超声技术在无机材料合成与制备中的应用分析

李明昊

（武汉科技大学 湖北 武汉 430000）

1 引言

近几十年来，超声技术在化学领域的应用越加广泛，在无机材料的合成与制备过程中，利用超声波可以加快一些物理反应如过滤、筛选、除垢的反应速率，同时，利用超声波的化学效应不仅可以提高一些化学反应的反应速率，对于改善化学材料的性能也有很大的作用。

2 超声波与超声技术的定义

通常人们把频率高于20khz的声波称为超声波，超声波具有很强的穿透性且易于集中，目前超声波被广泛应用于超声定位、超声测距、超声清洗、超声杀菌等方面。

自从上世纪三十年代超声波的化学效应被报道以来，超声技术得到了各国科学家的广泛关注，超声技术经过七八十年的研究与发展，已经逐渐成长为一门先进的高新技术，在工业生产中得到广泛应用。超声技术是声学领域一门非常重要的研究对象，超声技术的作用主要分为三种，即空化效应、热学效用和机械力学效应，其中空化效应在无机材料的合成与制备得到了广泛的应用。

3 超声空化作用概要

3.1 超声空化作用的定义

液体中常存在一些微小的空气泡核，这些微小的空气泡核在超声波的作用下，其体积经历了周期性的收缩和膨胀产生震动，当声压达到一定程度是，其在高速震荡下崩裂，这个动力学过程称为超声空化作用。液体中的空气泡核崩溃时会在液体中产生空穴便伴随着发电发光、压强温度迅速升高的现象且有激荡波的产生。

3.2 超声空化作用的原理

超声空化作用的发生频率一般为100khz～1000khz，其发生主要经历了三个过程：首先超声波传递到液体中会带动液体振动，形成成千上万个微小地空气泡核；然后空气泡核在超声波的作用下，在负压区膨胀而在负压区缩小；最终正负压强的拉伸作用使空气泡核崩溃破裂，在破裂时产生高压的作用下，使固体悬浮物与液体的接触面收到破坏。

3.3 超声空化作用的物理效应

在超声波的作用下，液体产生微小的空气泡核，空气泡核逐渐膨胀收缩最终破裂。空气泡核破裂时会产生高温和高压并伴随着告诉的震荡波，当震荡波作用于液体表面的固体时，震荡波会对固体表面产生破坏或者清除掉固体表面的污垢。与此同时，由于高速的震荡波作用使液体混合作用加强，不仅促进了宏观物质的过程，而且对于热量的传递、分子的扩散也起到了一定的促进作用

3.4 超声空化作用的化学效应

超声空化作用不仅能产生强烈的物理效应，也产生了一定的化学效应，在空气泡核破裂产生的高温高压环境下，容易产生自由基团，例如水被诱导分解产生了羟基和羧基两个自由基，氧气共价键断裂产生两个O自由基，羟基和O自由基具有很强的氧化能力，会进一步发生氧化还原反应。目前对超声降解的解释主要有热点理论和电离理论两种，前者认为高温高压破坏了分子键，后者则认为空气泡核破裂产生了高压电场，在电场的作用下，分子产生了电离效应，从而分子键断开。

4 超声空化作用在无机材料合成与制备中的应用

4.1 超声空化作用用于复合粉体制备

三氧化二铝和氧化硅等结构材料经过复合后将各种材料的优点结合起来，韧性加强，综合性能将得到显著提高，在复合过程中是各组分在整体中均匀分布是复合材料制备过程中关键一步。工业上长才用的方法是多相悬浮液分散法，在降低粉底团聚的过程中，超声震荡的效果要明显优于传统的搅拌和球磨方式。Sisson在进行三氧化二铝和二氧化锆时发现，用超声波分散复合悬浮液时，一般情况下悬浮液的粘合程度和复合度会随着实践的延长逐渐降低。然而实际上不得不注意的是，在用超声波降低复合材料的团聚时，应该对于超声波使用过度而产生的团聚作用给予充分的斟酌。超声分散的效果与所用超声波的时间以及强度有很大的关系，并不是随着时间的延长效果逐渐变好，超声分散的有一个最佳的中间效果，存在着使效果达到最佳的条件。要想利用超声技术使无机材料复合过程中粉底团聚降低到最佳，必须寻找最佳条件，如超声波强度、采用超声波的时间等。

4.2 超声空化作用用于二氧化硅气凝胶的制备

二氧化硅气凝胶是一种先进的纳米材料，其结构易控制，应用十分广阔。在二氧化硅气凝胶的制备过程中引入超声空化作用可以克服传统气凝胶制备时需要加入有机溶剂加大烷基溶解度的缺憾。在酸性条件下，通过催化剂的作用通过超声空化作用可以使正硅酸乙酯在水中完成凝缩和水解。二氧化硅在超声空化作用下会发生脱水反应形成微球，微球的大小与超声波的强度和频率成正比。经过超声处理，二氧化硅的凝聚能力得到了显著地加强，使气凝胶与其他材料的复合率增大。二氧化硅气凝胶的分子结构比较独特，在制备过程中，超声波的频率、强度以及使用的时间等都会对其产生显著地影响。

4.3 超声空化作用用于悬浮液的处理

陶瓷材料的性能与构造与粉体的分散性与很大的关系。超声空化作用在空气泡核破裂时会释放大量的能量，这些能量可以用于减少颗粒团聚，增强粉体的分散度。利用超声空化作用空气泡核破裂产生的震荡波可以使粉体聚合物大幅度解体，增加其流动能力。值得注意的是，超声波处理时间过长，容易引起超声团聚的产生，所以要注意超声波处理的时间，在溶胶颗粒不再减小时及时关闭超声波的作用。再利用超声波对悬浮液进行处理时，可以适当的添加分散剂，并对超声波的参数和作用时间加以控制从而避免超声团聚的产生。

4.4 超声空化作用在无机材料合成中的应用

超声空化作用空气泡核破裂时会释放大量能量并产生高压高温的环境，在这些因素的诱导下，使得许多化学反应比较容易发生。在高温高压环境下，大量能量的产生会破坏分子的化学键，促进反映的速率的同时改善产物的各种性能，这种效应在无机材料中的应用越来越广泛，例如在磷酸和熟石灰作为材料用于合成羟基磷灰石时，利用超声空化作用可以使反应时间缩短十倍以上，并使粉体各成分的均匀度大大增加。因此，应该对超声空化作用在无机材料的合成中的作用提起高度的重视。

5 结语

综上所述，超声空化作用的使用在无机材料的合成与制备中有着非常重要的意义，它虽然仅仅是无机材料合成的辅助手段，但是实践表明，引入超声空化作用极大程度上加快了无机材料合成与制备工艺的速率，并且是粉体的均匀度、分散性等性能有了很大的提升。在无机材料化学制备中，辅以超声技术已经成为材料合成的发展趋势，为无机材料的合成与制备提供了广阔的前景。我国应对超声空化作用对无机材料合成与制备的作用提起高度重视，在认识到其重要性的同时采取适当的政策促进相关领域的发展。

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