超聲技術在無機材料合成與制備中的應用分析

李明昊

（武漢科技大學 湖北 武漢 430000）

1 引言

近幾十年來，超聲技術在化學領域的應用越加廣泛，在無機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如過濾、篩選、除垢的反應速率，同時，利用超聲波的化學效應不僅可以提高一些化學反應的反應速率，對于改善化學材料的性能也有很大的作用。

2 超聲波與超聲技術的定義

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

自從上世紀三十年代超聲波的化學效應被報道以來，超聲技術得到了各國科學家的廣泛關注，超聲技術經過七八十年的研究與發展，已經逐漸成長為一門先進的高新技術，在工業生產中得到廣泛應用。超聲技術是聲學領域一門非常重要的研究對象，超聲技術的作用主要分為三種，即空化效應、熱學效用和機械力學效應，其中空化效應在無機材料的合成與制備得到了廣泛的應用。

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，其體積經歷了周期性的收縮和膨脹產生震動，當聲壓達到一定程度是，其在高速震蕩下崩裂，這個動力學過程稱為超聲空化作用。液體中的空氣泡核崩潰時會在液體中產生空穴便伴隨著發電發光、壓強溫度迅速升高的現象且有激蕩波的產生。

3.2 超聲空化作用的原理

超聲空化作用的發生頻率一般為100khz～1000khz，其發生主要經歷了三個過程：首先超聲波傳遞到液體中會帶動液體振動，形成成千上萬個微小地空氣泡核；然后空氣泡核在超聲波的作用下，在負壓區膨脹而在負壓區縮小；最終正負壓強的拉伸作用使空氣泡核崩潰破裂，在破裂時產生高壓的作用下，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

在超聲波的作用下，液體產生微小的空氣泡核，空氣泡核逐漸膨脹收縮最終破裂。空氣泡核破裂時會產生高溫和高壓并伴隨著告訴的震蕩波，當震蕩波作用于液體表面的固體時，震蕩波會對固體表面產生破壞或者清除掉固體表面的污垢。與此同時，由于高速的震蕩波作用使液體混合作用加強，不僅促進了宏觀物質的過程，而且對于熱量的傳遞、分子的擴散也起到了一定的促進作用

3.4 超聲空化作用的化學效應

超聲空化作用不僅能產生強烈的物理效應，也產生了一定的化學效應，在空氣泡核破裂產生的高溫高壓環境下，容易產生自由基團，例如水被誘導分解產生了羥基和羧基兩個自由基，氧氣共價鍵斷裂產生兩個O自由基，羥基和O自由基具有很強的氧化能力，會進一步發生氧化還原反應。目前對超聲降解的解釋主要有熱點理論和電離理論兩種，前者認為高溫高壓破壞了分子鍵，后者則認為空氣泡核破裂產生了高壓電場，在電場的作用下，分子產生了電離效應，從而分子鍵斷開。

4 超聲空化作用在無機材料合成與制備中的應用

4.1 超聲空化作用用于復合粉體制備

三氧化二鋁和氧化硅等結構材料經過復合后將各種材料的優點結合起來，韌性加強，綜合性能將得到顯著提高，在復合過程中是各組分在整體中均勻分布是復合材料制備過程中關鍵一步。工業上長才用的方法是多相懸浮液分散法，在降低粉底團聚的過程中，超聲震蕩的效果要明顯優于傳統的攪拌和球磨方式。Sisson在進行三氧化二鋁和二氧化鋯時發現，用超聲波分散復合懸浮液時，一般情況下懸浮液的粘合程度和復合度會隨著實踐的延長逐漸降低。然而實際上不得不注意的是，在用超聲波降低復合材料的團聚時，應該對于超聲波使用過度而產生的團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間以及強度有很大的關系，并不是隨著時間的延長效果逐漸變好，超聲分散的有一個最佳的中間效果，存在著使效果達到最佳的條件。要想利用超聲技術使無機材料復合過程中粉底團聚降低到最佳，必須尋找最佳條件，如超聲波強度、采用超聲波的時間等。

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的納米材料，其結構易控制，應用十分廣闊。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氣凝膠制備時需要加入有機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發生脫水反應形成微球，微球的大小與超聲波的強度和頻率成正比。經過超聲處理，二氧化硅的凝聚能力得到了顯著地加強，使氣凝膠與其他材料的復合率增大。二氧化硅氣凝膠的分子結構比較獨特，在制備過程中，超聲波的頻率、強度以及使用的時間等都會對其產生顯著地影響。

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造與粉體的分散性與很大的關系。超聲空化作用在空氣泡核破裂時會釋放大量的能量，這些能量可以用于減少顆粒團聚，增強粉體的分散度。利用超聲空化作用空氣泡核破裂產生的震蕩波可以使粉體聚合物大幅度解體，增加其流動能力。值得注意的是，超聲波處理時間過長，容易引起超聲團聚的產生，所以要注意超聲波處理的時間，在溶膠顆粒不再減小時及時關閉超聲波的作用。再利用超聲波對懸浮液進行處理時，可以適當的添加分散劑，并對超聲波的參數和作用時間加以控制從而避免超聲團聚的產生。

4.4 超聲空化作用在無機材料合成中的應用

超聲空化作用空氣泡核破裂時會釋放大量能量并產生高壓高溫的環境，在這些因素的誘導下，使得許多化學反應比較容易發生。在高溫高壓環境下，大量能量的產生會破壞分子的化學鍵，促進反映的速率的同時改善產物的各種性能，這種效應在無機材料中的應用越來越廣泛，例如在磷酸和熟石灰作為材料用于合成羥基磷灰石時，利用超聲空化作用可以使反應時間縮短十倍以上，并使粉體各成分的均勻度大大增加。因此，應該對超聲空化作用在無機材料的合成中的作用提起高度的重視。

5 結語

綜上所述，超聲空化作用的使用在無機材料的合成與制備中有著非常重要的意義，它雖然僅僅是無機材料合成的輔助手段，但是實踐表明，引入超聲空化作用極大程度上加快了無機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。在無機材料化學制備中，輔以超聲技術已經成為材料合成的發展趨勢，為無機材料的合成與制備提供了廣闊的前景。我國應對超聲空化作用對無機材料合成與制備的作用提起高度重視，在認識到其重要性的同時采取適當的政策促進相關領域的發展。

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