微纳米粉体制备中的晶型和粒度控制

微纳米粉体制备中的形貌与粒度控制

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摘要：

微纳粉末材料的形貌和粒度控制是粉体材料制备领域内的关键性问题之一。本文对湿法

制备粉体材料过程中形貌与粒度控制的机理、国内外研究进展进行了综述，指出形貌与粒度

控制过程中存在的问题并提出建议。

关键词：微纳粉末；形貌；粒度

1 前言

功能粉体材料是有色金属重要的应用形式之一，如金、银、铂族、铜、镍粉末用于电子

浆料、导电胶的制备；锌粉用于防腐涂料、碱性锌锰电池电极材料；镍、钴氧化物用于镍氢、

锂离子、固体氧化物燃料电池电极材料；SnO2用于Ag-SnO2，电接触材等，不胜枚举。有色

金属功能粉体材料制备，已成为产业链延伸、产品深加工增值的重要方向，是高新技术发展

的重要基础。因此研究功能粉体材料有很重要的意义。

材料的性能，主要决定于其组成与结构；而对粉体材料而言，还有其特殊性，颗粒形貌

与粒度，亦是决定粉体材料性能的重要因素。

本文将对微纳粉末制备的形貌与粒度控制及国内外的研究进展进行综决胜脱贫攻坚 述。

2 形貌与粒度控制的意义及复杂性

2.1 纳米粉末形貌要求举例

对微纳粉末的粒度和形貌的要求因用途而异。三氧化铁、、三种晶型。其中水煤

气转化反应、丁烷脱氢反应催化剂用三氧化铁要求为晶型，而磁记录介质用超细三氧化

铁磁粉要求为晶型，粒度小于0.3pm、形状是长径比大于8的针状。另外颜料用-Fe2O3

最好是棒状、盘状、薄板状。

A12O3有、、、等八种晶型，催化剂及载体用的氧化铝应为-A12O3或-A1

2O3，而-A12O3是重要的陶瓷材料。氧化铝的水合物主要有三种三水合物和两种一水合物，

阻燃材料用要求是三水合物，并且粒度细，有合理级配、透明性好、粒子形状为片状、细棱

状。

用作镍氢电池材料的球形氢氧化亚镍粉末则要求其粒度有一定的分布宽度，以便小粒子

可以填充在大粒子的空隙之间，提高电极的能量密度；而作为制备电子工业用的氧化镍粉末

的煅烧前驱体，则要求粒度在亚微米且分布尽可能狭窄。

表2.1还列出了一些工业产品对颗粒形状的要求，纳米粉在应用上都有这种特殊要求。

2.2 形貌与粒度控制的复杂性

在超细粉末制备过程中，对粒度和形貌加以控制是相当困难的，这主要是由于制备过程

本身的复杂性造成的。液相沉淀是最普遍采用的湿法制粉方法之一，它以其制粉质量优良、

方法简便、成本低、容易扩大生产等优点得到广泛的应用。该法的沉淀反应是湿法制粉中非

常关键的步骤之一，对最终粉末粒子的粒度和形貌等具有决定性的影响。

沉淀粒子粒度和形貌控制的物理模型也是非常复杂的。产品与过程之间存在着耦合互动

关系，在实际应用过程中必须充分利用体系的边界条件、限制条件或者某些特殊条件对其中

的某些项进行简化，才能比较方便、合理地计算求解和讨论，而这个求解过程本身就是十分

烦琐的。

因此，粉末颗粒的形貌与粒度控制是一个复杂的过程。

2.2 形貌与粒度控制的意义

粉末的粒度及其分布是最基本的形态特征，它基本上决定了粉末的整体和表面特性。除

此而外，粉末的结构形貌特征还包括粉末的形状、化学组成、内外表面积、体积和表面缺陷

等，它们一起决定粉末的综合性能。因此，最近几年，粉末结构形貌与粒度控制正逐渐成为

粉体研究的一个重要内容。

在大多数粉体材料的制备过程中都幼儿园老师自我介绍 有洗头膏排行榜前十名 粒度和形貌等方面的特殊要求。不同应用领域对功

能粉体材料形貌与粒度的多样性要求，为粉体材料制备技术发展提出了新的课题，即在其制

备与加工中颗粒形貌与粒度的控制。因此，在微纳粉末制备过程中，根据其应用需要进行粉

末结构、形貌控制就具有十分重要的意义。

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在功能粉体材料的制备与加工过程中，颗粒形貌与粒度控制往往有赖于颗粒形成机理的

解析。颗粒形成机理的揭示，是粉末形貌与粒度控制的基础。颗粒形成的机理见图3.1。

在湿法化学沉淀过程中，粉末颗粒的生成经历了成核、生长、团聚等过程。

图3.1 化学制粉中颗粒形成机理示意图

团聚

所谓纳米粉体的团聚是指原生的纳米粉体在制备、分离、处理及存放过程中相互连

接、由多个颗粒形成较大的颗粒团簇的现象。由于团聚颗粒粒度小，表面原子比例大，比表

面积大，表面能大，处于能量不稳定状态，因而细微的颗粒都趋向于聚集在一起，很容易团

聚，形成二次颗粒，使粒子粒径变大。

在湿化学法制备粉体材料中，团聚是颗粒长大的主要方式，团聚机制不仅可以制备出单

分散性球形颗粒，也可以制备椭球状、棒状和立方体等非球形粉末。湿化学法制粉过程中，

团聚一般是在高浓度、过饱和并且有表面活性物质存在的条件下进行，前驱体一般在纳米尺

度。

4 微纳粉末的形貌与粒度控制及存在的问题

4.1 粉末粒度控制

制备粒度均一分散的超细粉是粉末结构形貌控制的主要目标之一。调节体系过饱和度、

添加晶种控制晶核数、促进或阻碍团聚的发生等，是粒度控制的主要策略。在体系溶解度较

大的情况下，Ostwald陈化也可调节颗粒粒径及其单分散性。在化学沉淀制粉过程中，微观

均匀混合是体系粒度控制的最主要内容。各个微小区域内过饱和度微小变化将导致晶核数目

大量变化，从而使晶核大小不一。强制混合是保证微观状态一致、制取粒度均一的超细粉末

的有效措施。

根据Weimarn理论，在晶核生成过程中，其速度V1可用下式表示：

式中，D为溶质分子的扩散系数，K2为比例常数，其它同上。 由式(4.1)可知，浓度C越

大，溶解度S越小，则生成晶核速度就越大。由于体系中物质的数量一定，要生成大量的晶

核，就只能得到极小的粒子。又由式(4.2)可知，晶核长大速率V2也与(C-S)成正比，但影

响程度不一样。说明在水解过程中，V1与V2是互相联系的，当V1>>V2时，溶液中会形成

大量晶核，有利于形成溶胶；当V1<时，所得晶核极少，而晶粒生成速度很快，故粒子

得以长大并生成沉淀。由此可见，一般可以通过调节颗粒成核和生长两个阶段的相对速度大

小来决定所得颗粒的大小。

在颗粒尺寸分布控制方面，制备粒度均一分散的纳米粉是粉末结构形貌控制的主要

目标之一。这主要通过选择合适的单分散制备体系来控制晶核的形成与生长，从而得到

所需要的粒度分布的颗粒。由于纳米粉末极大的表面能，粉末颗粒的形成除了经历了成

核、生长等过程外，还可能发生聚结与团聚。如何有效地控制粉体的团聚也是超细粉末

尺寸分布控制研究的一个重要敌对心理 内容。

4.2

粉末形貌控制

粒子形貌包括形状、表面缺陷、粗糙度等，但主要指形状。纳米粉体，尤其是超微颗粒

往往表现出很多形状，除了与其晶型结构有关外，还取决于其合成方法及相应的操作条件。

如在湿化学法体系中，颗粒的形状对操作条件极其敏感，溶质浓度、反应体系中阴离子的种

类、反应体系是否封闭等因素均可能影响颗粒的形状。例如，在其它条件相同的情况下

CuCl2、CuSO4、Cu(NO3)2在尿素水溶液中的均匀沉淀产物分别为八面体形粒子、长纺棰形

粒子和球形粒子；La(NO3)3在尿素水溶液中反应，若体系封闭形成球形粒子，若体系开放

且搅拌，则形成短棒状粒子。

一般认为，液相中的超微颗粒可选择性吸附溶液中的简单离子、络离子及有机化合物分

子，且不同晶面上被吸附物的种类和数量均有所不同。而溶质浓度、阴离子种类、温度、

pH值等操作条件的细微变化均可能影响晶面的吸附情况，

这些吸附通过改变晶面的比表面能或生长速度常数而促进或抑制晶面的生长，进而影响

超微颗粒的形状。因此，不同操作条件下形成的超微粒子往往呈现多种形态。

此外，添加剂也可改变粉体的形貌。比如，在超细粉体-Fe2O3合成中，研究者发现

陈化时添加柠檬酸、酒石酸，-Fe2O3粉末呈短柱状、片状或层状，而添加有机磷酸可以

得到轴比很大的适宜作磁记录介质的针状粉末。

通过添加柠檬酸还可以制备得到阻燃材料用的等轴细棱形片铝钠石和细小片状

Mg(OH)2。添加异种物质进行粉末形状控制应考虑以下几点：

(1)母晶的晶格结构；

(2)剩余的原子价；

(3)异种物质分子的极性基、大小、形状以及配位。

4.4 粉末形貌、粒度控制中存在的问题

湿化学法制粉往往是在高温、强搅拌等条件下进行，由于粉末生长的物理化学条件要求

苛刻，影响因素复杂，粉末结构形貌往往难以精确控制。虽然有关湿法化学制粉中粉末结构

形貌控制研究已有不少报道，但主要是通过改变反应物浓度、溶液pH值、反应时间、反应

温度和添加物种类及数量来实现。总体来看，这项工作还处于研究起始阶段，有许多技术和

理论问题有待于进一步探讨。表现在：

(1)液相制粉体系中阴离子作用机理

尽管研究者对阴离子参与了成核和生长过程取得一致看法，但是阴离子对粉末相结构影

响机理研究结论各异，从而难以对粉末结构形貌进行准确有效控制。目前粉末结构形貌控制

研究大部分还是处于实验室阶段，用于工业生产尚有很大困难。

(2)现代化分析检测技术

由于沉淀反应速度快，难以跟踪晶体生长过程，

而往往只能通过粉末特征对其生长过程进行推测，因此对分析测试技术提出很高要求。

(3)晶体特征生长模型及其计算机模拟

传统的晶体生长模型是建立在二维或三维概念上的，而与之相应的计算机模拟难以得到

准确预测结果。事实上，晶体由于其表面的粗糙性及其生长过程的自相似性，因而具有分形

性质，引入“分形”概念可能会更真实地建立晶体生长模型。

(4)粉体的团聚与分级

即使粉末结构形貌在反应过程中得到有效控制，但是纳米粉末的团聚和分级仍是一个技

术难题。

5 结语

对粉体材料而言，颗粒形貌与粒度，亦是决定其性能的重要因素。本文对粉末的形貌与

粒度控制的机理及研究进展进行了综述。

有关粉体结构形貌的控制研究已为其应用展现了诱人的前景，但目前粉末结构形貌控制

研究还存在许多问题，大部分还是处于实验室阶段，用于工业生产尚有很大困难。应该注重

工业方面的实践，将实验室研究成果应用到工业中；更新分析检测技术，优化检测过程；加

强对粉荷叶母亲赏析 末与团聚过程的研究。了解更多请访问中国粉体技术网或关注本网微信公众号

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