超細粉末

超細粉末是國家工程研究中心的研究項目之一，現研究和套用最多的是金屬、鐵氧體及陶瓷超細粉末。

基本介紹

• 中文名：超細粉末
• 外文名：ultrafine powder
• 定義：國家工程研究中心的研究項目
• 規格：顆粒尺寸小於10μm的粉末

定義

超細粉末ultrafine powder顆粒尺寸小於10μm的粉末。最早給出超細粉末定義的是日本的上田良二。

內容

現研究和套用最多的是金屬、鐵氧體及陶瓷超細粉末。 自19世紀60年代膠體化學建立以來，科學家們一 直把處於1一1000nln範圍的顆粒作為研究的對象。20 世紀60年代，在研究小於10nln的金屬超細粉末時，日本科學家久寶發現了金屬超微粒子的電子特殊性，即超微粒子保持電中性，對比熱、磁性和超導性都有影響。這個現象又得到了很多科學工作者的驗證。因此， 科學界把這一發現命名為久寶效應。久寶效應的發現使科學家們開始了對超細粉末的開發和套用研究，並在電 子、化工、冶金、航空、農業、醫學等方面取得了一些研究成果。 特性和套用超細粉末所具有的奇特功能，主要是超細粉末的表面效應和體積效應共同作用的結果。當超表1超細粉末的表面能和比表面積細粉末的粒徑為INM時，顆粒中大約包含30個原子， 它們大部分都在顆粒表面，所以每個顆粒都具有極高的表面能。從表1和表2中可以看出超細粉末所具有的表面效應。 在超細粉末的體積效應方面，現已發現，當顆粒小到一定程度後，物質的本性，如金屬的比熱容、磁性、超導性等便發生變化。粒度為幾納米的金

表面效應

納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大後所引起的性質上的變化。如下圖所示：

從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當粒徑降到1nm時，表面原子數比例達到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由於納米粒子表面原子數增多，表面原子配位數不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結合而穩定下來，故具有很高的化學活性。

體積效應

由於納米粒子體積極小，所包含的原子數很少，相應的質量極小。因此，許多現象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質的性質加以說明，這種特殊的現象通常稱之為體積效應。其中有名的久保理論就是體積效應的典型例子。久保理論是針對金屬納米粒子費米面附近電子能級狀態分布而提出的。久保把金屬納米粒子靠近費米面附近的電子狀態看作是受尺寸限制的簡併電子態，並進一步假設它們的能級為準粒子態的不連續能級，並認為相鄰電子能級間距δ和金屬納米粒子的直徑d的關係為：

其中 N為一個金屬納米粒子的總導電電子數，V為納米粒子的體積；EF為費米能級
隨著納米粒子的直徑減小，能級間隔增大，電子移動困難，電阻率增大，從而使能隙變寬，金屬導體將變為絕緣體。

量子尺寸效應

當納米粒子的尺寸下降到某一值時，金屬粒子費米面附近電子能級由準連續變為離散能級；並且納米半導體微粒存在不連續的最高被占據的分子軌道能級和最低未被占據的分子軌道能級，使得能隙變寬的現象，被稱為納米材料的量子尺寸效應。在納米粒子中處於分立的量子化能級中的電子的波動性帶來了納米粒子的一系列特殊性質，如高的光學非線性，特異的催化和光催化性質等。當納米粒子的尺寸與光波波長，德布羅意波長，超導態的相干長度或與磁場穿透深度相當或更小時，晶體周期性邊界條件將被破壞，非晶態納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常。如光吸收顯著增加，超導相向正常相轉變，金屬熔點降低，增強微波吸收等。利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質，可以改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，製造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用於電磁波禁止、隱型飛機等。
由於納米粒子細化，晶界數量大幅度的增加，可使材料的強度、韌性和超塑性大為提高。其結構顆粒對光，機械應力和電的反應完全不同於微米或毫米級的結構顆粒，使得納米材料在巨觀上顯示出許多奇妙的特性，例如：納米相銅強度比普通銅高5倍；納米相陶瓷是摔不碎的，這與大顆粒組成的普通陶瓷完全不一樣。納米材料從根本上改變了材料的結構，可望得到諸如高強度金屬和合金、塑性陶瓷、金屬間化合物以及性能特異的原子規模複合材料等新一代材料，為克服材料科學研究領域中長期未能解決的問題開拓了新的途徑。

生產設備

（一）對於硬度不高的物料要粉碎成超細粉可用JZC分級式衝擊磨或JZH超微環磨機，此類設備均屬於機械式超微粉碎設備。

（二）對於硬度很高的，如金剛石、碳化鎢、碳化矽、碳化硼、氧化鋁、剛玉、石榴石等超硬物料要進行超細粉生產一般使用巨子JZL氣流粉碎機。該類超微粉生產設備主要是利用氣流粉碎原理來進行粉碎分級的，優點是粉碎產品細度能達10μm以細，即使是粉碎超硬物料設備的磨損也很小。

分級方法

（一）乾法分級，從環保和經濟原則出發一般都選用JZF氣流分級機，利用氣流乾法分級原理不僅分級超細粉的精度高，而且能不停機的隨意調整超細粉的成品細度。

（二）濕法分級，此類分級由於嚴重影響環境，造成環境污染，不被國家環保部門推薦，最重要的是此類超細粉分級法分級成本高、並對操作人員的身體健康有較大影響。