超聲技術(shù)在無機(jī)材料合成與制備中的應(yīng)用分析

李明昊

（武漢科技大學(xué) 湖北 武漢 430000）

1 引言

近幾十年來，超聲技術(shù)在化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用越加廣泛，在無機(jī)材料的合成與制備過程中，利用超聲波可以加快一些物理反應(yīng)如過濾、篩選、除垢的反應(yīng)速率，同時(shí)，利用超聲波的化學(xué)效應(yīng)不僅可以提高一些化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率，對于改善化學(xué)材料的性能也有很大的作用。

2 超聲波與超聲技術(shù)的定義

通常人們把頻率高于20khz的聲波稱為超聲波，超聲波具有很強(qiáng)的穿透性且易于集中，目前超聲波被廣泛應(yīng)用于超聲定位、超聲測距、超聲清洗、超聲殺菌等方面。

自從上世紀(jì)三十年代超聲波的化學(xué)效應(yīng)被報(bào)道以來，超聲技術(shù)得到了各國科學(xué)家的廣泛關(guān)注，超聲技術(shù)經(jīng)過七八十年的研究與發(fā)展，已經(jīng)逐漸成長為一門先進(jìn)的高新技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。超聲技術(shù)是聲學(xué)領(lǐng)域一門非常重要的研究對象，超聲技術(shù)的作用主要分為三種，即空化效應(yīng)、熱學(xué)效用和機(jī)械力學(xué)效應(yīng)，其中空化效應(yīng)在無機(jī)材料的合成與制備得到了廣泛的應(yīng)用。

3 超聲空化作用概要

3.1 超聲空化作用的定義

液體中常存在一些微小的空氣泡核，這些微小的空氣泡核在超聲波的作用下，其體積經(jīng)歷了周期性的收縮和膨脹產(chǎn)生震動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定程度是，其在高速震蕩下崩裂，這個(gè)動(dòng)力學(xué)過程稱為超聲空化作用。液體中的空氣泡核崩潰時(shí)會(huì)在液體中產(chǎn)生空穴便伴隨著發(fā)電發(fā)光、壓強(qiáng)溫度迅速升高的現(xiàn)象且有激蕩波的產(chǎn)生。

3.2 超聲空化作用的原理

超聲空化作用的發(fā)生頻率一般為100khz～1000khz，其發(fā)生主要經(jīng)歷了三個(gè)過程：首先超聲波傳遞到液體中會(huì)帶動(dòng)液體振動(dòng)，形成成千上萬個(gè)微小地空氣泡核；然后空氣泡核在超聲波的作用下，在負(fù)壓區(qū)膨脹而在負(fù)壓區(qū)縮??；最終正負(fù)壓強(qiáng)的拉伸作用使空氣泡核崩潰破裂，在破裂時(shí)產(chǎn)生高壓的作用下，使固體懸浮物與液體的接觸面收到破壞。

3.3 超聲空化作用的物理效應(yīng)

在超聲波的作用下，液體產(chǎn)生微小的空氣泡核，空氣泡核逐漸膨脹收縮最終破裂?？諝馀莺似屏褧r(shí)會(huì)產(chǎn)生高溫和高壓并伴隨著告訴的震蕩波，當(dāng)震蕩波作用于液體表面的固體時(shí)，震蕩波會(huì)對固體表面產(chǎn)生破壞或者清除掉固體表面的污垢。與此同時(shí)，由于高速的震蕩波作用使液體混合作用加強(qiáng)，不僅促進(jìn)了宏觀物質(zhì)的過程，而且對于熱量的傳遞、分子的擴(kuò)散也起到了一定的促進(jìn)作用

3.4 超聲空化作用的化學(xué)效應(yīng)

超聲空化作用不僅能產(chǎn)生強(qiáng)烈的物理效應(yīng)，也產(chǎn)生了一定的化學(xué)效應(yīng)，在空氣泡核破裂產(chǎn)生的高溫高壓環(huán)境下，容易產(chǎn)生自由基團(tuán)，例如水被誘導(dǎo)分解產(chǎn)生了羥基和羧基兩個(gè)自由基，氧氣共價(jià)鍵斷裂產(chǎn)生兩個(gè)O自由基，羥基和O自由基具有很強(qiáng)的氧化能力，會(huì)進(jìn)一步發(fā)生氧化還原反應(yīng)。目前對超聲降解的解釋主要有熱點(diǎn)理論和電離理論兩種，前者認(rèn)為高溫高壓破壞了分子鍵，后者則認(rèn)為空氣泡核破裂產(chǎn)生了高壓電場，在電場的作用下，分子產(chǎn)生了電離效應(yīng)，從而分子鍵斷開。

4 超聲空化作用在無機(jī)材料合成與制備中的應(yīng)用

4.1 超聲空化作用用于復(fù)合粉體制備

三氧化二鋁和氧化硅等結(jié)構(gòu)材料經(jīng)過復(fù)合后將各種材料的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，韌性加強(qiáng)，綜合性能將得到顯著提高，在復(fù)合過程中是各組分在整體中均勻分布是復(fù)合材料制備過程中關(guān)鍵一步。工業(yè)上長才用的方法是多相懸浮液分散法，在降低粉底團(tuán)聚的過程中，超聲震蕩的效果要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的攪拌和球磨方式。Sisson在進(jìn)行三氧化二鋁和二氧化鋯時(shí)發(fā)現(xiàn)，用超聲波分散復(fù)合懸浮液時(shí)，一般情況下懸浮液的粘合程度和復(fù)合度會(huì)隨著實(shí)踐的延長逐漸降低。然而實(shí)際上不得不注意的是，在用超聲波降低復(fù)合材料的團(tuán)聚時(shí)，應(yīng)該對于超聲波使用過度而產(chǎn)生的團(tuán)聚作用給予充分的斟酌。超聲分散的效果與所用超聲波的時(shí)間以及強(qiáng)度有很大的關(guān)系，并不是隨著時(shí)間的延長效果逐漸變好，超聲分散的有一個(gè)最佳的中間效果，存在著使效果達(dá)到最佳的條件。要想利用超聲技術(shù)使無機(jī)材料復(fù)合過程中粉底團(tuán)聚降低到最佳，必須尋找最佳條件，如超聲波強(qiáng)度、采用超聲波的時(shí)間等。

4.2 超聲空化作用用于二氧化硅氣凝膠的制備

二氧化硅氣凝膠是一種先進(jìn)的納米材料，其結(jié)構(gòu)易控制，應(yīng)用十分廣闊。在二氧化硅氣凝膠的制備過程中引入超聲空化作用可以克服傳統(tǒng)氣凝膠制備時(shí)需要加入有機(jī)溶劑加大烷基溶解度的缺憾。在酸性條件下，通過催化劑的作用通過超聲空化作用可以使正硅酸乙酯在水中完成凝縮和水解。二氧化硅在超聲空化作用下會(huì)發(fā)生脫水反應(yīng)形成微球，微球的大小與超聲波的強(qiáng)度和頻率成正比。經(jīng)過超聲處理，二氧化硅的凝聚能力得到了顯著地加強(qiáng)，使氣凝膠與其他材料的復(fù)合率增大。二氧化硅氣凝膠的分子結(jié)構(gòu)比較獨(dú)特，在制備過程中，超聲波的頻率、強(qiáng)度以及使用的時(shí)間等都會(huì)對其產(chǎn)生顯著地影響。

4.3 超聲空化作用用于懸浮液的處理

陶瓷材料的性能與構(gòu)造與粉體的分散性與很大的關(guān)系。超聲空化作用在空氣泡核破裂時(shí)會(huì)釋放大量的能量，這些能量可以用于減少顆粒團(tuán)聚，增強(qiáng)粉體的分散度。利用超聲空化作用空氣泡核破裂產(chǎn)生的震蕩波可以使粉體聚合物大幅度解體，增加其流動(dòng)能力。值得注意的是，超聲波處理時(shí)間過長，容易引起超聲團(tuán)聚的產(chǎn)生，所以要注意超聲波處理的時(shí)間，在溶膠顆粒不再減小時(shí)及時(shí)關(guān)閉超聲波的作用。再利用超聲波對懸浮液進(jìn)行處理時(shí)，可以適當(dāng)?shù)奶砑臃稚?，并對超聲波的參?shù)和作用時(shí)間加以控制從而避免超聲團(tuán)聚的產(chǎn)生。

4.4 超聲空化作用在無機(jī)材料合成中的應(yīng)用

超聲空化作用空氣泡核破裂時(shí)會(huì)釋放大量能量并產(chǎn)生高壓高溫的環(huán)境，在這些因素的誘導(dǎo)下，使得許多化學(xué)反應(yīng)比較容易發(fā)生。在高溫高壓環(huán)境下，大量能量的產(chǎn)生會(huì)破壞分子的化學(xué)鍵，促進(jìn)反映的速率的同時(shí)改善產(chǎn)物的各種性能，這種效應(yīng)在無機(jī)材料中的應(yīng)用越來越廣泛，例如在磷酸和熟石灰作為材料用于合成羥基磷灰石時(shí)，利用超聲空化作用可以使反應(yīng)時(shí)間縮短十倍以上，并使粉體各成分的均勻度大大增加。因此，應(yīng)該對超聲空化作用在無機(jī)材料的合成中的作用提起高度的重視。

5 結(jié)語

綜上所述，超聲空化作用的使用在無機(jī)材料的合成與制備中有著非常重要的意義，它雖然僅僅是無機(jī)材料合成的輔助手段，但是實(shí)踐表明，引入超聲空化作用極大程度上加快了無機(jī)材料合成與制備工藝的速率，并且是粉體的均勻度、分散性等性能有了很大的提升。在無機(jī)材料化學(xué)制備中，輔以超聲技術(shù)已經(jīng)成為材料合成的發(fā)展趨勢，為無機(jī)材料的合成與制備提供了廣闊的前景。我國應(yīng)對超聲空化作用對無機(jī)材料合成與制備的作用提起高度重視，在認(rèn)識到其重要性的同時(shí)采取適當(dāng)?shù)恼叽龠M(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。

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