而硝酸氧锆与卡巴肼则仅在卡巴肼则仅在1100 C左右。此外，燃烧反应最高温度还与混合物左右。此外，燃烧反应最高温度还与混合物的化学计量比有关，的化学计量比有关，粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原
75、理基本原理6452 低温燃烧合成粉体的工艺影响因素低温燃烧合成粉体的工艺影响因素富燃料体系温度要高些，贫燃料体系温度低，甚至发生富燃料体系温度要高些，贫燃料体系温度低，甚至发生燃烧不完全或硝酸盐分解不完全的现象。此外，点火温燃烧不完全或硝酸盐分解不完全的现象。此外，点火温度也影响燃烧火焰温度，加热点火温度高时，燃烧温度度也影响燃烧火焰温度，加热点火温度高时，燃烧温度也高，从而粉末粒度变粗，因此可通过控制原材料种类，也高，从而粉末粒度变粗，因此可通过控制原材料种类，燃料加入量以及点火温度等来控制燃烧合成温度，进而燃料加入量以及点火温度等来控制燃烧合成温度，进而控制粉体的粒度等特性。控制粉体的粒度
76、等特性。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原理基本原理6452 低温燃烧合成粉体的工艺影响因素低温燃烧合成粉体的工艺影响因素由于由于LCS工艺过程中燃烧释放大量的气体，如每摩尔尿素可释放工艺过程中燃烧释放大量的气体，如每摩尔尿素可释放4mol气气体，每摩尔四甲基先嗪则可释放体，每摩尔四甲基先嗪则可释放15mol气体，气体的排出使燃烧产物呈蓬气体，气体的排出使燃烧产物呈蓬松的泡沫状并带走体系中大量的热，因而保证了体系能够获得晶粒细小的松的泡沫状并带走体系中大量的热，因而保证了体系能够获得晶粒细小的粉
77、末。因此控制反应释放的气体量也是调节粉体性能的方法之一。如合成粉末。因此控制反应释放的气体量也是调节粉体性能的方法之一。如合成ZrO2时，采用时，采用Zr(NO3)4放出的气体量是采用放出的气体量是采用ZrO(NO3)2的的2倍，前者合倍，前者合成的成的ZrO2粉末的比表面积是后者的粉末的比表面积是后者的3倍多倍多(分别为分别为13.3m2/g和和3.9m2/g)。但也正是由于燃料但也正是由于燃料氧化剂分解和燃烧时释放大量气体，使得合成过程中氧化剂分解和燃烧时释放大量气体，使得合成过程中原料灼减量很大，因而合成粉体的产出率很低。例如，原料灼减量很大，因而合成粉体的产出率很低。例如，1g Al(
78、NO3)39H2O仅可得到仅可得到0.15g Al2O3。加之合成所用的硝酸盐和有机燃。加之合成所用的硝酸盐和有机燃料的价钱较贵，所以目前由料的价钱较贵，所以目前由LCS法得到的粉体成本较高。法得到的粉体成本较高。粉体合成与制备课件64 液相法液相法6.4.3 微乳液法微乳液法6.4.4 水热法水热法645低温燃烧合成低温燃烧合成6451 基本原理基本原理6452 低温燃烧合成粉体的工艺影响因素低温燃烧合成粉体的工艺影响因素还可通过添加剂还可通过添加剂(称为燃烧助剂称为燃烧助剂)改变粉体的性能，如可在混合物中引入硝改变粉体的性能，如可在混合物中引入硝酸铵，它可以作为过量的氧化剂，提高燃烧放热量
79、。更重要的是产生过量酸铵，它可以作为过量的氧化剂，提高燃烧放热量。更重要的是产生过量的燃烧气体，从而获得更加疏松的泡沫结构氧化物粉体，提高粉末的比表的燃烧气体，从而获得更加疏松的泡沫结构氧化物粉体，提高粉末的比表面积，同时硝酸铵在混合物内部点燃还可催化整个燃烧反应，有助于体系面积，同时硝酸铵在混合物内部点燃还可催化整个燃烧反应，有助于体系克服高的反应活化能势垒，特别是在合成多组分氧化物的化合物粉末时，克服高的反应活化能势垒，特别是在合成多组分氧化物的化合物粉末时，这点尤其重要，通常为了获得合成化合物所需的高温，常加入一定量的高这点尤其重要，通常为了获得合成化合物所需的高温，常加入一定量的高氯酸
80、铵和硝酸铵。例如，以硝酸铝和硅灰合成莫来石以及用硝酸锂、硝酸氯酸铵和硝酸铵。例如，以硝酸铝和硅灰合成莫来石以及用硝酸锂、硝酸铝和硝酸锆等硝酸盐合成铝酸盐、有色氧化锆时，常常用高氯酸铵铝和硝酸锆等硝酸盐合成铝酸盐、有色氧化锆时，常常用高氯酸铵(NH4Cl4)作为燃烧助剂。作为燃烧助剂。LCS的出现是对的出现是对SHS的重要拓展，为超细粉甚至在纳米粉的制备方面开辟的重要拓展，为超细粉甚至在纳米粉的制备方面开辟了新途径，但了新途径，但LCS的研究时间不长，这一领域的很多问题，如燃烧反应机的研究时间不长，这一领域的很多问题，如燃烧反应机理、粉体综合特性以及燃烧参数与粉体性能之间的关系等尚待深人研究。理
81、、粉体综合特性以及燃烧参数与粉体性能之间的关系等尚待深人研究。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法沉淀法制备超细粉体存在下列几个问题：生成沉淀法制备超细粉体存在下列几个问题：生成物呈凝胶状，很难进行水洗和过滤；沉淀剂物呈凝胶状，很难进行水洗和过滤；沉淀剂(NaOH、KOH等等)易作为杂质混入粉料中；如采易作为杂质混入粉料中；如采用可以分解消除的用可以分解消除的NH4OH、(NH4)2CO3作沉淀作沉淀剂，但剂，但Ca2+、Ni2+会形成可溶性络离子；沉淀会形成可溶性络离子；沉淀过程各组分可能分离；在水洗时一部分沉淀物过程各组分可能分离；在水洗时一部分沉淀物容易
82、发生再溶解。为解决这些问题，研究了不容易发生再溶解。为解决这些问题，研究了不用沉淀剂的溶剂蒸发法。用沉淀剂的溶剂蒸发法。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法在溶剂蒸发法中，为了在溶剂蒸发过程中保持在溶剂蒸发法中，为了在溶剂蒸发过程中保持溶液的均匀性，必须将溶液分散成小滴，使组溶液的均匀性，必须将溶液分散成小滴，使组分偏析的体积最小，而且应迅速进行蒸发，使分偏析的体积最小，而且应迅速进行蒸发，使液滴内部组分偏析最小。因此一般采用喷雾法。液滴内部组分偏析最小。因此一般采用喷雾法。喷雾法中，如果氧化物没有蒸发掉，那么颗粒喷雾法中，如果氧化物没有蒸发掉，那么颗粒内各组
83、分的比例与原溶液相同，由于不需要进内各组分的比例与原溶液相同，由于不需要进行沉淀操作，因而就能合成复杂的多成分氧化行沉淀操作，因而就能合成复杂的多成分氧化物粉料。此外，用喷雾法制得的氧化物颗粒一物粉料。此外，用喷雾法制得的氧化物颗粒一般为球形，流动性良好，便于在后面工序中进般为球形，流动性良好，便于在后面工序中进行加工处理行加工处理.粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法溶剂蒸发法根据物料溶剂蒸发法根据物料的特性及过程不同又的特性及过程不同又分为酒精干燥法、冷分为酒精干燥法、冷冻干燥法、喷雾干燥冻干燥法、喷雾干燥法、热煤油干燥法、法、热煤油干燥法、喷雾热分解法及
84、新近喷雾热分解法及新近正在研究的喷雾反应正在研究的喷雾反应法，其过程和分类示法，其过程和分类示于图于图6.29。图6.29采用溶剂蒸发法以金属盐溶液制备氧化物粉体粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法酒精干燥法酒精干燥法(Alcohol Drying)的的原理如图原理如图6.30所示。将混合均匀所示。将混合均匀的溶液喷人酒精中，利用酒精吸的溶液喷人酒精中，利用酒精吸收溶液的水分而使之脱水。由于收溶液的水分而使之脱水。由于酒精吸水有限，所以溶液浓度必酒精吸水有限，所以溶液浓度必须高。使用的酒精量应为被处理须高。使用的酒精量应为被处理溶液
85、量的溶液量的1015倍。在操作过程倍。在操作过程中，酒精要不断地进行搅拌，以中，酒精要不断地进行搅拌，以便急速脱水。如果酒精中水分过便急速脱水。如果酒精中水分过高，则沉淀的粒子会聚集。粉末高，则沉淀的粒子会聚集。粉末的性质取决于操作条件、脱水剂的性质取决于操作条件、脱水剂种类、溶液的种类、溶液的pH值等。值等。图6.30 酒精干燥法原理示意图粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法冷冻干燥法冷冻干燥法(Freeze Drying)是将金属盐的水溶液喷到是将金属盐的水溶液喷到低温有机液体中，由于快速热交换作用使溶
86、液液滴瞬时低温有机液体中，由于快速热交换作用使溶液液滴瞬时冷冻成冰盐共存的小固粒。然后在低温低压下使固粒中冷冻成冰盐共存的小固粒。然后在低温低压下使固粒中的溶剂升华、脱水，最后热分解制得陶瓷粉体。的溶剂升华、脱水，最后热分解制得陶瓷粉体。冷冻干燥方法的特点如下：冷冻干燥方法的特点如下：能较好地消除在普通干燥能较好地消除在普通干燥过程中的颗粒团聚现象，合成的粉体粒度较细，均匀性过程中的颗粒团聚现象，合成的粉体粒度较细，均匀性较好；较好；但该方法的成本较高、能源利用率低，而未能但该方法的成本较高、能源利用率低，而未能大规模应用于工业生产中。大规模应用于工业生产中。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法
87、溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652 冷冻干燥法冷冻干燥法以以Al2(SO4)3-H2O为例，为例，其状态图如图其状态图如图6.3l所所示。当均匀溶液冷却示。当均匀溶液冷却时，其浓度沿液相线时，其浓度沿液相线变化，在共晶温度变化，在共晶温度(约约-12 C)时得到冰与时得到冰与Al2(SO4)3 H2O结晶的结晶的混合物。图混合物。图6.32为盐为盐冰系压力冰系压力温度状温度状态图。态图。图6.31 Al2(SO4)3H2O状态图图6.32 盐-冰系压力-温度状态图粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥
88、法652 冷冻干燥法冷冻干燥法上述的均匀溶液上述的均匀溶液冷却至共晶温度以下得到冰盐混合物，冷却至共晶温度以下得到冰盐混合物，即状态即状态；之后防止在低压下脱水干燥到达状态；之后防止在低压下脱水干燥到达状态；然；然后保持压力，徐徐加热、水分升华，到状态后保持压力，徐徐加热、水分升华，到状态；最后，；最后，温度和压力沿升华曲线温度和压力沿升华曲线SQ上升，脱水终了。如果是混上升，脱水终了。如果是混合溶液，各组分的液相线和共晶温度不同，图中的状态合溶液，各组分的液相线和共晶温度不同，图中的状态与状态与状态之间的之间的(溶液溶液+冰冰)区域变宽，所以要提高冷区域变宽，所以要提高冷却速度。却速度。粉体
89、合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法图图6-33为盐水分离的冷冻槽的示为盐水分离的冷冻槽的示意图。锥形瓶中置人预先配置好意图。锥形瓶中置人预先配置好的盐的水溶液。利用压力为的盐的水溶液。利用压力为25MPa的压缩空气将水溶液喷的压缩空气将水溶液喷人迅速搅拌的冷己烷中，冷源为人迅速搅拌的冷己烷中，冷源为干冰在丙酮中的过饱和溶液温干冰在丙酮中的过饱和溶液温度约度约-70 C。图6.33 盐水分离的冷冻槽粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652 冷冻干燥
90、法冷冻干燥法653 热煤油干燥法热煤油干燥法热煤油干燥法热煤油干燥法(Hot-Petrol Drying)是将是将盐或复盐水溶液用精制的煤油分散呈乳盐或复盐水溶液用精制的煤油分散呈乳状。为使乳化液稳定，可加入少量的表状。为使乳化液稳定，可加入少量的表面活性剂和进行必要的搅拌。图面活性剂和进行必要的搅拌。图6.34为为热煤油干燥法示意图。乳化液被加热到热煤油干燥法示意图。乳化液被加热到170180 C，用磁力搅拌。乳化液从喷，用磁力搅拌。乳化液从喷嘴流下，遇到热煤油快速蒸发，粉末粒嘴流下，遇到热煤油快速蒸发，粉末粒子下降，煤油和水的蒸气上升，经冷凝子下降，煤油和水的蒸气上升，经冷凝后收集。后收集
91、。图6.34 热煤油干燥法原理粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652 冷冻干燥法冷冻干燥法这一方法的优点是过程简单，处理时间短，粉体附着的这一方法的优点是过程简单，处理时间短，粉体附着的煤油可作为成形剂。若不需要，用加热方法也很易除去。煤油可作为成形剂。若不需要，用加热方法也很易除去。如制备如制备CeO2-Y2O3系粉末，可用硫酸盐水溶液，也可系粉末，可用硫酸盐水溶液，也可用硝酸盐水溶液。硝酸盐水溶液干燥物在用硝酸盐水溶液。硝酸盐水溶液干燥物在1000 C煅烧煅烧成氧化物。这种氧化物经成氧化物。这种氧化物经1500 C烧结烧结4
92、h，可得，可得97.1%的理论密度。硫酸盐水溶液干燥物在的理论密度。硫酸盐水溶液干燥物在1200煅烧后，煅烧后，再在上述同样条件下烧结可得再在上述同样条件下烧结可得96.4%的理论密度，若在的理论密度，若在1500 C烧结烧结8h，密度可达，密度可达98%。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652 冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法喷雾干燥法喷雾干燥法(Spray Drying)是将溶液分散成是将溶液分散成小液滴喷人热风中，使之小液滴喷人热风中，使之迅速干燥的方法。溶液与迅速干燥的方法。溶液与热风可以顺流，即溶液从热
93、风可以顺流，即溶液从上往下喷雾与同方向的热上往下喷雾与同方向的热风混合风混合如图如图6-35(a)，也，也可逆流，即溶液由下往上可逆流，即溶液由下往上喷雾与逆向的热风相遇。喷雾与逆向的热风相遇。如图如图6-35(b)溶液中的水溶液中的水分蒸发后，粉末下落，其分蒸发后，粉末下落，其中细粉可进行旋风分离和中细粉可进行旋风分离和用气体方法收尘用气体方法收尘(布袋收布袋收尘、淋洗等尘、淋洗等)。图6.35 喷雾干燥系统示意粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652 冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法与固相反应法相比，用这种方法
94、制得的与固相反应法相比，用这种方法制得的 -Al2O3和铁氧体粉料，经成形、烧结后所得到的烧结和铁氧体粉料，经成形、烧结后所得到的烧结体的晶粒较细。体的晶粒较细。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法喷雾热分解法喷雾热分解法(Spray Pyrolysis)是一种将前驱是一种将前驱体溶液体溶液(金属溶液金属溶液)喷人高温气氛中，立即引起喷人高温气氛中，立即引起溶剂的蒸发和金属盐的热分解，从而直接得到溶剂的蒸发和金属盐的热分解，从而直接得到氧化物粉料的
95、方法。喷雾热分解法和上述喷雾氧化物粉料的方法。喷雾热分解法和上述喷雾干燥法适用于连续生产操作。干燥法适用于连续生产操作。SP法最显著的优法最显著的优点是采用液相物质前驱体通过气溶胶过程得到点是采用液相物质前驱体通过气溶胶过程得到最终产物，所以兼具了气相法和液相法的诸多最终产物，所以兼具了气相法和液相法的诸多优点。不需要过滤、洗涤、干燥、烧结及再粉优点。不需要过滤、洗涤、干燥、烧结及再粉碎等过程，产品纯度高，分散性好，粒度均匀碎等过程，产品纯度高，分散性好，粒度均匀可控，而且可以制备多组分复合超细粉体。图可控，而且可以制备多组分复合超细粉体。图6.36为喷雾热分解装置的示意图。为喷雾热分解装置的
96、示意图。图6.36 喷雾热分解装置粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法喷雾热分解法有两种方法，一种方法是将溶液喷到加热的反应器上；喷雾热分解法有两种方法，一种方法是将溶液喷到加热的反应器上；另一种方法是将溶液喷到高温火焰中。多数场合使用可燃性溶剂另一种方法是将溶液喷到高温火焰中。多数场合使用可燃性溶剂(通常为乙醇通常为乙醇)，以利用其燃烧热。上述冷冻法和喷雾干燥法，不能，以利用其燃烧热。上述冷冻法和喷雾干燥法，不能适用于后面热分解过程产生的熔融的金
97、属盐，而喷雾热分解法却不适用于后面热分解过程产生的熔融的金属盐，而喷雾热分解法却不受这个限制。受这个限制。喷雾热解法制备超细粉体的过程可以用图喷雾热解法制备超细粉体的过程可以用图6.37来描述。来描述。图6.37 喷雾热分解法制备超细粉体的过程粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法在喷雾热分解法制备超细粉体过程中，雾化的气溶胶液滴进入干燥在喷雾热分解法制备超细粉体过程中，雾化的气溶胶液滴进入干燥段反应器后，即发生如下的传热、传质过程：段反应器后，即发
98、生如下的传热、传质过程：溶剂油液滴表面蒸溶剂油液滴表面蒸发为蒸气，蒸气由液滴表面向气相主体扩散；发为蒸气，蒸气由液滴表面向气相主体扩散；溶剂挥发时的液滴体积收缩；溶剂挥发时的液滴体积收缩；溶质由液滴表面向中心扩散；溶质由液滴表面向中心扩散；由气相主体向液滴表面的传热过程；由气相主体向液滴表面的传热过程；液滴内部的热量传递。液滴内部的热量传递。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法前驱体溶液雾化后，液滴将发生如下过程：溶剂蒸发，液滴直径变前驱体溶液雾化
99、后，液滴将发生如下过程：溶剂蒸发，液滴直径变小，液滴表面溶质浓度不断增加并在某一时刻达到临界过饱和浓度，小，液滴表面溶质浓度不断增加并在某一时刻达到临界过饱和浓度，液滴内将发生成核过程，成核的结果是液滴内部任何地方的浓度均液滴内将发生成核过程，成核的结果是液滴内部任何地方的浓度均小于溶质的平衡浓度。成核后，液滴内溶剂继续蒸发，液滴继续减小于溶质的平衡浓度。成核后，液滴内溶剂继续蒸发，液滴继续减小，液滴内溶质的质量百分数继续增大，不考虑二次成核，液滴内小，液滴内溶质的质量百分数继续增大，不考虑二次成核，液滴内超过其平衡浓度的那部分溶质将全部贡献于液滴表面晶核的生长；超过其平衡浓度的那部分溶质将全
100、部贡献于液滴表面晶核的生长；同时，晶核也会向液滴中心进行扩散。随着晶核进一步的扩散和液同时，晶核也会向液滴中心进行扩散。随着晶核进一步的扩散和液滴直径的进一步减小，液滴表面具有一定尺寸的晶核互相接触、凝滴直径的进一步减小，液滴表面具有一定尺寸的晶核互相接触、凝固井直至完全覆盖液滴表面，则液滴外壳生成，此后液滴的直径不固井直至完全覆盖液滴表面，则液滴外壳生成，此后液滴的直径不再发生变化。外壳生成后，液滴内的溶剂继续蒸发，超过其平衡浓再发生变化。外壳生成后，液滴内的溶剂继续蒸发，超过其平衡浓度的溶质在液滴壳外以内的晶核表面析出度的溶质在液滴壳外以内的晶核表面析出(不含外壳不含外壳)，促使这部分，促
101、使这部分晶核长大。晶核长大。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法如果外壳生成时，液滴中心也有晶核，剧生成的粒子为实心粒子；如果外壳生成时，液滴中心也有晶核，剧生成的粒子为实心粒子；如果如果)R滴中心没有晶核则生成的粒子为空心粒子。颗粒外壳是由晶滴中心没有晶核则生成的粒子为空心粒子。颗粒外壳是由晶核互相接触、凝固而形成。核互相接触、凝固而形成。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻
102、干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法656喷雾反应法喷雾反应法喷雾热分解法存在的缺点是：生成的超细颗粒中有许多空心颗粒而喷雾热分解法存在的缺点是：生成的超细颗粒中有许多空心颗粒而且组分分布不均匀，这很早就引起了研究人员的注意，为了解决这且组分分布不均匀，这很早就引起了研究人员的注意，为了解决这一问题，人们提出了一些改进方法，喷雾反应法就是其中的一种改一问题，人们提出了一些改进方法，喷雾反应法就是其中的一种改进方法。最典型的有进方法。最典型的有M.Visca和和H.F.Yu等人设计的方法。分别给予等人设计的方法。分别给予介绍。介绍。粉体合成与制备课件65
103、溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法656喷雾反应法喷雾反应法6561 M.Visca法法通常在金属盐溶液雾化进入反应器的同时，通人各种反应气体，借通常在金属盐溶液雾化进入反应器的同时，通人各种反应气体，借助于它们之间的化学反应，会生成各种不同的无机物超细粉体。助于它们之间的化学反应，会生成各种不同的无机物超细粉体。M.Visca等首先以醇化物和氧化物的混合液作为喷雾液，用氯化银等首先以醇化物和氧化物的混合液作为喷雾液，用氯化银作为成核剂，使喷雾液遇水蒸气后发生水解反应生
104、成，如作为成核剂，使喷雾液遇水蒸气后发生水解反应生成，如TiO2的粒的粒径在径在0.06-0.6 m范围内的超细粉体，粒子呈球状，粒度比较均匀。范围内的超细粉体，粒子呈球状，粒度比较均匀。M.Visca喷雾反应方法的过程如下：喷雾反应方法的过程如下：粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法656喷雾反应法喷雾反应法6561 M.Visca法法 (1)粒度均一的前驱体液滴的产生粒度均一的前驱体液滴的产生 采用落膜的方式形成液滴，实验采用落膜的方式形成液滴
105、，实验时落膜发生器时落膜发生器(控温控温30-90 C)被气相的前驱体被气相的前驱体(醇化物或氯化物醇化物或氯化物)所所充满。载气充满。载气(氮气或氮气氮气或氮气)由压力容器提供并经氧化镁和五氧化磷干由压力容器提供并经氧化镁和五氧化磷干燥和燥和0.22 m孔径的过滤器过滤后被导人品核发生器中。晶核发生孔径的过滤器过滤后被导人品核发生器中。晶核发生器由在其中间盛放着氯化银的石英管组成，并且在实验过程中加热器由在其中间盛放着氯化银的石英管组成，并且在实验过程中加热到到590650 C。随后，氯化银的晶核同载气经冷却后被引导人落。随后，氯化银的晶核同载气经冷却后被引导人落膜发生器。在落膜发生器中，气
106、相的前驱体在氧化银晶核的表面冷膜发生器。在落膜发生器中，气相的前驱体在氧化银晶核的表面冷凝形成液滴。实验中这些液滴重新蒸发再冷凝凝形成液滴。实验中这些液滴重新蒸发再冷凝(-256 C)，从而，从而使液滴粒度均一。使液滴粒度均一。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法656喷雾反应法喷雾反应法6561 M.Visca法法 (2)液滴的水解液滴的水解 为了使液滴中前驱体水解，必须让液滴和水蒸气为了使液滴中前驱体水解，必须让液滴和水蒸气接触，实验中液滴和水
107、蒸气的接触分两个阶段，两个阶段都由毛细接触，实验中液滴和水蒸气的接触分两个阶段，两个阶段都由毛细管将一定流量的水蒸气导入水解室完成，第一阶段水解室温度控制管将一定流量的水蒸气导入水解室完成，第一阶段水解室温度控制为液滴冷疑温度，第二阶段水解室温度控制为室温，两个阶段水蒸为液滴冷疑温度，第二阶段水解室温度控制为室温，两个阶段水蒸气的导入量至少大于理论计算量的气的导入量至少大于理论计算量的2倍。经过第二阶段水解的液滴倍。经过第二阶段水解的液滴随后再被加热至随后再被加热至150 C以保证前驱体水解完全。实验中以四乙醇以保证前驱体水解完全。实验中以四乙醇钛为前驱体获得了粒径小且分布挟窄的球形颗粒，以四
108、乙醇钛为前钛为前驱体获得了粒径小且分布挟窄的球形颗粒，以四乙醇钛为前驱体可以获得同样性质的颗粒，但夹杂着破壳。驱体可以获得同样性质的颗粒，但夹杂着破壳。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法656喷雾反应法喷雾反应法6561 M.Visca法法从从MVisca等人的实验可以得到以下结论。等人的实验可以得到以下结论。实验装置复杂且工艺参数要求严格。实验装置复杂且工艺参数要求严格。氧化银的引入会影响产物的纯度。氧化银的引入会影响产物的纯度。要获得粒径小的
109、晶核，必须首先获得粒径小的液滴，所以落膜发要获得粒径小的晶核，必须首先获得粒径小的液滴，所以落膜发生器中的气相前驱体浓度要求较低，最后使得落膜发生装置的温度生器中的气相前驱体浓度要求较低，最后使得落膜发生装置的温度要求较低，从而限制了产物的得率。另外，该法获得球形颗粒的原要求较低，从而限制了产物的得率。另外，该法获得球形颗粒的原因，并不是因为在液滴内引入了水解反应，而是氯化银首先形成晶因，并不是因为在液滴内引入了水解反应，而是氯化银首先形成晶核。研究表明，要获得实心球形颗粒，必须保证在外壳生成之前液核。研究表明，要获得实心球形颗粒，必须保证在外壳生成之前液滴中心应有晶核生成。滴中心应有晶核生成
110、。粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法651 酒精干燥法酒精干燥法652冷冻干燥法冷冻干燥法654 喷雾干燥法喷雾干燥法655 喷雾热分解法喷雾热分解法656喷雾反应法喷雾反应法6561 M.Visca法法6562 HFYu法法HFYu等人用如图等人用如图6-38的实验装置，以硝酸镍和硝酸铁为前驱的实验装置，以硝酸镍和硝酸铁为前驱体，以氨气为反应气，试验获得了实心的球形体，以氨气为反应气，试验获得了实心的球形NiFe2O4颗粒。颗粒。HFYu方法的过程为：方法的过程为：(1)前驱体的雾化前驱体的雾化 实验采用超声波将前驱体雾化，载气为氩气。实验采用超声波将前驱
111、体雾化，载气为氩气。(2)反应反应 液滴被载气引入高温炉时，同时与引入的氨气反应，反应液滴被载气引入高温炉时，同时与引入的氨气反应，反应温度为温度为373K。在这一阶段将发生以下反应：。在这一阶段将发生以下反应：粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法656喷雾反应法喷雾反应法6561 M.Visca法法6562 HFYu法法在这一阶段将发生以下反应：在这一阶段将发生以下反应：NH3(g) NH4OH(aq)Ni(NO3)2(aq)+2NH4OH(aq)+mH2ONiO(m+1)H2O(s)+NH4NO3(aq)Fe(NO3)3(aq)+3NH4OH(aq)+nH
112、2O(1/2)Fe2O3 (2n+3)H2O(s) +3NH4NO3(aq)NiO (m+1)H2O(s)+Fe2O3(2n+3)H2O(s)NiO(s)+Fe2O3(s) +( m+2n+4)H2ONiO(s)+NiFe2O3(s) NiFe2O4(s)粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法656喷雾反应法喷雾反应法6561 M.Visca法法6562 H.F.Yu法法这种方法的机理如图这种方法的机理如图6.39所示。所示。图6.39 HFYu喷雾反应法用于制备组分分布均匀的颗粒机理示意粉体合成与制备课件65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法65 溶剂蒸发法溶剂蒸发法656喷雾反应法喷雾反应法6561 M.Visca法法6562 H.F.Yu法法可可见见，在在外外壳壳生生成成前前液液滴滴中中心心没没含含有有晶晶核核，在在溶溶剂剂蒸蒸发发后后形形成成的的是是空空心心颗颗粒粒，这这种种喷喷雾雾反反应应法法之之所所以以获获得得实实心心颗颗粒粒是是因因为为后后续续的的高高温温煅煅烧烧所所致致。因因为为Ni和和Fe的的硝硝酸酸盐盐物物理理化化学学性性质质相相似似，所所以以颗颗粒粒破破裂前其内部组分分布均匀，获得了晶型及组分均匀的超细粉体。裂前其内部组分分布均匀，获得了晶型及组分均匀的超细粉体。粉体合成与制备课件
